半連續發酵(semi-continuous fermentation)，又稱半連續培養、反覆分批培養或換液培養，是指在分批培養的基礎上，周期性地放出部分含有產物的發酵液，然後再補加相同體積的新鮮培養基的發酵方法。在實施半連續發酵的操作過程中，補充了新營養成分的反應體系的培養條件與分批培養條件相同，且反應器內培養液的總體積基本保持不變。半連續培養技術已在工業生產領域逐步得到套用。
基本介紹
- 中文名：半連續發酵
- 外文名：semicontinuous fermentation
- 類別：發酵方法
- 套用：菌體、微生物代謝產物生產
簡介,特點,分類,套用,
簡介
半連續發酵(semi-continuous fermentation)，又稱半連續培養、反覆分批培養或換液培養，是指在分批培養的基礎上，周期性地放出部分含有產物的發酵液，然後再補加相同體積的新鮮培養基的發酵方法。在實施半連續發酵的操作過程中，補充了新營養成分的反應體系的培養條件與分批培養條件相同，且反應器內培養液的總體積基本保持不變。半連續培養技術已在工業生產領域逐步得到套用。
特點
微生物發酵可分為分批、補料分批、半連續、連續等多種模式。分批發酵的人力、物力消耗較大，每批發酵都需要進行裝料、滅菌、接種、放料、清洗等操作，工序繁瑣，發酵周期較長，生產效率較低；補料分批發酵雖可通過補料補充養分或前體的不足，但是由於有害代謝產物的不斷積累，產物合成最終難免受到阻遏；連續發酵較分批發酵和補料分批發酵生產強度大大提高，但容易遭受雜菌的污染，菌種易退化，設備投資較大，且發酵產物濃度較低；半連續發酵過程中，通過放掉部分發酵液再補入新鮮培養基，不僅可以補充養分和前體，而且代謝有害物被稀釋，從而有利於產物的繼續合成。半連續發酵工藝的套用可以起到緩解產物抑制和避免代謝副產物積累的作用，改善了微生物的培養環境，有助於保持菌體活力的穩定，這也使其在某些初級代謝產物的生產過程中得到了套用，如醋酸、乙醇和乳酸等。對於某些次級代謝產物如青黴素、赤黴素、環孢菌素和洛伐他汀等，其最高的生產速率僅在某些瞬態條件下才能達到。採用半連續發酵工藝不僅可以使這種瞬態條件反覆出現，而且還可以提高設備的利用率，因此半連續發酵工藝在次級代謝產物的生產方面有著重要的套用。除適合於動物消化道內微生物的體外培養外，半連續培養模式還能滿足一些特殊微生物的培養要求。
分類
1、單級半連續發酵
單級半連續發酵具有操作簡單和套用普遍的特點，但是它無法充分利用底物和菌體。在醋酸的單級半連續發酵過程中，有學者採用計算機模擬的方法，對不同的補料放料策略進行比較，研究結果表明對於高濃度醋酸的生產，在產物濃度達到指定值時補料放料更合適；其他情況下，在指定的時間下補料放料更合適。
2、多級半連續發酵
鑒於單級半連續發酵往往無法充分利用底物和菌體，許多學者嘗試構建多級反應系統來提高底物的利用率和避免代謝產物或代謝副產物在後期影響菌體的活性。為了避免發酵後期菌體大量死亡並儘可能縮短發酵周期，有學者採用兩級半連續發酵工藝進行琥珀酸的生產，生產強度達到2.38g/(L·h)，遠遠高於分批發酵和補料分批發酵的生產強度，取得了較好的效果。在兩級半連續發酵生產二羥基丙酮的過程中， 有學者採用螢光原位雜交技術，研究了高濃度產物對菌體生長的抑制作用，並據此確定了兩級半連續發酵工藝中一級罐的補料放料時機（二羥基丙酮質量濃度達到82g/L），建立了一種比較穩定高效的二羥基丙酮生產方法。
套用
半連續發酵技術在工業生產和科學研究中已經得到了比較廣泛的套用，主要涉及菌體的生產、微生物代謝產物的生產、垃圾的厭氧消化和動物消化道內微生物的體外培養。
1、菌體的生產
對於部分微藻的培養，無論是在規模化生產中還是在實驗室研究中，半連續培養模式都是常用的模式之一。在微藻的半連續培養過程中，培養液的更新率對菌體生長和細胞內生化組分都有重要影響，是一個比較關鍵的參數。
2、微生物代謝產物的生產
套用半連續培養工藝規模化生產微生物代謝產物的實例主要有：醋酸、青黴素和酒精。
（1）醋酸
採用深層液體發酵工藝生產醋酸，醋酸的生成速率主要取決於醋酸菌的生長速率和活菌體濃度。在連續培養體系中，由於醋酸菌的比生長速率較低以及環境中高濃度醋酸的存在，導致了比產物生成速率較低，因此高產酸率和高濃度的醋酸發酵不宜採用連續發酵工藝。在醋酸的規模化生產中，目前廣泛採用的是半連續發酵工藝。醋酸生產的基本工藝流程如下：當發酵進行至乙醇質量濃度接近於0時，放出40%的發酵液，然後加入等體積的新鮮酒醪進行再發酵，並保持整個發酵過程中通氣和溫度的恆定，醋酸的質量濃度可以達到13.3g/100mL。如果新鮮酒醪的添加方式正確和放罐時機掌握恰當，能夠有效縮短下個周期發酵的延滯期，直接進入對數生長期。有關多級半連續發酵、發酵過程的控制和耐高濃度醋酸菌種的套用等相關研究也有報導，其主要目的在於進一步提高發酵液中的產物濃度。
（2）青黴素
青黴素被發現後的數10年間，該產品的生產技術得到了迅猛發展。最初的青黴素半連續發酵生產純粹是依據經驗進行控制的，但對於這樣一個時變性和非線性的複雜發酵過程，僅僅依靠經驗進行控制不能滿足現代化生產的要求，為此許多學者致力於實現青黴素半連續發酵過程的模型化及在此基礎上實行的最佳化控制研究。發酵動力學研究表明，比生長速率為0.015h-1時青黴素生產菌的生產能力最強。該研究結果套用於工業生產中，就形成了目前青黴素髮酵工業中普遍採用的半連續流加發酵工藝，我國工業界通俗地稱其為青黴素髮酵帶放工藝。青黴素半連續發酵工藝的大致操作為：達到發酵終點時，放出20%-40%的發酵液進入後續的提取工藝，同時補充相同體積的新鮮培養基繼續進行發酵，這種操作可以反覆進行多次而不會導致產量減少，還能增加發酵罐的體積利用率。另一種半連續發酵生產青黴素的方法，即將青黴素半連續發酵過程中帶放的發酵液，通過管道轉移到另一個無菌發酵罐中進行補料再培養，直至青黴菌進入自溶階段。該方法充分利用了處於穩定期青黴菌的次級代謝能力，明顯縮短了生產周期，有效降低了生產成本。
（3）酒精
酒精的規模化生產目前主要採用連續濃醪發酵工藝，尤其是年產幾十萬噸的大型生產企業。一般在4-6級連續發酵工藝中，通過減少整體返混的方式來緩解產物抑制。有關採用半連續發酵工藝生產酒精的研究也有報導，如在特大型發酵罐生產酒精的過程中，從設備投資和雜菌污染控制等方面對連續發酵工藝與半連續發酵工藝進行了比較，得出了在特大型發酵罐中採用半連續發酵工藝生產酒精更為合理的結論。半連續發酵生產酒精，一方面相對於分批發酵而言提高了設備利用率，縮短了發酵周期；另一方面為將來的連續發酵生產酒精打下了基礎，以便整個酒精生產流程實現自動化控制。國外企業在生產酒精的過程中，通過將多級連續發酵工藝、同步糖化發酵工藝以及酵母的自絮凝技術相結合，顯著降低了成本，優於國內企業多採用的半連續發酵工藝。除醋酸、青黴素和酒精之外，尚有許多微生物代謝產物已在實驗室規模上實現了半連續發酵生產，其生產效率遠高於現有的分批發酵或補料分批發酵模式，如乳酸、富馬酸、甘油、脂肪酶、二羥丙酮等。對於這些代謝產物，實際生產過程中是否採用半連續發酵工藝應結合具體情況綜合考慮。相對於分批發酵工藝而言，採用半連續發酵工藝可進一步提高發酵產率。因此，在原材料成本相對較高的情況下，應採用半連續發酵工藝使產率最大化；在設備及能耗成本相對較高的情況下，應採用連續發酵工藝使生產強度最大化。
3、垃圾的厭氧消化
垃圾的厭氧消化是指在厭氧微生物的作用下，垃圾中的有機物發生降解並趨於穩定的過程，該過程由水解產酸階段和厭氧發酵產氣階段組成。目前，垃圾的厭氧生物處理方式較多，其中也包括半連續操作模式，有學者在實驗室規模和實際生產規模中，對分批操作模式和半連續操作模式下甲烷的生產強度和揮發性固體的轉移量進行了比較。由於半連續操作模式下污泥的穩定性更高，因此其生產效率相對高於分批操作模式。
4、動物消化道內微生物的體外培養
早在20世紀50年代，國外就開展了利用體外系統模擬胃腸生態系統的相關研究。1963年，Rufener等提出連續培養系統可以用於模擬瘤胃微生物系統；20世紀80年代以來，有報導認為採用半連續培養系統模擬腸道微生物系統能夠取得更好的效果。在研究腸道菌群對異型生物質毒性的解除作用過程中，連續培養與半連續培養的區別主要在於營養物添加和廢物移除的方式不同，連續培養系統雖然能夠提供相對恆定水平的營養物，使微生物保持在穩定的狀態，但迴腸內的流質卻是以類似脈衝的方式進入大腸，半連續培養模式與之更為相似，因此更適合於腸道微生物生態系統的模擬。
