工业微生物连续培养技术常用方法

将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次性收获，此称分批培养。随着微生物的活跃生长，培养基中营养物质逐渐消耗，有害代谢产物不断积累，细菌的对数生长期不可长时间维持。20世纪50年代出现的连续培养技术又称开放培养，是相对于上述绘制典型生长曲线时所采用的那种单批培养或密闭培养而言的。根据生长曲线，营养物质的消耗和代谢产物的积累是导致微生物生长停止的主要原因。因此在微生物培养过程中不断地补充营养物质和以同样的速率移出培养物是实现微生物连续培养的基本原则。连续培养方法的出现，不仅可随时为微生物的研究工作提供一定生理状态的实验材料，而且可提高发酵工业的生产效益和自动化水平。此法已成为当前发酵工业的发展方向。

连续培养器的类型很多，以下仅对控制方式和使用目的不同的两种连续培养器（图7-2）的原理做一简单介绍。

图7-2 恒化器与恒浊器简图

1.恒浊器

这是根据培养器内微生物的生长密度，并借光电控制系统来控制培养液流速，以取得菌体密度高、生长速度恒定的微生物细胞的连续培养器。在这一系统中，当培养基的流速低于微生物生长速度时，菌体密度增高，这时通过光电控制系统的调节，可促使培养液流速加快。反之亦然，并以此来达到恒密度的目的。因此，这类培养器的工作精度是由光电控制系统的灵敏度来决定的。是通过连续培养装置中的光电系统控制培养基中菌体浓度恒定、使细菌生长连续进行的一种培养方式。恒浊器通过光电系统调节稀释率来维持菌数恒定，此种培养方式一般用于菌体以及与菌体生长平行的代谢产物生产的发酵工业，从而获得更好的经济效益。

在恒浊器中的微生物，始终能以最高生长速度进行生长，并可在允许范围内控制不同的菌体密度。在生产实践上，为了获得大量菌体或与菌体生长相平行的某些代谢产物如乳酸、乙醇时，都可以利用恒浊器。

2.恒化器

与恒浊器相反，恒化器是一种设法使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。这是通过控制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的，因而可称为外控制式的连续培养装置。可以设想，在恒化器中。一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限制生长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。这样，既可获得一定生长速率的均一菌体，又可获得虽低于最高菌体产量，却能保持稳定菌体密度的菌体。

在整个培养过程中通过控制培养基中某种营养物质的浓度基本恒定的方式，保持细菌的比生长速率恒定，使生长“不断”进行。培养基中的某种营养物质通常是作为细菌比生长速率的控制因子，这类因子一般是氨基酸和氨等氮源，或是葡萄糖、麦芽糖等碳源或者是无机盐、生长因子等物质。

恒化器主要用于实验室科学研究中，尤其用于与生长速率相关的各种理论研究中。它与恒浊器明显不同，按照培养器的级数，可把连续培养器分成单级连续培养器与多级连续培养器两种。上面已经提出，如果某微生物代谢产物的产生速率与菌体生长速率相平行，就可以采用单级恒浊器来进行研究或生产。相反，如果要生产的恰恰是与菌体生长不平行的那些发酵产物，例如丙酮、丁醇等时，就应根据两者的产生规律，设计与其相适应的多级连续培养装置。

现以丙酮—丁醇的发酵生产为例来说明采用两级连续培养的必要性和优点。丙酮丁醇生产菌——丙酮丁醇梭菌的生长可分两个阶段：前期较短，以产菌体为主，生长温度以37℃为宜；后期较长，以产溶剂为主，温度以33℃为宜。根据这一特点有人设计了一个两级连续发酵装置，第一级保持37℃，pH4.3，培养液的稀释率为0.125/h（即流速控制成8h更换一次容器内的培养液）；第二级为33℃，稀释率为0.04/h（即25h更换培养液一次）。利用这样的装置可在一年多的时间内连续运转，并达到较单级连续培养好得多的生产效益，在我国，早在20世纪60年代，就已采用高效率的多级连续发酵法大规模地生产丙酮、丁醇等溶剂。

连续培养如用于生产实践上，就称为连续发酵。连续发酵与单批发酵相比有许多优点：高效，它简化了装料、灭菌、出料、清洗发酵罐等许多单元操作，从而减少了非生产时间和提高了设备的利用率；自控，便于利用各种仪表进行自动控制；产品质量较稳定；节约了大量动力、人力、水和蒸汽，且使水、汽、电的负荷均匀合理。与一切事物一样，连续发酵也有其缺点。在工业化生产中连续发酵容易发生杂菌污染及菌种退化等问题，最主要的是菌种易于退化。可以设想，处于如此长期高速繁殖下的微生物，即使其自发突变几率极低，也无法避免变异的发生，尤其可能发生比原生产菌株生长速率低、营养要求高和代谢产物少的负变类型。其次是易遭杂菌污染。可以想象，在长期运转中，要保持各种设备无渗漏，尤其是通气系统不出任何故障，是极其困难的。因此，所谓“连续”是有时间限制的，一般可达数月至一两年。此外，在连续培养中，营养物的利用率一般亦低于单批培养。

在生产实践上，连续培养法在工业生产上称为连续发酵。我国在乙醇、乳酸、丙酮、丁醇、酒精的生产以及柠檬酸的发酵上已采取了连续发酵法，缩短了发酵周期，效果良好。连续培养技术已广泛应用于酵母菌体的生产，乙醇、乳酸和丙酮、丁醇等发酵，以及用假丝酵母进行石油脱蜡或是污水处理中。国外还把微生物连续培养的原理扩大运用于提高浮游生物的产量上，并收到了良好的效果。

本章小结(www.xing528.com)

微生物特别是细菌生长与繁殖两个过程很难截然分开，同时接种时往往是接种成千上万的群体数量，因此它们的生长一般是指群体生长。群体生长是细胞数量或细胞物质量的增加。微生物群体生长可分为迟缓期、对数生长期、稳定生长期和衰亡期。生长的数学模型和参数对于微生物的理论研究和实际应用都很重要。采用机械方法和环境条件控制可以获得同步培养，通过及时补充营养物质和及时取出培养物降低代谢产物，导致对数生长期或稳定生长期相应延长达到连续培养。每种微生物的生长都有各自的最适条件、营养物质的种类和浓度、温度、pH、氧、水分活度（或渗透压）等，高于或低于最适要求都会对微生物生长产生影响。利用各种化学物质和物理因素可以对微生物生长、繁殖进行有效地控制，能够对微生物进行兴利除害方面的应用。

复习思考题

1.试分析影响微生物生长的主要因素及它们影响微生物生长繁殖的机理。

2.说明测定微生物生长的意义、微生物生长测定方法的原理及比较各测定方法的优缺点。

3.微生物的生长曲线定义是什么？包括哪几个时期？各有什么特点？在食品发酵生产中有何实践指导意义？

4.控制微生物生长繁殖的主要方法及原理有哪些？

5.什么叫同步生长？如何使微生物达到同步生长？

6.试举例说明日常生活中防腐、消毒和灭菌的实例及其原理。

7.细菌肥料是由相关的不同微生物组成的一个菌群并通过混合培养得到的一种产品，活菌数的多少是质量好坏的一个重要指标之一。但在质量检查中，有时数据相差很大。请分析产生这种现象的原因及如何克服。

8.如何利用代谢调控提高微生物发酵产物的产量？

9.什么叫连续培养？比较恒浊器与恒化器的特点。

10.试述连续发酵的优缺点及其在现代发酵工业中的应用。