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中試生產(chǎn)發(fā)酵罐的生物反應(yīng)過程原理

更新時間:2025-03-20      點擊次數(shù):464
  中試生產(chǎn)發(fā)酵罐的生物反應(yīng)過程原理主要涉及微生物學(xué)、化學(xué)工程和生物化學(xué)等多個領(lǐng)域的知識。以下是對該過程原理的詳細(xì)闡述:
  1.微生物生長與代謝
  微生物的選擇與培養(yǎng)
  在發(fā)酵過程中,首先需要選擇合適的微生物菌株,這些菌株應(yīng)具有特定的生物合成能力,能夠?qū)⒃限D(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。例如,在抗生素發(fā)酵中,會選擇能夠產(chǎn)生特定抗生素的菌株。通過無菌操作技術(shù),將這些菌株接種到種子培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng),以獲得足夠數(shù)量和活力的種子液。
  微生物的生長階段
  延遲期:種子液接種到發(fā)酵罐后,微生物需要適應(yīng)新的環(huán)境,此時細(xì)胞數(shù)目基本不變,但細(xì)胞內(nèi)會發(fā)生一系列生理和生化變化,如合成一些必要的酶和中間代謝產(chǎn)物。
  對數(shù)生長期:微生物適應(yīng)環(huán)境后開始快速繁殖,細(xì)胞數(shù)目以指數(shù)形式增長。在此階段,微生物的代謝活性較高,對營養(yǎng)物質(zhì)的消耗較大,是積累目標(biāo)產(chǎn)物的關(guān)鍵時期。
  穩(wěn)定期:隨著營養(yǎng)物質(zhì)的逐漸消耗和代謝產(chǎn)物的積累,微生物的生長速率逐漸減緩,新繁殖的細(xì)胞數(shù)與死亡的細(xì)胞數(shù)趨于平衡,細(xì)胞總數(shù)達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。此時,目標(biāo)產(chǎn)物的積累量也達(dá)到最大值。
  衰亡期:營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)一步耗盡,代謝廢物積累過多,導(dǎo)致微生物大量死亡,細(xì)胞數(shù)目迅速減少,目標(biāo)產(chǎn)物也可能被分解。因此,發(fā)酵過程通常在穩(wěn)定期或穩(wěn)定期之前結(jié)束。
  2.底物轉(zhuǎn)化與產(chǎn)物形成
  底物的吸收與利用
  發(fā)酵罐中的微生物通過細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)吸收培養(yǎng)基中的底物,如碳源(葡萄糖、蔗糖等)、氮源(氨基酸、蛋白質(zhì)等)以及各種無機(jī)鹽和維生素等。這些底物進(jìn)入細(xì)胞后,經(jīng)過一系列的代謝途徑被轉(zhuǎn)化為能量和細(xì)胞組成物質(zhì),同時合成目標(biāo)產(chǎn)物。
  代謝途徑與產(chǎn)物形成
  糖酵解途徑(EMP):在厭氧條件下,葡萄糖或糖原分解為丙酮酸或乳酸的過程。例如,在一些厭氧發(fā)酵過程中,微生物通過糖酵解途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇等代謝產(chǎn)物。
  三羧酸循環(huán)(TCA):是有氧呼吸過程中的重要代謝途徑,丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A,然后進(jìn)入三羧酸循環(huán),最終生成二氧化碳、水和能量(ATP)。許多微生物在有氧條件下通過TCA循環(huán)合成各種有機(jī)酸、氨基酸等中間代謝產(chǎn)物,進(jìn)而合成目標(biāo)產(chǎn)物。
  其他代謝途徑:除了上述常見的代謝途徑外,微生物還具有許多特殊的代謝途徑,用于合成特定的次生代謝產(chǎn)物。例如,某些放線菌通過聚酮化合物合酶途徑合成抗生素;真菌通過萜類化合物合成途徑合成多種天然產(chǎn)物。
  3.中試生產(chǎn)發(fā)酵罐對發(fā)酵條件的影響與控制
  溫度
  溫度對微生物的生長和代謝活動有顯著影響。不同種類的微生物具有不同的最適生長溫度范圍。在適宜的溫度下,微生物的生長速率和代謝活性較高;溫度過高或過低都會抑制微生物的生長和代謝,甚至導(dǎo)致微生物死亡。
  pH值
  pH值也是影響微生物生長和代謝的重要因素。不同的微生物對pH值的要求不同,一般在中性或微酸性環(huán)境下生長較好。發(fā)酵過程中,隨著底物的消耗和代謝產(chǎn)物的積累,培養(yǎng)液的pH值會發(fā)生變化。因此,需要通過添加酸堿調(diào)節(jié)劑或緩沖液來維持發(fā)酵液的pH值在適宜的范圍內(nèi)。
  氧氣供應(yīng)
  對于需氧發(fā)酵過程,氧氣是微生物生長和代謝所必需的。通過向發(fā)酵罐中通入無菌空氣并提供適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣龋梢员WC氧氣在發(fā)酵液中的均勻分布,滿足微生物的呼吸需求。如果氧氣供應(yīng)不足,會導(dǎo)致微生物生長緩慢,代謝異常,甚至產(chǎn)生有害代謝產(chǎn)物。
  營養(yǎng)物質(zhì)濃度
  合適的營養(yǎng)物質(zhì)濃度是微生物生長和代謝的基礎(chǔ)。過高或過低的營養(yǎng)物質(zhì)濃度都會影響微生物的生長和代謝。因此,在發(fā)酵過程中需要根據(jù)微生物的生長需求,合理控制營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。
 

 

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