根據(jù)培養(yǎng)液的深淺，液體發(fā)酵可分為表面培養(yǎng)法和深層培養(yǎng)法。表面培養(yǎng)法是在淺盤中裝一薄層培養(yǎng)液，接種后進行表面培養(yǎng)，微生物在液體表面形成一層薄膜，其所需氧來自于空氣。在通氣設(shè)備缺乏時，對一些繁殖快的好氧微生物可用此法。
在早期青霉素發(fā)酵和檸檬酸發(fā)酵過程中，均使用過淺盤培養(yǎng)。但因存在勞動強度大、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品易污染等缺點，難以推廣放大。深層發(fā)酵是指在液體培養(yǎng)基內(nèi)部進行的微生物培養(yǎng)過程。它采用通氣攪拌技術(shù)，在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵液中通入無菌空氣，以滿足微生物的氧需求。由于其發(fā)酵周期短，產(chǎn)量高，成為現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)使用的主要發(fā)酵形式。
生物發(fā)酵工藝多樣，但基本上包括菌種制備、種子培養(yǎng)、發(fā)酵和提取精致等幾個過程。
一、菌種
微生物在發(fā)酵過程中起到催化劑的作用。微生物的性能決定著發(fā)酵過程及發(fā)酵結(jié)果的優(yōu)勢。微生物的性能優(yōu)良，可確保生產(chǎn)過程操作簡單，并得到高產(chǎn)量的目標產(chǎn)物。傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)應用的是自然界的微生物。而在現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中，微生物菌種工作是整個生產(chǎn)過程的核心部分。制備性能優(yōu)良的菌種，是發(fā)酵技術(shù)的前提保障。
（一）對工業(yè)微生物的要求
盡管微生物工業(yè)使用的菌種多種多樣，但對大規(guī)模生產(chǎn)所用的菌種，一般有如下要求：
1.培養(yǎng)基原料廉價，目的產(chǎn)物產(chǎn)量高；
2.培養(yǎng)條件易于控制，發(fā)酵周期較短；
3.抗雜菌和噬菌體的能力強；
4.菌種遺傳性能穩(wěn)定，不易變易和退化，不產(chǎn)生任何有害的生物活性物質(zhì)和毒素，保證安全生產(chǎn)；
（二）工業(yè)生產(chǎn)常用的微生物
1.細菌（bacteria）：主要包括枯草芽孢桿菌、醋酸桿菌、棒狀桿菌、短桿菌等，用于生產(chǎn)淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等。
2.酵母菌（yeast）：主要有啤酒酵母、假絲酵母等，用于釀酒、制造面包、生產(chǎn)脂肪酶以及可食用、藥用和飼料用 酵母菌體蛋白等。
3.霉菌（mould）：如根霉、毛霉、犁頭霉、紅曲霉、曲霉、青霉等，用于生產(chǎn)多種酶制劑、抗生素 、有機酸等。
4.放線菌（actinomycetes）：如鏈霉菌屬、小單孢菌屬和諾卡氏菌屬等。
5.擔子菌（basidiomycetes）：即通常所說菇類（mushroom）微生物，用于多糖、橡膠物質(zhì)和抗癌藥物的開發(fā)。
6.藻類（algae）：用作人類保健食品的飼料，如螺旋藻。
二、培養(yǎng)基
培養(yǎng)基是指可供微生物細胞生長繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)。所有發(fā)酵培養(yǎng)基都必須提供微生物生長繁殖和產(chǎn)物合成所需的能源、碳源、氮源、無機鹽和微量元素、生長因子，并能為微生物提供除營養(yǎng)外的其他生長所必須的條件（如水、氧氣等）。
（一）培養(yǎng)基的類型
培養(yǎng)基種類繁多，根據(jù)其成分、物理狀態(tài)和用途可將培養(yǎng)基分成多種類型。
1.按成分分類。
2.按物理狀態(tài)分類。
3.按用途分類。
（二）發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及來源
發(fā)酵培養(yǎng)基的 組成主要包括碳源、氮源、無機鹽及微量元素、生長因子、水等。
1. 碳源
碳源是組成培養(yǎng)基的主要成分之一。其主要功能有兩個 ：一是為微生物菌種的生長繁殖提供能源和合成菌體所必需的碳成分，二是為合成目的產(chǎn)物提供所需的碳成分。
在發(fā)酵工業(yè)中常用的碳源有糖類、油脂、有機酸和低 碳醇等。除此之外，蛋白質(zhì)水解物或氨基酸等含碳有機物也可被微生物作為碳源使用。
2. 氮源
氮源主要用于構(gòu)成菌體細胞物質(zhì)（氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物，常用氮源可分為有機氮源和無機氮源兩大類。
（三）培養(yǎng)基的配制
在進行培養(yǎng)基配制之前，需對培養(yǎng)基原料進行適當?shù)念A處理，以確保滅菌的效果及后續(xù)生產(chǎn)的順利進行。原料預處理首先是去除雜質(zhì)，如小鐵釘、泥塊、石頭等。
然后需將原料粉碎成粉末狀，有利于培養(yǎng)基顆粒的 吸水膨脹、糊化，以增加滅菌過程中原料的受熱面積，提高熱處理效果率，縮短熱處理時間。此外，粉末狀原料加水混合后易于流動輸送。對于一些帶殼的原料，如高粱、大麥等 ，在粉碎前，要求先去皮殼后再進行粉碎。
三、培養(yǎng)基及設(shè)備的滅菌
現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)通常采用單一菌種進行純種發(fā)酵，即在發(fā)酵過程中，除生產(chǎn)菌種外沒有其他雜菌的污染。若污染了雜菌，則將產(chǎn)生以下問題：雜菌的生長造成營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，使得生產(chǎn)菌的生產(chǎn)能力降低；雜菌及其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物增加了發(fā)酵產(chǎn)物提取精制的難度；污染的雜菌可能會降解目的產(chǎn)物；發(fā)酵時如污染噬菌體，可使生產(chǎn)菌發(fā)生溶菌現(xiàn)象，導致發(fā)酵徹底失敗。
為確保整個發(fā)酵過程沒有雜菌的污染，對發(fā)酵培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備須采用適宜方法進行滅菌，對好氧培養(yǎng)中使用的空氣也應進行除菌處理；發(fā)酵設(shè)備應嚴密并維持正壓環(huán)境，以防外界微生物的侵入；發(fā)酵過程中加入的物料應經(jīng)過滅菌；接入的種子應未被污染。
（一）滅菌方法
滅菌是指用物理或化學方法殺死或除去環(huán)境中所有的微生物，包括營養(yǎng)細胞、細菌芽孢和孢子的過程。常用的滅菌方法主要分為物理法和化學法。
（二）培養(yǎng)基的滅菌
培養(yǎng)基含有豐富的營養(yǎng)成分，很容易引起雜菌的污染。在進行發(fā)酵生產(chǎn)之前，需殺滅培養(yǎng)基中的微生物，為后續(xù)發(fā)酵過程創(chuàng)造無菌環(huán)境。
培養(yǎng)基的滅菌通常采用濕熱滅菌法。因在高溫滅菌的同時，會引起營養(yǎng)成分的破壞 ，還要求滅菌過程盡量減少營養(yǎng)成分的破壞。在發(fā)酵工業(yè)中，培養(yǎng)基濕熱滅菌的操作可分為分批滅菌和連續(xù)滅菌。
四、菌種擴大培養(yǎng)
菌種擴大培養(yǎng)又稱種子培養(yǎng)，是將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)茄子瓶或搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)已獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過程。這些純種培養(yǎng)基成為種子。
菌種擴大培養(yǎng)基的任務(wù)是使菌體數(shù)量增加，更重要的是獲得活力旺盛、接種數(shù)量足夠的培養(yǎng)物供發(fā)酵生產(chǎn)使用。某些發(fā)酵過程由于菌種生長速度慢，或發(fā)酵規(guī)模大，經(jīng)過一次擴大培養(yǎng)得到的菌種數(shù)量尚不足夠，需經(jīng)過多次擴大培養(yǎng)。對于不同產(chǎn)品的發(fā)酵過程，必須根據(jù)菌種生長繁殖速度快慢決定種子擴大培養(yǎng)基的級數(shù)。
（一）種子制備工藝
種子制備一般包括兩個過程，即在實驗室中大量繁殖種子的過程和在生產(chǎn)車間的種子擴大培養(yǎng)階段。
五、發(fā)酵
發(fā)酵是在無菌狀態(tài)下 對微生物進行純種培養(yǎng)以大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)物的環(huán)節(jié)，是整個發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)。發(fā)酵過程除確保所用的培養(yǎng)基和培養(yǎng)設(shè)備都經(jīng)過滅菌，通入的空氣或中途補料均無菌，轉(zhuǎn)移種子也采用無菌接種技術(shù)外，對發(fā)酵罐內(nèi)部的代謝變化還需進行控制。如菌絲形態(tài)、菌濃度、糖含量、氮含量、PH、溶氧濃度和產(chǎn)物濃度等變化比較復雜，特別是次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵，其影響因素更為復雜。
發(fā)酵過程按其操作方式，可分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵等幾種方式。
六、下游處理（產(chǎn)品的分離純化）
一般發(fā)酵結(jié)束后，要對發(fā)酵液或微生物進行分離和提取精致，將發(fā)酵產(chǎn)物制成符合要求的成品。這一工序稱為下游加工程序，其目的是用適當?shù)姆椒ê褪侄螌⒑枯^低的產(chǎn)物從反應液中提取出來（指胞外產(chǎn)物）或從細胞中（之胞內(nèi)產(chǎn)物）提取出來，并加以精制以達到規(guī)定的質(zhì)量要求。包括物理方法、化學方法、生物方法等。
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