液态发酵的概念和基本过程

学术   2024-08-05 09:00   天津  

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区别与生物化学上堆发酵,发酵行业所说的发酵是指通过各种细菌和真菌将各种复杂的底物转换为有价值的单一的产物的技术。比如微生物菌体、酶制剂、氨基酸等。发酵技术广泛应用在医药、食品和饲料领域。发酵包括固态发酵(Solid State Fermentation (SSF))和液态发酵 (Liquid Fermentation (LF)、Submerged Fermentation (SmF) )。在此我们主要介绍液态发酵的基本过程。
2024年8月修改版
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Submerged Fermentation
液态发酵(Liquid Fermentation (LF)、Submerged Fermentation (SmF) ),一般指深层液态发酵,包含有以下3个特征:(1)submerged culture :菌体、培养基和产物等都是在液体里面进行的。(2)一般是单一菌的纯菌发酵,而固态发酵一般多为复合菌发酵。(3)可控的、确定性条件。以上三个特征就决定了液态发酵所需要的设备和预期配套的工艺。比如对通气供氧系统的要求,对无菌控制的要求,对工艺控制的要求。生产菌株、设备和工艺的优化都是为了获得最佳的生产效率。
液态发酵分类:
根据是否需要可以将液态发酵分为:好氧发酵和厌氧发酵。
根据发酵补料策略可以将发酵分为:分批发酵、补料分批发酵、连续发酵。
也可根据发酵产品种类进行分类:氨基酸发酵、染料乙醇发酵、有机酸发酵、酶制剂发酵、益生菌发酵等。


Submerged Fermentation :It requires the cultivation in submerged culture of an identified micro-organism (mainly bacterial) as a monoculture under defined environmental conditions.

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发酵设备的基本结构
以好氧液态发酵罐为例,发酵罐一般包括罐体、搅拌系统、通气系统、温控系统、传感器和控制系统、补料控制系统、管道阀门等。发酵罐的设计与改造都是为了更加适应菌体的生长或者产品的生成。
发酵过程控制监测/检测参数及特征

发酵工艺中最基本的控制工艺参数为:pH,溶氧,温度,转速、压力和补料策略。因此就需要与其配套的硬件和软件。目前发酵工艺优化限制于可在位高温灭菌的各种传感器。



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液态发酵的一般流程

  • 发酵罐系统准备,检修,对于发酵工厂来说这一点很重要。而对于实验室操作来说,也最后做到心中有数。

  • 各电极校准,主要包括溶氧,pH。也包括补料泵的速度校准等。

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  • 种子准备,根据发酵时间安排提前准备种子摇瓶或者种子罐,安排接种时间。

  • 补料准备,准备补料罐或者补料瓶。包括酸、碱、消泡剂、碳源、氮源等。

    【发酵前沿】微型微生物发酵培养中的补料方法

  • 空消:Sterilization of empty vessel and pipework using direct steam injection。不论是种子罐还是发酵罐,当培养基(或物料)还未进罐前对罐进行预先灭菌,称为空罐灭菌,也称空消。目的是杀死全部微生物尤其是耐热芽孢,空罐灭菌要求温度较高,灭菌时间较长,确保杀死设备中各死角残余杂菌或芽孢。空罐灭菌的压力和温度都可高于实罐灭菌,保温时间也可适当延长以保证罐体的彻底灭菌。一般空消,由于不受培养基的限制,且没有加电极,的罐压和温度可适当调高。此外空闲还可以进一步清洗罐内和管道残留的杂质。

  • 加入基础培养基:Charging with base medium。该步骤要特别注意去除培养基的沉淀和快状物,避免灭菌不透。

  • 实消,冷却。需要指出的是现在很多发酵系统为自动灭菌系统,通过启动阀或者电磁阀控制整个灭菌程序。随着各种配件的价格降低,稳定性提高,发酵过程控制的自动化和智能化成为趋势。但对于发酵技术人员还是要非常清楚灭菌的基本流程和原理,这对于突然出现的故障的排查非常有利。

  • 接入补装置,小罐接入补料瓶,大罐灭补料管道。需要注意的是该步骤对整体的无菌控制也至关重要,不能掉以轻心。

  • Pre-inoculation 调节设备参数到初始工艺参数。在接入种子前,我们需要将各参数调节到初始设定参数,比如ph、温度、转速、补料泵累积量等。

  • Inoculation(接种) – injection of a small sample of the monoculture。接种基本上包含2个层面:①摇瓶种子接入发酵罐②发酵罐的移种。对于小发酵罐仅仅包含摇瓶种子接入发酵罐,可采用火焰接种、压差接、补料针接种以及专门的接种管道接种。

    【发酵工艺】5L玻璃发酵罐接种

  • Incubation (发酵培养)– the fermentation process itself。发酵阶段是核心阶段,发酵的分类在该阶段进行区分。

  • Harvesting(收获) – product removed ready for extraction processes。



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