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發(fā)酵過程的種類-發(fā)酵工藝過程控制

根據微生物的生理特征、營養(yǎng)要求、培養(yǎng)基性質以及發(fā)酵生產方式不同，可以將工業(yè)微生物發(fā)酵分成不同的類型。

1.按微生物與氧的關系

按微生物與氧的關系分，發(fā)酵可以分為好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵以及兼性厭氧發(fā)酵三大類型。

好氧發(fā)酵是由好氧菌在有分子氧存在的條件下進行的發(fā)酵過程，因此，在好氧發(fā)酵過程中要不斷地向發(fā)酵液中通入無菌空氣，以滿足微生物對氧的需求。多數現代工業(yè)發(fā)酵屬于好氧發(fā)酵類型，如利用棒狀桿菌進行的發(fā)酵，利用黑曲霉進行的檸檬酸發(fā)酵，以及絕大多數的抗生素發(fā)酵都屬于好氧發(fā)酵。厭氧發(fā)酵是由厭氧菌進行的發(fā)酵，在整個發(fā)酵過程中無需供給空氣，發(fā)酵產品包括丙酮、乳酸、丁醇、丁酸等。有的微生物屬于兼性厭氧型，如酵母菌，在有氧供給的情況下，可以積累酵母菌體，進行好氧呼吸，而在缺氧的情況下它又進行厭氧發(fā)酵，積累代謝產物-酒精。

2.按培養(yǎng)基的物理性狀分

按培養(yǎng)基的物理性狀分，發(fā)酵可以分為液體發(fā)酵和固體發(fā)酵兩大類型。

固體發(fā)酵又分為淺盤固體發(fā)酵和深層固體發(fā)酵，統(tǒng)稱曲法培養(yǎng)，源自于我釀造生產*的傳統(tǒng)制曲技術，如白酒的釀造和固體制曲過程。淺盤固體發(fā)酵是將固體培養(yǎng)基鋪成薄層（厚2~3cm）裝盤，進行發(fā)酵；而深層固體發(fā)酵是將固體培養(yǎng)基堆成厚層（厚30cm），并在培育期間不斷通入空氣進行的發(fā)酵方法?，F在許多微生物菌體蛋白飼料、蛋白酶的生產大多采用固體發(fā)酵法。固體發(fā)酵大的特點是固體曲的酶活力高，但無論淺盤與深層固體通風培養(yǎng)都需要較大的勞動強度和工作面積。目前比較完善的深層固體通風制曲可以在曲房周圍使用循環(huán)的冷卻增濕的無菌空氣來控制溫度和濕度，并且能適應菌種在不同生理時期的需要加以靈活調節(jié)，曲層的翻動全部自動化。在液體發(fā)酵工藝中，淺盤液體培養(yǎng)法由于占地面積大，技術管理不便，而為液體深層培養(yǎng)所代替。目前，現代工業(yè)發(fā)酵中，幾乎所有好氧發(fā)酵都采用液體深層發(fā)酵法，如、、酸、檸檬酸等大多數發(fā)酵產品都先后采用此法大量生產。液體深層發(fā)酵的特點是容易按照生產菌種營養(yǎng)要求以及在不同生理時期對通氣、攪拌、溫度及ph等的要求，選擇適發(fā)酵工藝條件。但是，液體深層發(fā)酵無菌操作要求高，在生產上防止雜菌污染是個十分重要的問題。隨著微生物培養(yǎng)技術的發(fā)展，些新的培養(yǎng)方法逐漸產生，并被廣泛應用在大規(guī)模工業(yè)生產上，如載體培養(yǎng)和兩步法液體深層培養(yǎng)等。

載體培養(yǎng)的特點是用天然或人工合成的多孔材料代替麥麩之類固態(tài)基質作微生物生長的載體，營養(yǎng)成分可嚴格控制。發(fā)酵結束后，只需將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來抽提，載體又可以重新使用。此種培養(yǎng)法適于菌絲豐富的菌種培養(yǎng)。常用的載體為脲烷泡沫塑料。

在酶制劑和氨基酸生產中，由于微生物生長與產物生成的適條件往往有很大差異，常采取兩步法培養(yǎng)將菌體生長條件與產物生成條件區(qū)分開來，利于控制各個生理時期的適條件。如在某些氨基酸的二步法生產中，步是屬有機酸發(fā)酵或氨基酸發(fā)酵，第二步是在微生物產生的某種酶的作用下，把步產物轉化為所需的氨基酸。

3.按投料方式分

按投料方式分，發(fā)酵可分為分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵三大類型。

分批發(fā)酵指的是次性投入料液，經過培養(yǎng)基滅菌、接種后，在后續(xù)發(fā)酵過程中不再補入料液。

連續(xù)發(fā)酵是在特定的發(fā)酵設備中進行的，在連續(xù)不斷地輸入新鮮無菌料液的同時，也連續(xù)不斷地放出發(fā)酵液。連續(xù)發(fā)酵又可分為單恒化器連續(xù)發(fā)酵、多恒化器連續(xù)發(fā)酵及帶有細胞再循環(huán)的單恒化器連續(xù)發(fā)酵。

補料分批發(fā)酵是介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的操作方法，在發(fā)酵過程中次或多次補入含有種或多種營養(yǎng)成分的新鮮料液，以達到延長產物合成周期、提高產量的目的。

4按菌體的生長、碳源的利用及產物的生成三者的動力學關系

分按菌體的生長、碳源的利用及產物的生成三者的動力學關系分，發(fā)酵分為三種類型。

種類型為生長偶聯型發(fā)酵，特點是菌體的生長、碳源的利用和產物的生成幾乎是平行的，即表現出產物直接和碳源利用有關。這類型又分為以單純菌體培養(yǎng)為目的和獲得代謝產物為目的的兩種發(fā)酵情況。前者如酵母、蘑菇菌絲、蘇云金桿菌等的培養(yǎng)，終產物是菌體本身，菌體增加和碳源利用平行，且兩者有定量關系。單細胞微生物培養(yǎng)時，菌體增長與時間的關系多為對數關系。在酵母生產過程中，為防止過量糖的加入引起酒精產生，常用的辦法就是根據對數生長關系和菌體產量常數計算加糖速度。代謝產物類型指的是產物的積累與菌體生長平行，并與碳源消耗有準量關系，如乳酸、酒精、a酮戊二酸等都是碳源的直接氧化產物。

第二種類型為部分生長偶聯型發(fā)酵，特點是產物不是碳源的直接氧化產物，而是菌體內生物氧化過程的主流產物，因而產量較高。發(fā)酵分為兩個時期：在個時期，菌體生長迅速，而產物生成很少；在第二個時期，產物快速生成，生長也可能出現第二個高峰。碳的利用在菌體高生長期和大產物形成期出現兩個高峰。

第三種類型為非生長偶聯型發(fā)酵，特點是產物生成在菌體生長和基質消耗完以后才開始，即產物在穩(wěn)定期生成，與生長不相偶聯，產物合成與碳源利用無定量關系，產物生成量遠遠低于碳源消耗量。如抗生素、維生素等次代謝產物的發(fā)酵多屬于此類型，但和等次代謝產物的發(fā)酵屬于型發(fā)酵。

此外，依據代謝產物生物合成與菌體生長關系的不同，發(fā)酵可以分為初代謝產物發(fā)酵和次代謝產物發(fā)酵；依據產品的類別不同，發(fā)酵還可以分為抗生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵、維生素發(fā)酵與有機酸發(fā)酵等。