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中試生產發酵罐的生物反應過程原理

來源:上海有道生工科技有限公司   2025年03月20日 13:47  
  中試生產發酵罐的生物反應過程原理主要涉及微生物學、化學工程和生物化學等多個領域的知識。以下是對該過程原理的詳細闡述:
  1.微生物生長與代謝
  微生物的選擇與培養
  在發酵過程中,首先需要選擇合適的微生物菌株,這些菌株應具有特定的生物合成能力,能夠將原料轉化為目標產物。例如,在抗生素發酵中,會選擇能夠產生特定抗生素的菌株。通過無菌操作技術,將這些菌株接種到種子培養基中進行培養,以獲得足夠數量和活力的種子液。
  微生物的生長階段
  延遲期:種子液接種到發酵罐后,微生物需要適應新的環境,此時細胞數目基本不變,但細胞內會發生一系列生理和生化變化,如合成一些必要的酶和中間代謝產物。
  對數生長期:微生物適應環境后開始快速繁殖,細胞數目以指數形式增長。在此階段,微生物的代謝活性較高,對營養物質的消耗較大,是積累目標產物的關鍵時期。
  穩定期:隨著營養物質的逐漸消耗和代謝產物的積累,微生物的生長速率逐漸減緩,新繁殖的細胞數與死亡的細胞數趨于平衡,細胞總數達到相對穩定的狀態。此時,目標產物的積累量也達到最大值。
  衰亡期:營養物質進一步耗盡,代謝廢物積累過多,導致微生物大量死亡,細胞數目迅速減少,目標產物也可能被分解。因此,發酵過程通常在穩定期或穩定期之前結束。
  2.底物轉化與產物形成
  底物的吸收與利用
  發酵罐中的微生物通過細胞膜上的轉運系統吸收培養基中的底物,如碳源(葡萄糖、蔗糖等)、氮源(氨基酸、蛋白質等)以及各種無機鹽和維生素等。這些底物進入細胞后,經過一系列的代謝途徑被轉化為能量和細胞組成物質,同時合成目標產物。
  代謝途徑與產物形成
  糖酵解途徑(EMP):在厭氧條件下,葡萄糖或糖原分解為丙酮酸或乳酸的過程。例如,在一些厭氧發酵過程中,微生物通過糖酵解途徑產生乳酸、乙醇等代謝產物。
  三羧酸循環(TCA):是有氧呼吸過程中的重要代謝途徑,丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A,然后進入三羧酸循環,最終生成二氧化碳、水和能量(ATP)。許多微生物在有氧條件下通過TCA循環合成各種有機酸、氨基酸等中間代謝產物,進而合成目標產物。
  其他代謝途徑:除了上述常見的代謝途徑外,微生物還具有許多特殊的代謝途徑,用于合成特定的次生代謝產物。例如,某些放線菌通過聚酮化合物合酶途徑合成抗生素;真菌通過萜類化合物合成途徑合成多種天然產物。
  3.中試生產發酵罐對發酵條件的影響與控制
  溫度
  溫度對微生物的生長和代謝活動有顯著影響。不同種類的微生物具有不同的最適生長溫度范圍。在適宜的溫度下,微生物的生長速率和代謝活性較高;溫度過高或過低都會抑制微生物的生長和代謝,甚至導致微生物死亡。
  pH值
  pH值也是影響微生物生長和代謝的重要因素。不同的微生物對pH值的要求不同,一般在中性或微酸性環境下生長較好。發酵過程中,隨著底物的消耗和代謝產物的積累,培養液的pH值會發生變化。因此,需要通過添加酸堿調節劑或緩沖液來維持發酵液的pH值在適宜的范圍內。
  氧氣供應
  對于需氧發酵過程,氧氣是微生物生長和代謝所必需的。通過向發酵罐中通入無菌空氣并提供適當的攪拌速度,可以保證氧氣在發酵液中的均勻分布,滿足微生物的呼吸需求。如果氧氣供應不足,會導致微生物生長緩慢,代謝異常,甚至產生有害代謝產物。
  營養物質濃度
  合適的營養物質濃度是微生物生長和代謝的基礎。過高或過低的營養物質濃度都會影響微生物的生長和代謝。因此,在發酵過程中需要根據微生物的生長需求,合理控制營養物質的濃度。
 

 

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