隨著學(xué)科之間的不斷交叉和滲透，微生物學(xué)家開始用數(shù)學(xué)、動力學(xué)、化工工程原理、計算機技術(shù)對發(fā)酵過程進行綜合研究，人們能按需要設(shè)計和培育各種工程菌，在大大提高發(fā)酵工程的產(chǎn)品質(zhì)量的同時，節(jié)約能源，降低成本，使發(fā)酵技術(shù)實現(xiàn)新的革命。

微生物發(fā)酵方式

發(fā)酵是指通過微生物（或動植物細胞）的生長培養(yǎng)和化學(xué)變化，大量產(chǎn)生和積累專門代謝產(chǎn)物的過程。微生物代謝類型很多，利用不同微生物對同一種物質(zhì)進行發(fā)酵或者同一種微生物在不同條件下培養(yǎng)所得產(chǎn)物均不相同。

微生物發(fā)酵按照發(fā)酵方式可分為間歇發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵三種類型。

1、間歇發(fā)酵

間歇發(fā)酵又稱為分批發(fā)酵，是指發(fā)酵過程中營養(yǎng)物和菌種一次加入進行培養(yǎng)，直到結(jié)束放出，除了空氣進入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。

2、連續(xù)發(fā)酵

連續(xù)發(fā)酵是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。

3、流加發(fā)酵

流加發(fā)酵也叫補料分批發(fā)酵或半連續(xù)發(fā)酵，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。它是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，同時具備兩者的部分優(yōu)點。

溫度的影響及其控制

一、溫度對發(fā)酵的影響

微生物發(fā)酵所用的菌體絕大多數(shù)是中溫菌，生長溫度一般在20～40℃，如霉菌、放線菌和一般細菌。

溫度對發(fā)酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變微生物代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機制。

除此之外，溫度還對發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的粘度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解和吸收速率等，進而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。

二、最適溫度的選擇及控制

1、根據(jù)菌種及生長階段來選擇最適溫度

微生物種類不同，所具有的酶系及其性質(zhì)不同，所要求的溫度范圍也不同。

2、根據(jù)培養(yǎng)條件選擇最適溫度

根據(jù)培養(yǎng)條件綜合考慮，靈活選擇，比如通氣條件差時可適當(dāng)降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。

3、根據(jù)菌生長情況選擇最適溫度

菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。

pH值的影響及其控制

一、pH對發(fā)酵的影響

1、影響微生物的生長繁殖

2、影響微生物的形態(tài)

3、pH影響代謝產(chǎn)物的形成的數(shù)量和方向 

4、影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性

二、最適pH的選擇及控制

1、最適pH的選擇

微生物發(fā)酵的最適pH范圍一般是在5-8之間，隨菌體和產(chǎn)品不同而異，同一菌種生長最適pH與產(chǎn)物合成最適pH往往不一樣。

最適pH值是根據(jù)實驗結(jié)果來確定的，在確定合適發(fā)酵pH值時，不定期要考慮培養(yǎng)溫度的影響，若溫度提供或降低，合適pH值也可能發(fā)生變動。

2、pH值的控制

在發(fā)酵過程中，為提供菌體適宜的生長或產(chǎn)物積累的pH值，需要從以下幾個方面對發(fā)酵生產(chǎn)過程各階段的pH值實施控監(jiān)控：

（1）調(diào)整培養(yǎng)基組分

適當(dāng)調(diào)整C/N比，使鹽類與碳源配比平衡，一般情況，C/N高時（真菌培養(yǎng)基），pH降低；C/N低時（一般細菌），經(jīng)過發(fā)酵后，pH上升。

（2）在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)

常用的方法是氨水流加法、尿素流加法等。

（3）通過補料調(diào)pH

在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進行補料。在補料與調(diào)pH沒有矛盾時采用補料調(diào)pH如調(diào)節(jié)補糖速率來調(diào)節(jié)pH、當(dāng)NH2-N低而pH低時補氨水等；當(dāng)補料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時，加酸堿調(diào)pH。

（4）通風(fēng)量調(diào)節(jié)

通過調(diào)整通風(fēng)量來控制pH值。此方法主要是在加多了消泡劑的個別情況下使用，提高空氣流量可加速脂肪酸的氧化，以減少因脂肪酸積累引起的pH降低。

（5）應(yīng)急措施

必要的時候采取應(yīng)急措施。如改變攪拌轉(zhuǎn)速或通氣量，以改變?nèi)芙庋鯘舛龋刂朴袡C酸的積累量及其代謝速度；改變溫度，以控制微生物代謝速度；改變罐壓及通氣量，降低CO2的溶解量等等。

溶氧的影響及其控制

一、溶解氧對發(fā)酵的影響

溶解氧(DO)對發(fā)酵的影響分為兩方面一是溶氧濃度影響與呼吸鏈有關(guān)的能量代謝，從而影響微生物生長；另一是氧直接參與產(chǎn)物合成。

1、溶氧對微生物自身生長的影響

根據(jù)對氧的需求，微生物可分為專性好氧微生物、兼性好氧微生物和專性厭氧微生物。

專性好氧微生物把氧作為最終電子受體，通過有氧呼吸獲取能量，發(fā)酵時一般應(yīng)盡可能的提高DO，以促進微生物生長，增大菌體量。

兼性好氧微生物的生長不一定需要氧，但如果在培養(yǎng)中供給氧，則菌體生長更好，如酵母菌；

而對于專性厭氧微生物，氧則可對其顯示毒性，如產(chǎn)甲烷桿菌，此時能否限制Do在一個較低值往往成為發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。

2、溶氧對發(fā)酵產(chǎn)物的影響

對于好氧發(fā)酵來說，DO通常既是營養(yǎng)因素，又是環(huán)境因素。特別是對于具有一定氧化還原性質(zhì)的代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)來說，Do的改變勢必會影響到菌株培養(yǎng)體系的氧化還原電位，同時也會對細胞生長和產(chǎn)物的形成產(chǎn)生影響。

二、溶氧量的控制

發(fā)酵液中的溶氧濃度是由供氧和需氧兩方面決定的。

1、控制溶氧量

控制溶氧量首要因素是控制氧分壓。高密度培養(yǎng)往往采用通入純氧的方式提高氧分壓，而厭氧發(fā)酵則采用各種方式將氧分壓控制在較低水平。

此外，由于氧是難溶氣體，一定溫度和壓力下，Do值有一上限。為此，向發(fā)酵液中加入氧載體是提高Do值的一個行之有效的方法。

2、控制氧傳遞速率

氧傳遞速率主要考慮KLa的影響因素。從一定意義上講，KLa愈大，好氧生物反應(yīng)器的傳質(zhì)性能愈好?？刂芀La的途徑可分為操作變量、反應(yīng)液的理化性質(zhì)和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)3個部分。

泡沫的影響及其控制

一、泡沫的形成及其對發(fā)酵的影響

泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系，泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。通氣攪拌和代謝產(chǎn)生的氣體是泡沫產(chǎn)生的原因。

過多持久性泡沫會給發(fā)酵帶來很多不利因素，主要有發(fā)酵罐的裝料系數(shù)減少、氧傳遞系數(shù)減小，降低發(fā)酵設(shè)備的利用率；嚴重時通氣攪拌無法進行，菌體呼吸受到阻礙，導(dǎo)致代謝異?；蚓w自溶；大量泡沫給后續(xù)提取工序帶來困難。

二、泡沫的控制

發(fā)酵過程中泡沫的控制主要有三條途徑，一是調(diào)整培養(yǎng)基中的成分，或改變某些物理化學(xué)參數(shù)，或者改變發(fā)酵工藝來控制，以減少泡沫形成的機會。

二是采用機械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。

三是采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來消除起泡的內(nèi)在因素。

1、物理法消泡

物理法消泡主要是機械消泡，靠機械強烈振動、壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收。機械消泡的優(yōu)點是節(jié)省原料，減少由于消泡劑所引起的污染機會。

2、化學(xué)法消泡

消泡劑消泡是重要的化學(xué)法消泡?；瘜W(xué)消泡的機理是通過降低泡沫液膜機械強度，或者是降低泡沫液膜的表面黏度，或者兼有兩者的作用，以達到破裂泡沫的目的。其優(yōu)點是來源廣泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易實現(xiàn)自動控制。

菌體濃度和基質(zhì)的影響及其控制

一、菌體濃度對發(fā)酵的影響及控制

菌體（細胞）濃度簡稱菌濃，是指單位體積培養(yǎng)液中菌體的含量。菌濃與菌體生長速率直接相關(guān)，其大小在一定條件下，不僅反映菌體細胞的多少，而且反映菌體細胞生理特性不完全相同的分化階段。

菌體濃度控制可以通過控制培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的含量來實現(xiàn)，首先確定基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方中有個適當(dāng)?shù)呐浔?，避免產(chǎn)生過濃（或過稀）的菌體量，然后通過中間補料來控制。

另外，CO2影響細胞膜的結(jié)構(gòu)，細胞膜的運輸效率，細胞生長受抑制，形態(tài)發(fā)生改變。所以可以利用菌體代謝產(chǎn)生的CO2量來控制生產(chǎn)過程的補糖量，以控制菌體的生長和濃度。

二、基質(zhì)對發(fā)酵的影響及控制

基質(zhì)即培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，主要有碳源、氮源和磷酸鹽三大類。

1、碳源對發(fā)酵的影響及控制

（1）迅速利用的碳源

如葡萄糖、蔗糖等。迅速參與代謝、合成菌體和產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生分解產(chǎn)物，有利于菌體生長，但有的分解代謝產(chǎn)物對產(chǎn)物的合成可能產(chǎn)生阻遏作用。

（2）緩慢利用的碳源

如多數(shù)為聚合物、淀粉等。為菌體緩慢利用，有利于延長代謝產(chǎn)物的合成，特別有利于延長抗生素的分泌期，也有許多微生物藥物的發(fā)酵所采用。

2、氮源對發(fā)酵的影響及控制

（1）迅速利用的氮源

如氨基（或銨）態(tài)氮的氨基酸（或硫酸銨等）、玉米漿等。容易被菌體利用，促進菌體生長，但對某些代謝產(chǎn)物的合成特別是某些抗生素的合成產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，影響產(chǎn)量。

（2）緩慢利用的氮源

延長代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物的產(chǎn)量；但一次投入也容易促進菌體生長和養(yǎng)分過早耗盡，以致菌體過早衰老而自溶，縮短產(chǎn)物的分泌期。

3、磷酸鹽對發(fā)酵的影響及控制

磷是微生物菌體生長繁殖所必需的成分，也是合成代謝產(chǎn)物所必需的。微生物生長良好所允許的磷酸鹽濃度為0.32～300mmol/L，次級代謝產(chǎn)物合成良好所允許的最高平均濃度僅為1.0mmol/L。

發(fā)酵時間的影響及其控制

確定微生物發(fā)酵的終點，控制發(fā)酵時間，可以減少能源的消耗、提高設(shè)備的使用率，對提高產(chǎn)物的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益是很重要的。

在實際生產(chǎn)中，確定發(fā)酵周期，準(zhǔn)確判斷放罐時間，需要綜合考慮經(jīng)濟因素、產(chǎn)品質(zhì)量因素和特殊因素。

一、考慮經(jīng)濟因素

發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)能力是實際發(fā)酵時間和發(fā)酵準(zhǔn)備時間的綜合反應(yīng)。實際發(fā)酵時間，要考慮經(jīng)濟因素，要以最低的成本獲得最大生產(chǎn)能力的時間為最適發(fā)酵時間，但在生產(chǎn)速率較?。ɑ蛲Ｖ梗┑那闆r下，單位體積的產(chǎn)物產(chǎn)量增長就有限，如果繼續(xù)延長時間，使平均生產(chǎn)能力下降，而動力消耗、管理費用支出，設(shè)備消耗等費用仍在增加，因而產(chǎn)物成本增加。所以，要從經(jīng)濟學(xué)觀點確定一個合理時間。

二、產(chǎn)品質(zhì)量因素

發(fā)酵時間長短對后續(xù)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。如果發(fā)酵時間太短，尚未代謝的營養(yǎng)物質(zhì)殘留在發(fā)酵液中，不利于后續(xù)工序；如果發(fā)酵時間太長，菌體會自溶，釋放出菌體蛋白或體內(nèi)的酶會改變發(fā)酵液的性質(zhì)，增加過濾難度，使產(chǎn)物質(zhì)量下降，產(chǎn)物中雜質(zhì)含量增加。故要考慮發(fā)酵周期長短對產(chǎn)物提取工藝的影響。

三、特殊因素

在個別特殊情況下，如染菌、代謝異常（糖耗緩慢等）就應(yīng)根據(jù)不同情況，進行適當(dāng)處理。為了能夠得到盡量多的產(chǎn)物，應(yīng)該及時采取措施（如改變溫度或補充營養(yǎng)等），并適當(dāng)提前或拖后放罐時間。

總結(jié)

發(fā)酵過程工藝分析是生產(chǎn)控制的眼睛，它顯示了發(fā)酵過程中微生物的主要代謝變化。通過分析和控制影響發(fā)酵的各種參數(shù)，可以創(chuàng)造一個最優(yōu)的發(fā)酵條件，最終實現(xiàn)發(fā)酵工業(yè)經(jīng)濟效益的最大化。

參考資料：

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