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微生物发酵的工作流程及应用范围

日期:2019-01-11 人气:1496

微生物发酵亦称微生物工程,是生物工程的重要组成和基础,它利用微生物的作用并通过近代工程技术来实现有用物质向工业化生产或其他产业过程转化的科学技术体系。

它以微生物学和生物化学及遗传学的理论为基础,开发白然界微生物资源及其所有的潜在功能,使之应用于生产实践。其主要包括原料的处理和有用微生物的筛选和诱变;菌种工业应用的最适培养条件的选择;代谢的调节和控制;生物反应等的研究和设计;发酵工艺中各种参数的测试与白控;产物的分离和提取等。

微生物发酵技术与基因工程、细胞工程、酶工程相互密切结合、相互渗透和相互促进,是科研成果从实验室向商业化转移的重要课题。总的来说,微生物发酵既是开发生物资源的关键技术,也是生物技术产业化的重要环节。

微生物发酵的工作流程是怎样的?首先要了解微生物发酵到底是什么?其实我们见过的苹果等食物的腐烂也是微生物在发酵,但是这里我们指的是利用微生物,在适宜的条件下,将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要产物的过程。那么这个过程主要有哪些步骤呢?

第一、菌体的培育

一、是菌体自然选育

就是在生产过程中,不经过人工处理,利用菌种的自发突变,从而选育出优良菌种的过程,叫做自然选育。菌种的自发突变往往存在两种可能性:菌种衰退,生产性能下降;或者是代谢更加旺盛,生产性能提高。具有实践经验和善于观察的工作人员,就能利用自发突变而出现的菌种性状的变化,选育出优良菌种。例如,在谷氨酸发酵过程中,人们从被噬菌体污染的发酵液中分离出了抗噬菌体的菌种。又如,在抗生素发酵生产中,从某一批次高产的发酵液取样进行分离,往往能够得到较稳定的高产菌株。但自发突变的频率较低,出现优良性状的可能较小,需坚持相当长的时间才能收到效果。

二、是菌体诱变育种

诱变育种是指用人工的方法处理微生物,使它们发生突变,再从中筛选出符合要求的突变菌株,供生产和科学实验用。诱变育种与其他育种方法相比,具有操作简便、速度快和收效大的优点,至今仍是一种重要的、广泛应用的微生物育种方法。诱变育种包括出发菌种选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。

第二、菌种的选取

菌种经诱变处理后,会产生各种各样的突变类型。如何从中挑选出所需要的突变类型呢?一般要经过初筛和复筛两个阶段。下面以青霉素产生菌高产突变菌种的筛选为例说明。将经诱变处理的菌液按一定浓度稀释后,涂布在平板培养基上。培养后,将单个菌落挑到斜面培养基上,经培养后,再将斜面上的菌落逐个接种到摇瓶中,振荡培养后测它们的抗生素效价。这就是初筛。初筛中所得到的超过对照效价10%以上的菌种,再进行复筛。复筛的过程与初筛基本相同,不同的是一般将斜面上的单个菌落接种到三个摇瓶中,得出平均效价。复筛可进行1~3次。由此筛选出的高产稳定菌种还要经过小型甚至中型试验,才能用到发酵生产中。

第三、培养基的配置

(1)原料:碳源,氮源,生长因子,无机盐和水。

(2)原则:目的要明确,营养要协调,PH要适宜。

第四、灭菌

发酵过程中不能有杂菌污染,不仅要对培养基进行灭菌,还要对发酵装置进行灭菌,通入的空气也要进行灭菌.灭菌不仅要杀死杂菌细胞,还要杀死芽孢和孢子.

第五、扩大培养和接种

扩大培养可以缩短微生物生长的调整期.

第六、微生物发酵过程

是发酵的中心阶段。 关键是控制发酵的条件,如温度,pH,溶氧,通气量与转速等。原因是环境条件的变化,不仅会影响菌种的生长繁殖,还会影响菌种代谢产物的形成。影响发酵过程的因素 影响发酵过程的因素主要有以下几个方面。

1、温度控制

温度对微生物的影响是多方面的。首先,温度影响酶的活性。在最适温度范围内,随着温度的升高,菌体生长和代谢加快,发酵反应的速率加快。当超过最适温度范围以后,随着温度的升高,酶很快失活,菌体衰老,发酵周期缩短,产量降低。温度也能影响生物合成的途径。例如,金色链霉菌在30 ℃以下时,合成金霉素的能力较强,但当温度超过35 ℃时,则只合成四环素而不合成金霉素。此外,温度还会影响发酵液的物理性质,以及菌种对营养物质的分解吸收等。因此,要保证正常的发酵过程,就需维持最适温度。但菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同。如灰色链霉菌的最适生长温度是37 ℃,但产生抗生素的最适温度是28 ℃。通常,必须通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最适温度,采取分段控制。

2、适宜的pH值

pH能够影响酶的活性,以及细胞膜的带电荷状况。细胞膜的带电荷状况如果发生变化,膜的透性也会改变,从而有可能影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的分泌。此外,pH还会影响培养基中营养物质的分解等。因此,应控制发酵液的pH。但不同菌种生长阶段和合成产物阶段的最适pH往往不同,需要分别加以控制。在发酵过程中,随着菌体对营养物质的利用和代谢产物的积累,发酵液的pH必然会发生变化。如当尿素被分解时,发酵液中的NH+4浓度就会上升,pH也随之上升。在工业生产上,常采用在发酵液中添加维持pH的缓冲系统,或通过中间补加氨水、尿素、碳酸铵或碳酸钙来控制pH。目前,国内已研制出检测发酵过程的pH电极,用于连续测定和记录pH变化,并由pH控制器调节酸、碱的加入量。

3、溶解氧

氧的供应对需氧发酵来说,是一个关键因素。从葡萄糖氧化的需氧量来看,1 mol的葡萄糖彻底氧化分解,需6 mol的氧;当糖用于合成代谢产物时,1 mol葡萄糖约需1.9 mol的氧。因此,好氧型微生物对氧的需要量是很大的,但在发酵过程中菌种只能利用发酵液中的溶解氧,然而氧很难溶于水。在101.32 kPa、25 ℃时,氧在水中的溶解度为0.26 mmol/L。在同样条件下,氧在发酵液中的溶解度仅为0.20 mmol/L,而且随着温度的升高,溶解度还会下降。因此,必须向发酵液中连续补充大量的氧,并要不断地进行搅拌,这样可以提高氧在发酵液中的溶解度。

4、泡沫

在发酵过程中,通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等,都有可能产生泡沫。发酵过程中产生一定数量的泡沫是正常现象,但过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积,影响通气和搅拌的正常进行,甚至导致代谢异常,因而必须消除泡沫。常用的消泡沫措施有两类:一类是安装消泡沫挡板,通过强烈的机械振荡,促使泡沫破裂;另一类是使用消泡沫剂 营养物质的浓度 发酵液中各种营养物质的浓度,特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度,会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。如在谷氨酸发酵中,NH+4浓度的变化,会影响代谢途径(见谷氨酸发酵)。因此,在发酵过程中,也应根据具体情况进行控制。 以制造谷氨酸为例,发酵在发酵过程中,氧、温度、pH和磷酸盐等的调节和控制如下:

①氧。谷氨酸产生菌是好氧菌,通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率,而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期,加大通气量有利于谷氨酸的合成。

②温度。菌种生长的最适温度为30~32 ℃。当菌体生长到稳定期,适当提高温度有利于产酸,因此,在发酵后期,可将温度提高到34~37 ℃。

③pH。谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.0~8.0。但在发酵过程中,随着营养物质的利用,代谢产物的积累,培养液的pH会不断变化。如随着氮源的利用,放出氨,pH会上升;当糖被利用生成有机酸时,pH会下降。

④磷酸盐。它是谷氨酸发酵过程中必需的,但浓度不能过高,否则会转向缬氨酸发酵。发酵结束后,常用离子交换树脂法等进行提取。

第七、分离提纯

代谢产物:可采用蒸馏,萃取,离子交换等方法提取。

菌体自身:可采用过滤,沉淀等方法从培养液中分离出来。

第八、应用范围

微生物发酵生产水平主要取决于菌种本身的遗传特性和培养条件。发酵工程的应用范围有:

⑴医药工业,

⑵食品工业,

⑶能源工业,

⑷化学工业,

⑸农业:改造植物基因;生物固氮;工程杀虫菌生物农药;微生物养料。

⑹环境保护等方面。但微生物发酵的过程一定要注意不能被感染,一旦感染其他的菌种,将不能培育成我们所需要的产品。

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