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中試生產(chǎn)發(fā)酵罐的生物反應(yīng)過程原理主要涉及微生物學(xué)、化學(xué)工程和生物化學(xué)等多個領(lǐng)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(yǎng)
在發(fā)酵過程中，首先需要選擇合適的微生物菌株，這些菌株應(yīng)具有特定的生物合成能力，能夠?qū)⒃限D(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物。例如，在抗生素發(fā)酵中，會選擇能夠產(chǎn)生特定抗生素的菌株。通過無菌操作技術(shù)，將這些菌株接種到種子培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，以獲得足夠數(shù)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(fā)酵罐后，微生物需要適應(yīng)新的環(huán)境，此時細胞數(shù)目基本不變，但細胞內(nèi)會發(fā)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(chǎn)物。
對數(shù)生長期：微生物適應(yīng)環(huán)境后開始快速繁殖，細胞數(shù)目以指數(shù)形式增長。在此階段，微生物的代謝活性較高，對營養(yǎng)物質(zhì)的消耗較大，是積累目標產(chǎn)物的關(guān)鍵時期。
穩(wěn)定期：隨著營養(yǎng)物質(zhì)的逐漸消耗和代謝產(chǎn)物的積累，微生物的生長速率逐漸減緩，新繁殖的細胞數(shù)與死亡的細胞數(shù)趨于平衡，細胞總數(shù)達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。此時，目標產(chǎn)物的積累量也達到最大值。
衰亡期：營養(yǎng)物質(zhì)進一步耗盡，代謝廢物積累過多，導(dǎo)致微生物大量死亡，細胞數(shù)目迅速減少，目標產(chǎn)物也可能被分解。因此，發(fā)酵過程通常在穩(wěn)定期或穩(wěn)定期之前結(jié)束。
2.底物轉(zhuǎn)化與產(chǎn)物形成
底物的吸收與利用
發(fā)酵罐中的微生物通過細胞膜上的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)吸收培養(yǎng)基中的底物，如碳源（葡萄糖、蔗糖等）、氮源（氨基酸、蛋白質(zhì)等）以及各種無機鹽和維生素等。這些底物進入細胞后，經(jīng)過一系列的代謝途徑被轉(zhuǎn)化為能量和細胞組成物質(zhì)，同時合成目標產(chǎn)物。
代謝途徑與產(chǎn)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(fā)酵過程中，微生物通過糖酵解途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇等代謝產(chǎn)物。
三羧酸循環(huán)（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(huán)，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(huán)合成各種有機酸、氨基酸等中間代謝產(chǎn)物，進而合成目標產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物。
3.中試生產(chǎn)發(fā)酵罐對發(fā)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(dǎo)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(huán)境下生長較好。發(fā)酵過程中，隨著底物的消耗和代謝產(chǎn)物的積累，培養(yǎng)液的pH值會發(fā)生變化。因此，需要通過添加酸堿調(diào)節(jié)劑或緩沖液來維持發(fā)酵液的pH值在適宜的范圍內(nèi)。
氧氣供應(yīng)
對于需氧發(fā)酵過程，氧氣是微生物生長和代謝所必需的。通過向發(fā)酵罐中通入無菌空氣并提供適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣龋梢员ＷC氧氣在發(fā)酵液中的均勻分布，滿足微生物的呼吸需求。如果氧氣供應(yīng)不足，會導(dǎo)致微生物生長緩慢，代謝異常，甚至產(chǎn)生有害代謝產(chǎn)物。
營養(yǎng)物質(zhì)濃度
合適的營養(yǎng)物質(zhì)濃度是微生物生長和代謝的基礎(chǔ)。過高或過低的營養(yǎng)物質(zhì)濃度都會影響微生物的生長和代謝。因此，在發(fā)酵過程中需要根據(jù)微生物的生長需求，合理控制營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。
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