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微生物發酵的一般方式有哪些？

微生物發酵方式一般分為分批發酵、連續發酵和補料分批發酵。

圖1 保興賽斯離位滅菌玻璃發酵罐

一、分批發酵

分批發酵是將發酵培養基一次性投入發酵罐中，經滅菌、接種和發酵，再一次性地將發酵液放出的一種發酵操作。分批發酵過程中，除不斷通氣和加入酸堿溶液以維持發酵環境外，與外界沒有物料交換，減少了污染機會。其主要特征是所有工藝變量都隨發酵時間的變化而變化。

分批發酵過程中的代謝變化一般可分為菌體生長，產物合成和菌體自溶3個階段:

（1）菌體生長階段

菌體生長階段處于發酵前期，這一階段主要是菌體適應新環境，開始生長繁殖，增加細胞數量，直至達到菌體臨界濃度。為減少種子液轉入發酵培養基后，對新環境的適應時間，種子培養基的主要成分應盡可能與發酵培養基的成分一致。

此階段的代謝變化，主要是培養基中碳源、氮源等的分解代謝和細胞內物質的合成代謝，即營養物質不斷被消耗，新菌體不斷合成，溶解氧水平不斷下降。當其中某一因素成為限制因素時，菌體生長速度會減慢至一臨界值，菌體由生長階段轉入產物合成階段。

（2）產物合成階段

產物生成階段處于發酵中期，此時菌體量增加趨于穩定，代謝以合成產物為主，產物生成速率大。發酵液pH、溫度和溶氧等參數都會影響發酵過程中的代謝變化，增加副產物的生成，影響產量。保興賽斯的生物反應系統可對一系列參數進行檢測并反饋，以了解菌體生長狀態，調整發酵環境。

圖2 保興賽斯控制系統

（3）菌體自溶階段

菌體自溶階段處于發酵后期，此階段的代謝特征主要表現為菌體開始衰老、自溶，產物合成能力衰退，氨基氮含量增加，pH逐漸回升。此時發酵必須結束，否則不僅可能會使產物受到破壞，還會加大發酵后處理的困難。保興賽斯生物反應器在配置相應硬件后，其高級監控軟件可根據氨基氮、菌濃、發酵單位等檢測數據，生成相應代謝曲線。對代謝曲線進行研究分析，能掌握代謝變化的規律，發現工藝操作中存在的問題，有助于改進工藝，提高產量。

二、連續發酵

連續發酵是當微生物培養到對數生長期時，一方面以一定速度連續不斷地向發酵罐中流加新鮮液體培養基，另一方面又以同樣的速度連續不斷地將發酵液排出。連續發酵不僅減少了生物反應器清洗、滅菌的時間，還因罐內細胞濃度、pH值、營養成分的濃度、溶解氧等都保持一定，發酵罐中的微生物生長和代謝活動始終保持旺盛狀態，這大大提高了微生物發酵效率和設備利用率。

但連續發酵的實際運行時間通常較長，選擇設備時應特別注意設備的密封性能，及通入氣液的無菌度。并且，長時間發酵會增加菌種變異的風險，導致純種發酵難以長期進行。其次，由于發酵液體的連續性，發酵產物無法整齊地分成不同批次進行追溯。

圖3 保興賽斯發酵罐

三、補料分批發酵

補料分批發酵是一種介于分批發酵和連續發酵之間的發酵方式，是指在發酵過程中，間歇或連續地補加新鮮培養基，使發酵系統維持低基質濃度。補料分批發酵只向發酵罐中緩慢補加物料，不會連續向外放出發酵液，這既滿足了微生物生長和產物持續合成的需要，又可以解除底物抑制，提高目的產物的轉化率。尤其在產物合成階段，營養物質的濃度需控制在一定范圍內，以利于產物的合成。若營養物質過多，則促進菌體生長，抑制產物合成；若營養物質過少，則菌體易衰老，產物合成能力衰退，不利于生產。

此外，當代謝產物生成率或細胞生長速率明顯受到某種底物組分濃度影響時，采用補料分批發酵方式比分批發酵有利，比如以下情況：（1）高密度培養系統；（2）存在Crabtree效應的系統；（3）受分解代謝物阻遏抑制作用的系統；（4）利用營養突變體的系統。

圖4 保興賽斯玻璃生物反應器BIOTECH-JG系列

保興賽斯補料控制可采用數字化定時定量分段設置控制；蠕動泵補料自動控制；控制器可設定補料泵的開關周期。此外，補料可與pH 和溶氧關聯控制。

參考資料：吳松剛.微生物工程[M].北京：科學出版社,2004.