工业微生物发酵分类方式：分批发酵介绍

将工业微生物发酵进行分类可以有不同的分类方法。依据投料方式的不同或按进行过程可以分为分批发酵、补料分批发酵和连续发酵三种发酵方式。

（一）分批发酵

分批发酵又称分批培养、间歇发酵、批式发酵。是指在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式，即是以微生物的一个生长周期为一个生产周期，包括设备的灭菌、种子培养、发酵操作。分批发酵是目前微生物培养的最基本的方式。

图8-1 分批培养过程典型的细菌生长曲线

在分批发酵过程中，随着微生物生长和繁殖，细胞量、底物、代谢产物的浓度等均不断发生变化。微生物的生长可分为4个阶段：停滞期（a）、对数生长期（b）、稳定期（c）和衰亡期（d），如图8-1所示。分批培养过程中各个生长阶段的细菌细胞特征如表8-1所示。

表8-1 分批培养过程中各阶段的细胞特征

发酵工业中常见的分批发酵方法是采用单罐深层分批发酵法，具体操作：首先种子培养系统开始工作，进行摇瓶种子制备，在种子罐开始培养的同时，以同样的程序进行主发酵罐的准备工作，对大型发酵罐进行实罐灭菌或连续灭菌。种子培养结束，转移至发酵罐开始发酵，启动搅拌和通气，控制好温度、pH、溶氧等工艺参数，及时补料，发酵终点，放罐，将发酵液送至提取、精制工段进行后处理。对发酵罐进行清洗，然后转入下一批次生产。分批培养的具体操作如图8-2所示。

根据不同的发酵类型，每批发酵要经历十几个小时到几周不等。分批式发酵的操作时间由两部分组成，一部分是进行发酵所需的时间，即从接种后开始发酵到发酵结束为止所需的时间，另一部分为辅助操作时间，包括投料、灭菌、冷却、清洗所需的时间，这些时间总和为一个发酵周期，即从第一罐接种经发酵结束至第二罐接种为止的这段时间。在发酵过程中，微生物所处的环境不断变化，相关物理、化学和生物参数也随时间而变化，整个发酵是一个不稳定的过程。

图8-2 典型分批发酵工艺流程图

分批发酵的优点：发酵过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其他物质，操作简单；微生物培养可靠、安全，操作引起染菌的概率低，不会产生菌种老化和变异等问题；微生物的各个阶段的生理、代谢特征不同，易于控制。分批发酵缺点：非生产时间较长、设备利用率低；每次发酵重复进行，造成时间、原材料和能量等的浪费；底物利用率低，分批发酵都存在一个微生物自身的增殖过程，会消耗一定量的底物；分批发酵培养基中的底物浓度较高，增加了培养基的渗透压，不利于微生物的生长。

分批发酵过程中，各种微生物经历了一系列变化阶段，各个变化进程既受到菌体本身特性的制约，也受周围环境的影响。只有正确认识和掌握这一系列变化过程，才有利于控制发酵生产。

（二）补料分批发酵(www.xing528.com)

补料分批发酵，又称流加式发酵，指在分批式操作的基础上，开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程一定时期，再间歇或连续补加碳源或（和）氮源或（和）其他必需物质，但不取出培养液，直到发酵终点，产率达最大化，停止补料，最后将发酵液一次全部放出。补料是由于随着菌体的生长，营养物质会不断消耗，通过加入新培养基，满足了菌体合成代谢产物的营养要求。补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶制剂、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。

补料发酵需相应的补料罐，容积大小视流加物料的量而定，除少数流加氨水等以外，流加的物料和管道也要进行灭菌，以防止由于物料流加而造成发酵染菌。

与传统分批发酵和连续发酵相比，补料分批发酵有很多优点，如表8-2所示。其缺点是存在一定的非生产时间。和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。

表8-2 补料分批培养的一些优点

（三）连续发酵

连续发酵又称连续培养，培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、产物浓度、pH、菌体浓度、比生长速率）下生长的发酵方式。因此，连续发酵能维持低基质浓度，可以提高设备利用率和单位时间的产量，便于自动控制。

连续发酵的优点是可以长期连续进行，生产能力可以达到间歇发酵的数倍。但目前，采用连续发酵进行大规模生产还是比较困难的，其主要原因在于连续发酵中两个比较难以解决的问题是长期连续操作时杂菌污染的控制和微生物菌种的变异，而且工艺中的变量较分批发酵复杂，较难控制和扩大。因此，连续发酵主要用于实验室进行发酵动力学研究，在工业发酵中的应用并不多见。工业上为了防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两种方式。

连续发酵使用的反应器可以是搅拌罐式反应器，也可以是管式反应器。搅拌罐式反应器，一般可采用原有发酵罐改装，可以采用单罐连续发酵和多罐串联连续发酵，如图8-3所示。

图8-3 罐式连续发酵系统

图（1）中虚线部分表示带循环系统的连续发酵：1—发酵罐 2—细胞分离器