液体深层培养：生物技术中重要的发酵方法

（一）液体深层发酵

液体深层发酵又称浸没式培养（submerged culture），菌体在液体培养基中处于悬浮状态，导入培养基中的空气通过气-液界面传质进入液相，再扩散进入细胞内部的发酵方式。液体深层培养是在发酵罐中进行的，是目前酶制剂和其他发酵产品的主要培养方式。液体发酵的优点：①产酶纯度高，质量稳定；②较易控制发酵条件，有利于自动化控制；③机械化程度高，劳动强度小；④设备利用率高。但液体发酵相对于固体发酵有设备投资较大的缺点。图2-1为液体深层发酵机械搅拌罐。

图2-1　液体深层发酵机械搅拌罐

（二）固体发酵

固体发酵由曲式培养发展而来。曲式培养利用麸皮、豆粕等为主要原料，添加谷壳等辅料，加水拌成半固体状态，供微生物生长和产酶用。固体发酵中，最简单的是浅盘培养（trayculture），培养基的厚度一般不超过5cm。其次是转鼓培养（rotating drum culture），培养基量大，培养过程中借助转鼓不停地转动来翻动培养基，以利于通气。我国多采用通风式厚层培养系统（high heap culture or deep culture），培养基的厚度可达20～30cm，通过送风输氧，图2-2为通风制曲池发酵设备。固体培养设备简单、便于推广、环境污染少，并特别适于霉菌类的培养。因为菌丝在这种培养基中能较好地伸展生长，产酶率也比较高。例如，曲霉和毛霉用于生产葡萄糖淀粉酶和蛋白酶、青霉和曲霉用于生产果胶酶、木霉用于生产纤维素酶等。但是固体发酵也有一些缺点，如劳动强度大、原料利用率低、传质传热效率低、发酵条件不易控制均匀、产酶不稳定、易染菌、菌体分离难度大、不宜胞内酶生产、提取精制较难、产品酶纯度较低等。

图2-2　厚层通风制曲池

（三）分批发酵

分批发酵是指营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，以及酸碱调节、消泡等措施外，与外部没有物料交换的发酵方式。传统的生物产品发酵多采用此模式，它除了控制温度、pH及通气搅拌以外，不进行任何其他控制，操作简单。但从细胞所处的环境来看，则发生了明显变动，发酵初期营养物过多可能抑制微生物的生长，而发酵的中后期可能又因为营养物减少及有害代谢产物的积累而降低培养效率。(www.xing528.com)

（四）连续发酵

连续发酵是指以一定速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定环境状态下培养。稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下，微生物所处的环境条件，如营养物浓度、产物浓度、pH等都保持恒定，微生物细胞的浓度及其生长速率也维持不变，甚至还可以根据需要来调节比生长速率。

连续发酵的优点是可以有效地实现自动化，降低劳动强度，提高劳动生产率，同时打破酶合成的反馈阻遏，使产酶率提高。但是连续发酵由于微生物生长繁殖次数多，菌种容易变异退化，而且发酵周期长，容易造成杂菌污染。连续发酵的培养基利用率较低，造成生产成本的增加。连续发酵中，细胞处于对数生长状态，使得这种发酵方法适用于与菌体生长相偶联产物的发酵，而不适用于在生长后期合成次级代谢产物的生产。

（五）补料分批发酵

补料分批发酵又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指在微生物发酵过程中，以某种方式向培养系统补加一定物料的发酵方式（图2-3）。通过向培养系统中补充物料，可以使培养液中的营养物浓度较长时间地保持在一定范围内，既保证微生物的生长需要，又避免造成不利影响，从而达到提高产率的目的。

图2-3　补料分批发酵示意图

补料分批发酵作为分批发酵向连续发酵的过渡，兼有两者之优点，而且克服了两者的缺点。同传统的分批发酵相比，它的优越性是明显的，首先可以解除营养物基质的抑制和分解代谢物阻遏效应。对于好氧发酵，它可以避免在分批发酵中因一次性投入糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。在真菌培养中，菌丝的减少还可以降低发酵液的黏度，便于发酵培养物输送及后处理。与连续发酵相比，可以减少菌体生长量，提高有用产物的转化率，它不易产生菌种退化和变异问题，杂菌污染问题易于控制，其适用范围也比连续发酵广。目前，补料分批发酵技术是大规模化工业发酵生产酶制剂的主要方法。