一、種子擴大培養的任務

現代發酵工業的生產規模越來越大，每只發酵罐的容積有幾十立方米甚至幾百立方米，要使小小的微生物在幾十小時的較短時間內，完成如此巨大的發酵轉化，必須具備數量巨大的微生物細胞。菌種擴大培養的目的就是為每次發酵罐的投料提供相當數量的、代謝旺盛的種子。因為發酵時間的長短和接種量的大小有關，接種量大，發酵時間短。將較多數量的成熟菌體接入發酵罐中，有利于縮短發酵時間，提高發酵罐利用率，也有利于減少染菌的機會。因此，種子擴大培養的任務，不但要得到純而壯的培養物，而且要獲得活力旺盛的、接種數量足夠的培養物。對于不同產品的發酵過程來說，必須根據菌種生長繁殖速度的快慢決定種子擴大培養的級數。例如，抗生素生產中，放線菌的細胞生長繁殖速度較慢，常用三級種子擴大培養，即將種子罐中的菌絲移植到較大的種子罐中擴大培養后，再移入發酵罐中，這種流程稱為三級發酵。一般50t 發酵罐多采用三級發酵，有的甚至采用四級發酵，如鏈霉素生產。三級發酵的流程如下：

斜面菌種→一級種子搖床培養→二級種子罐培養→三級種子罐擴大培養→發酵罐

二、工業微生物的培養類型

工業微生物的培養方法分為靜置培養和通氣培養兩大類型。

靜置培養法是將培養基盛于發酵槽中，在接種菌種后，不通空氣進行發酵，又稱為嫌氣性發酵。例如，酒精、丙酮、丁醇、乳酸等的發酵均屬于此類型。

通氣培養法的生產菌種以需氧菌和兼性需氧菌居多，它們生長的環境必須供給空氣，以維持一定的溶解氧水平，菌體才能迅速生長和發酵，又稱為好氣性發酵。例如，谷氨酸、核苷酸、有機酸和酶制劑等的發酵均屬此類型。通氣培養法又可分為液體培養與固態培養兩大類型，其中每一類型又有表層與深層之分。例如，用作種子擴大培養的方法可分為：

( 1 ）液體培養法。可分為三角瓶搖床振蕩式和回轉式兩種。搖瓶通氣量的大小與搖床轉數、三角瓶裝液量比、液體特性等有關。例如，搖床轉數越高，通氣量越大，而三角瓶裝液量比越小，即三角瓶容量越大、裝液量越少的溶解氧水平越高。

( 2 ）表面培養法需克氏瓶、瓷盤等，菌體生長于培養基表面。

( 3 ）固態培養法需三角瓶、蘑菇瓶、克氏瓶、培養皿等裝填固體培養基進行培養。

大規模工業生產常用的培養方法包括淺盤固體培養（如固體曲）、深層固體培養（機械通風制曲）、淺盤液體培養、深層液體通氣培養、載體培養、兩步法液體深層培養等。

1 ．固體培養

??    固體培養又分為淺盤固體培養和深層固體培養，統稱曲法培養，它來源于我國釀造生產特有的傳統制曲技術。固體培養的最大特點是固體曲的酶活力高，但存在勞動強度大的缺點。目前，深層固體通風制曲可在曲房周圍使用循環的、冷卻增濕的無菌空氣控制溫度和濕度，并且能適應菌種在不同生理時期的需要靈活調節，曲層的翻動全盤自動化。

2 ．液體深層培養

淺盤液體培養法曾用于生產檸檬酸，但由于占地面積大，技術管理不便，隨著檸檬酸發酵生產規模的擴大，淺盤液體培養很決為液體深層培養所代替。例如，青霉素發酵初期階段曾采用玻璃瓶培養法，到了1946 年改用深層液體培養法大量生產。隨后，液體曲、檸檬酸、谷氨酸、肌苷酸及其他發酵工業先后采用此法進行生產。液體深層培養的特點是容易按照生產菌種對代謝的營養需求以及不同生理時期對通氣、攪拌、溫度與培養基中氫離子濃度等的要求，選擇最佳培養條件。因此，目前幾乎所有好氣性發酵都采取液體深層培養法。目前發酵罐的最大容積為500 ～1000t ，溶解氧、溫度、pH 值等均由自控儀表控制。但是，液體深層培養容易感染雜菌，無菌操作要求高，在生產上防止雜菌污染是一個十分重要的問題。

3 ．載體培養

載體培養源于曲法培養，同時又吸收了液體培養的優點，是一種較新的培養方法。其特征是以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類的固態基質作為微生物生長的載體，營養成分可以嚴格控制。發酵結束后只需將菌體和培養液擠壓出來進行抽提，載體又可以重新使用。據報道，載體培養的霉菌、酵母、放線菌可以提取多種產物，如色素、肌苷酸、酶等。載體的取材必須經得起蒸汽加熱或藥物滅菌，具有多孔結構以保證足夠的表面積，又能允許空氣流通。對于其幾何形狀無特殊要求，形體大小應有適當范圍。關于載體種類，目前以脲烷泡沫塑料塊用得較多，石棉已很少采用。以泡沫塑料塊為例，每塊的平均質量1.5g, 邊長5-20mm，吸水率（指載體體積與吸收的培養基體積之比）應保持較大的變化范圍( 30%-90%），便于靈活掌握控制。

4．兩步法液體深層培養

兩步法液體深層培養在酶制劑生產和氨基酸生產方面應用較多。酶制劑生物合成的兩步法液體深層培養，其每一步菌體相同而培養條件不同，因為微生物生長與產酶的最適條件往往有很大差異。例如，往培養基中添加葡萄糖能大大增加菌體或菌絲的生長，卻嚴重阻礙許多酶的合成。加強培養液的通氣雖能促進微生物生長，但在多數場合反而抑制酶的合成。為了取得最大量的活性酶，必須確定一種調節方法，既要求細胞的單位酶活性高，又要求細胞的數量多，也就是說，給菌種在各個生理時期創造不同的條件。兩步法液體深層培養就是實現這種調節方法的具體措施之一，該法已在葡萄糖異構酶、α-甘露糖苷酶的微生物合成方面收到成效。酶制劑生產兩步法的特點是將菌體生長條件（營養期）與產酶條件（自我繁殖期）區分開來，因而更容易控制各個生理時期的最適條件。菌種先在營養豐富的培養基上大量繁殖，然后收集菌體濃縮物，洗滌后轉入添加誘導物的產酶培養基。在此期間，菌體積累了大量的酶，一般不再繁殖，營養成分或誘導物可得到充分利用。

??    氨基酸生物合成的兩步法液體深層培養，其每一步的菌種和培養基均不相同。第一步是有機酸發酵或氨基酸發酵，第二步是在微生物產生的某種酶作用下把第一步產物轉化為所需的氨基酸。所以，這種氨基酸發酵生產方法又稱為酶轉化法。許多種氨基酸均可以通過兩步法液體深層培養制得，但由于兩步法工藝繁雜，目前谷氨酸、賴氨酸、丙氨酸等大多數是利用直接發酵生產。盡管如此，兩步法液體深層培養仍有其實用價值，事實上有些氨基酸的生產還沒能選育到適合直接發酵所需的菌種，而必須采用兩步法生產。同時，這種方法對于研究微生物細胞內的酶系統和氨基酸的生物合成途徑具有一定的作用和意義。

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