《工业微生物学》第三章 图3.3.10台式发酵罐 3322生产中常见的液体培养 液体培养生产效率高,适于机械化和自动化,所以,它是当前微生物发酵工业的主 要生产方式。液体培养有静置培养和通气培养两种类型。静置培养适于厌氧菌发酵,如 酒精、丙酮冂醇、乳酸等发酵。通气发酵适于好氧菌发酵,如抗生素、氨基酸、核苷酸 等发酵 (1)浅盘培养( shallow pan culture) 容器中盛装浅层液体静止培养,没有通气搅拌设备,全靠液体表面与空气接触进行 氧气交换。这是最为原始的液体培养形式,劳动强度大,生产效率低,易污染。早期的 青霉素和柠檬酸发酵曾采用过浅盘培养。当时生产一千克青霉素就需要100万个容积为 升的培养瓶。 轴承支架 画电动机,排出气:进科补料 排气管 窥镜 L~手孔热水(夹套 取样管 冷却水出口 挡板 夹套 搅拌桨 通风管 放料口 冷却水进口冷水(夹套 样分析 无菌空气 出料一提取 图3.3.11通用式发酵罐的构造及其运行原理 (2)发酵罐深层培养 液体深层培养的主体设备是发酵罐。典型的发酵罐构造及其运转原理见图33.1l 罐体为碳钢或不锈钢材料,圆筒形直立,扁球形的底和盖,高径比1:2~2.5,有几组搅 拌浆,沿罐壁有等周角分布的垂直挡板,培养过程产生的热量用夹套冷却,夹套内有螺 旋形导流片以提高夹套内冷却水的动程度,增大传热系数。根据发酵产物和目标的不同, 发酵罐容积有大有小,见表33.1。大型发酵罐的容积有50-500m3,常采用列管式换热 器代替夹套进行冷却,这是因为罐体越大,单位体积培养液所具有的周壁面积越小,不 能满足传热的需要。气升式发酵罐体积可以很大,最大的是英国ICI(帝国化学工业公
《工业微生物学》 第三章 6 图 3.3.10 台式发酵罐 3.3.2.2 生产中常见的液体培养 液体培养生产效率高，适于机械化和自动化，所以，它是当前微生物发酵工业的主 要生产方式。液体培养有静置培养和通气培养两种类型。静置培养适于厌氧菌发酵，如 酒精、丙酮/丁醇、乳酸等发酵。通气发酵适于好氧菌发酵，如抗生素、氨基酸、核苷酸 等发酵。 (1) 浅盘培养(shallow pan culture) 容器中盛装浅层液体静止培养，没有通气搅拌设备，全靠液体表面与空气接触进行 氧气交换。这是最为原始的液体培养形式，劳动强度大，生产效率低，易污染。早期的 青霉素和柠檬酸发酵曾采用过浅盘培养。当时生产一千克青霉素就需要 100 万个容积为 一升的培养瓶。 图 3.3.11 通用式发酵罐的构造及其运行原理 (2) 发酵罐深层培养 液体深层培养的主体设备是发酵罐。典型的发酵罐构造及其运转原理见图 3.3.11。 罐体为碳钢或不锈钢材料，圆筒形直立，扁球形的底和盖，高径比 1: 2~2.5，有几组搅 拌浆，沿罐壁有等周角分布的垂直挡板，培养过程产生的热量用夹套冷却，夹套内有螺 旋形导流片以提高夹套内冷却水的动程度，增大传热系数。根据发酵产物和目标的不同， 发酵罐容积有大有小，见表 3.3.1。大型发酵罐的容积有 50~500m3，常采用列管式换热 器代替夹套进行冷却，这是因为罐体越大，单位体积培养液所具有的周壁面积越小，不 能满足传热的需要。气升式发酵罐体积可以很大，最大的是英国 ICI（帝国化学工业公
《工业微生物学》 司)的甲醇蛋白发酵罐,容积达到3000mn3,发酵时装液可达2100m3。从罐底部通入空 巨大的气泡浮力使发酵液高速循环流动,内套管装有19层多孔挡板以提高空气利 用率,罐内没有机械传动部分。 表33.1各种发酵产物的发酵罐体积大 1~20,000 诊断用酶,分子生物学试剂 40~80,000 些酶和抗生素 00~150,000 青霉素,氨基糖苷类抗生素,蛋白酶,淀 粉酶,氨基酸 450 谷氨酸 发酵罐可以为微生物提供丰富而均匀的营养,良好的通气搅拌,适宜的温度和酸碱 度,并能防止杂菌污染。为此,发酵罐配备有培养基配制系统、蒸汽灭菌系统、空气压 缩过滤系统和补料系统。 液体深层培养是在青霉素等抗生素发酵中发展起来的技术。由于生产效率较髙,易 于控制,产品质量稳定,因而在发酵工业中被广泛应用。但是,深层培养耗费的动力较 多,设备较为复杂,需要较大的投资。 大型发酵罐的发酵一般需分几级进行,使发酵的种子逐级扩大,以提高发酵罐的利 用率和节约能源等。罐的级数一般是根据菌体繁殖速度以及发酵罐的容积而确定的。谷 氨酸发酵生产多采用二级培养:;而生长较慢的青霉素和链霉素生产菌种一般需要三级培 养。图33.,12是商品酵母菌的三级培养过程。在菌种室,酵母菌的斜面种子经摇瓶培养 活化,在发酵车间,经过两级种子罐培养,再转移到下一级发酵罐中完成发酵。 迄今为止,能作大规模液体培养的厌氧菌仅局限于丙酮/丁醇发酵一种。由于丙酮丁 醇梭菌是严格厌氧菌,不需要通气和搅拌装置,工艺简单,便于扩大发酵罐体积,并有 利于实行连续培养技术。 斜面种子摇瓶培养液\奶种子罐 二级种子罐 菌种室 发酵车间 发酵生产罐 图3.312商品酵母菌的三级培养过程 333连续培养 从微生物群体生长规律的分析可知,分批培养中,营养物不断消耗,代谢产物不断 积累,微生物所处的环境不断在改变,造成微生物生长不能长久地处于对数生长期。若 改变培养方法,在对数生长期的培养容器中不断添加新鲜的培养基,同时不断放出代谢 物,使微生物所需的营养及时得到补充,有害的代谢产物又能够及时排除,菌体的生长 不受影响地始终处于对数生长期,这就是连续培养。要达到连续培养的目的,就要在分 批培养的基础上,引入有效的营养物补充和代谢物排出的控制装置。连续培养的控制方 式主要有两类:恒化培养( hemostatic culture)和恒浊培养( (turbidostatic culture) 3331恒化培养 保持培养液的流速不变,使培养罐内的营养物质浓度基本恒定,并使微生物始终在 低于其最高生长速度的条件下进行繁殖,这种连续培养方式称为恒化培养。所涉及的培 养和控制装置称为恒化器( chemostat),见图3313(a)
《工业微生物学》 第三章 7 司）的甲醇蛋白发酵罐，容积达到 3000 m3，发酵时装液可达 2100m3。从罐底部通入空 气，巨大的气泡浮力使发酵液高速循环流动，内套管装有 19 层多孔挡板以提高空气利 用率，罐内没有机械传动部分。 表 3.3.1 各种发酵产物的发酵罐体积大小 发酵罐体积（升） 发酵产物 1~20，000 40~80,000 100~150,000 ~450 诊断用酶，分子生物学试剂 一些酶和抗生素 青霉素，氨基糖苷类抗生素，蛋白酶，淀 粉酶，氨基酸 谷氨酸 发酵罐可以为微生物提供丰富而均匀的营养，良好的通气搅拌，适宜的温度和酸碱 度，并能防止杂菌污染。为此，发酵罐配备有培养基配制系统、蒸汽灭菌系统、空气压 缩过滤系统和补料系统。 液体深层培养是在青霉素等抗生素发酵中发展起来的技术。由于生产效率较高，易 于控制，产品质量稳定，因而在发酵工业中被广泛应用。但是，深层培养耗费的动力较 多，设备较为复杂，需要较大的投资。 大型发酵罐的发酵一般需分几级进行，使发酵的种子逐级扩大，以提高发酵罐的利 用率和节约能源等。罐的级数一般是根据菌体繁殖速度以及发酵罐的容积而确定的。谷 氨酸发酵生产多采用二级培养；而生长较慢的青霉素和链霉素生产菌种一般需要三级培 养。图 3.3.12 是商品酵母菌的三级培养过程。在菌种室，酵母菌的斜面种子经摇瓶培养 活化，在发酵车间，经过两级种子罐培养，再转移到下一级发酵罐中完成发酵。 迄今为止，能作大规模液体培养的厌氧菌仅局限于丙酮/丁醇发酵一种。由于丙酮丁 醇梭菌是严格厌氧菌，不需要通气和搅拌装置，工艺简单，便于扩大发酵罐体积，并有 利于实行连续培养技术。 图 3.3.12 商品酵母菌的三级培养过程 3.3.3 连续培养 从微生物群体生长规律的分析可知，分批培养中，营养物不断消耗，代谢产物不断 积累，微生物所处的环境不断在改变，造成微生物生长不能长久地处于对数生长期。若 改变培养方法，在对数生长期的培养容器中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢 物，使微生物所需的营养及时得到补充，有害的代谢产物又能够及时排除，菌体的生长 不受影响地始终处于对数生长期，这就是连续培养。要达到连续培养的目的，就要在分 批培养的基础上，引入有效的营养物补充和代谢物排出的控制装置。连续培养的控制方 式主要有两类：恒化培养(chemostatic culture)和恒浊培养(turbidostatic culture)。 3.3.3.1 恒化培养 保持培养液的流速不变，使培养罐内的营养物质浓度基本恒定，并使微生物始终在 低于其最高生长速度的条件下进行繁殖，这种连续培养方式称为恒化培养。所涉及的培 养和控制装置称为恒化器（chemostat），见图 3.3.13(a)
《工业微生物学》 营养物质浓度对微生物的生长有很大影响。但当营养物浓度高到一定程度后,就不 再影响微生物的生长速度,只有在营养物浓度低时才会影响生长速度,而且在一定范围 内,生长速度与营养物浓度成正相关,营养物浓度越高,生长速度越快,见图3.3.14 恒化培养中,必须将某种必需的营养物质限制在较低的浓度,使其成为限制性底物,而 其它的营养物质均需过量,使微生物的生长速度主要决定于生长限制因子。恒化培养中, 制性底物的供给速率与微生物的消耗速率达到平衡,使恒化器中的化学组成能够保持 稳定。恒化器培养既可以获得一定生长速度的均一菌体,又可获得虽低于最高菌体产量 却能保持稳定菌体浓度的菌液 能作为恒化连续培养的生长限制因子的物质有很多,这些物质必须是微生物生长所 必需的,在一定浓度范围内能决定该微生物的生长速度。常用的生长限制因子有作为氮 源的氨或氨基酸,作为碳源的葡萄糖、麦芽糖、乳酸,以及生长因子和无机盐等 用不同浓度的生长限制因子进行恒化培养,可以获得不同生长速度的培养物。恒化 培养主要用于实验室中与生长速度有关的理论研究。另外,在遗传学研究中,利用它作 长时间的培养,以便从中分离出不同的变种。在生理学研究中,也利用它来观察微生物 在不同生活条件下的生理变化。恒化培养也是研究自然条件下微生物的生态体系的实验 模型,因为自然条件下的微生物一般处于低营养浓度的环境中。 图33.13实验室连续培养系统示意图 (a)恒化培养系统;(b)恒浊培养系统;1无菌培养基储存容器;2流速控制阀; 3培养室;4排出管;5光源;6光电池;7流出液 长速度 营养物浓度(mg/m 图3314营养物浓度对细菌生长速度的影响 3332恒浊培养 根据体系中微生物的生长密度,不断调整流加培养液的流速,以取得菌体密度和生 长速度恒定的微生物细胞的培养方式称为恒浊培养。所涉及的培养和控制装置称为恒浊 器( turbidostat),见图3.3.13(b)。恒浊器中由浊度计检测培养室中的菌液密度,借光电 效应产生的电流信号变化来自动调节培养液流进和培养物流出的速度。当培养液的流速
《工业微生物学》 第三章 8 营养物质浓度对微生物的生长有很大影响。但当营养物浓度高到一定程度后，就不 再影响微生物的生长速度，只有在营养物浓度低时才会影响生长速度，而且在一定范围 内，生长速度与营养物浓度成正相关，营养物浓度越高，生长速度越快，见图 3.3.14。 恒化培养中，必须将某种必需的营养物质限制在较低的浓度，使其成为限制性底物，而 其它的营养物质均需过量，使微生物的生长速度主要决定于生长限制因子。恒化培养中， 限制性底物的供给速率与微生物的消耗速率达到平衡，使恒化器中的化学组成能够保持 稳定。恒化器培养既可以获得一定生长速度的均一菌体，又可获得虽低于最高菌体产量， 却能保持稳定菌体浓度的菌液。 能作为恒化连续培养的生长限制因子的物质有很多，这些物质必须是微生物生长所 必需的，在一定浓度范围内能决定该微生物的生长速度。常用的生长限制因子有作为氮 源的氨或氨基酸，作为碳源的葡萄糖、麦芽糖、乳酸，以及生长因子和无机盐等。 用不同浓度的生长限制因子进行恒化培养，可以获得不同生长速度的培养物。恒化 培养主要用于实验室中与生长速度有关的理论研究。另外，在遗传学研究中，利用它作 长时间的培养，以便从中分离出不同的变种。在生理学研究中，也利用它来观察微生物 在不同生活条件下的生理变化。恒化培养也是研究自然条件下微生物的生态体系的实验 模型，因为自然条件下的微生物一般处于低营养浓度的环境中。 图 3.3.13 实验室连续培养系统示意图 (a) 恒化培养系统；(b)恒浊培养系统；1.无菌培养基储存容器；2.流速控制阀； 3.培养室；4.排出管；5.光源；6.光电池；7.流出液 图 3.3.14 营养物浓度对细菌生长速度的影响 3.3.3.2 恒浊培养 根据体系中微生物的生长密度，不断调整流加培养液的流速，以取得菌体密度和生 长速度恒定的微生物细胞的培养方式称为恒浊培养。所涉及的培养和控制装置称为恒浊 器（turbidostat），见图 3.3.13(b)。恒浊器中由浊度计检测培养室中的菌液密度，借光电 效应产生的电流信号变化来自动调节培养液流进和培养物流出的速度。当培养液的流速