隨著學(xué)科之間的不斷交叉和滲透，微生物學(xué)家開(kāi)始用數(shù)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、化工工程原理、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行綜合研究，人們能按需要設(shè)計(jì)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(shí)，節(jié)約能源，降低成本，使發(fā)酵技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的革命。

 

1、溫度的影響及其控制

 

　　①溫度對(duì)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(zhǎng)溫度一般在20～40℃，如霉菌、放線菌和一般細(xì)菌。

 

　　溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響是多方面的，它會(huì)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(jī)制。

 

　　除此之外，溫度還對(duì)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(jìn)而影響發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。

 

　　②最適溫度的選擇及控制

 

　　1）根據(jù)菌種及生長(zhǎng)階段來(lái)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(shí)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(zhǎng)情況選擇最適溫度

 

　　菌生長(zhǎng)快，維持在較高溫度時(shí)間要短些；菌生長(zhǎng)慢，維持較高溫度時(shí)間可長(zhǎng)些。

 

2、pH值的影響及其控制

 

　�、賞H對(duì)發(fā)酵的影響

 

　　1）影響微生物的生長(zhǎng)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

 

　�、谧钸mpH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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定的，在確定合適發(fā)酵pH值時(shí)，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(dòng)。

 

　　2）pH值的控制

 

　　在發(fā)酵過(guò)程中，為提供菌體適宜的生長(zhǎng)或產(chǎn)物積累的pH值，需要從以下幾個(gè)方面對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程各階段的pH值實(shí)施控監(jiān)控：

 

　　a. 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(shí)（真菌培養(yǎng)基），pH降低；C/N低時(shí)（一般細(xì)菌），經(jīng)過(guò)發(fā)酵后，pH上升。

 

　　b. 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。

 

　　c. 通過(guò)補(bǔ)料調(diào)pH

 

　　在發(fā)酵過(guò)程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料與調(diào)pH沒(méi)有矛盾時(shí)采用補(bǔ)料調(diào)pH如調(diào)節(jié)補(bǔ)糖速率來(lái)調(diào)節(jié)pH、當(dāng)NH2-N低而pH低時(shí)補(bǔ)氨水等；當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH。

 

　　d. 通風(fēng)量調(diào)節(jié)

 

　　通過(guò)調(diào)整通風(fēng)量來(lái)控制pH值。此方法主要是在加多了消泡劑的個(gè)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。

 

　　e. 應(yīng)急措施

 

　　必要的時(shí)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�，控制有機(jī)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。

 

3、溶氧的影響及其控制

 

　�、偃芙庋鯇�(duì)發(fā)酵的影響

 

　　溶解氧(DO)對(duì)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(zhǎng)；另一是氧直接參與產(chǎn)物合成。

 

　　1）溶氧對(duì)微生物自身生長(zhǎng)的影響

 

　　根據(jù)對(duì)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(guò)有氧呼吸獲取能量，發(fā)酵時(shí)一般應(yīng)盡可能的提高DO，以促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，增大菌體量。

 

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

 

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

 

　　2）溶氧對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的影響

 

　　對(duì)于好氧發(fā)酵來(lái)說(shuō)，DO通常既是營(yíng)養(yǎng)因素，又是環(huán)境因素。特別是對(duì)于具有一定氧化還原性質(zhì)的代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，Do的改變勢(shì)必會(huì)影響到菌株培養(yǎng)體系的氧化還原電位，同時(shí)也會(huì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成產(chǎn)生影響。

 

　　②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(gè)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(gè)部分。

 

4、泡沫的影響及其控制

 

　�、倥菽�的形成及其對(duì)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(kāi)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(guò)多持久性泡沫會(huì)給發(fā)酵帶來(lái)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(yán)重時(shí)通氣攪拌無(wú)法進(jìn)行，菌體呼吸受到阻礙，導(dǎo)致代謝異�；蚓�體自溶；大量泡沫給后續(xù)提取工序帶來(lái)困難。

 

　�、谂菽�的控制

 

　　發(fā)酵過(guò)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(lái)控制，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)。

 

　　二是采用機(jī)械消泡或消泡劑來(lái)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(lái)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(jī)械消泡，靠機(jī)械強(qiáng)烈振動(dòng)、壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收。機(jī)械消泡的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省原料，減少由于消泡劑所引起的污染機(jī)會(huì)。

 

　　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(jī)理是通過(guò)降低泡沫液膜機(jī)械強(qiáng)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(dá)到破裂泡沫的目的。其優(yōu)點(diǎn)是來(lái)源廣泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

 

5、菌體濃度和基質(zhì)的影響及其控制

 

　�、倬�體濃度對(duì)發(fā)酵的影響及控制

 

　　菌體（細(xì)胞）濃度簡(jiǎn)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(zhǎng)速率直接相關(guān)，其大小在一定條件下，不僅反映菌體細(xì)胞的多少，而且反映菌體細(xì)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(guò)控制培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量來(lái)實(shí)現(xiàn)，首先確定基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方中有個(gè)適當(dāng)?shù)呐浔�，避免產(chǎn)生過(guò)濃（或過(guò)稀）的菌體量，然后通過(guò)中間補(bǔ)料來(lái)控制。

 

　　另外，CO2影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率，細(xì)胞生長(zhǎng)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(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程的補(bǔ)糖量，以控制菌體的生長(zhǎng)和濃度。

 

　　②基質(zhì)對(duì)發(fā)酵的影響及控制

 

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

 

　　1）碳源對(duì)發(fā)酵的影響及控制

 

　　a. 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(zhǎng)，但有的分解代謝產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物的合成可能產(chǎn)生阻遏作用。

 

　　b. 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(zhǎng)代謝產(chǎn)物的合成，特別有利于延長(zhǎng)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(duì)發(fā)酵的影響及控制

 

　　a. 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(jìn)菌體生長(zhǎng)，但對(duì)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。

 

　　b. 緩慢利用的氮源

 

　　延長(zhǎng)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(jìn)菌體生長(zhǎng)和養(yǎng)分過(guò)早耗盡，以致菌體過(guò)早衰老而自溶，縮短產(chǎn)物的分泌期。

 

　　c. 磷酸鹽對(duì)發(fā)酵的影響及控制

 

　　磷是微生物菌體生長(zhǎng)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(zhǎng)良好所允許的磷酸鹽濃度為0.32～300mmol/L，次級(jí)代謝產(chǎn)物合成良好所允許的最高平均濃度僅為1.0mmol/L。

 

6、發(fā)酵時(shí)間的影響及其控制

 

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

 

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

 

　�、倏紤]經(jīng)濟(jì)因素

 

　　發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)能力是實(shí)際發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵準(zhǔn)備時(shí)間的綜合反應(yīng)。實(shí)際發(fā)酵時(shí)間，要考慮經(jīng)濟(jì)因素，要以最低的成本獲得最大生產(chǎn)能力的時(shí)間為最適發(fā)酵時(shí)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(zhǎng)就有限，如果繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，使平均生產(chǎn)能力下降，而動(dòng)力消耗、管理費(fèi)用支出，設(shè)備消耗等費(fèi)用仍在增加，因而產(chǎn)物成本增加。所以，要從經(jīng)濟(jì)學(xué)觀點(diǎn)確定一個(gè)合理時(shí)間。

 

　�、诋a(chǎn)品質(zhì)量因素

 

　　發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)后續(xù)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。如果發(fā)酵時(shí)間太短，尚未代謝的營(yíng)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(shí)間太長(zhǎng)，菌體會(huì)自溶，釋放出菌體蛋白或體內(nèi)的酶會(huì)改變發(fā)酵液的性質(zhì)，增加過(guò)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(zhǎng)短對(duì)產(chǎn)物提取工藝的影響。

 

　�、厶厥庖蛩�

 

　　在個(gè)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(jìn)行適當(dāng)處理。為了能夠得到盡量多的產(chǎn)物，應(yīng)該及時(shí)采取措施（如改變溫度或補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)等），并適當(dāng)提前或拖后放罐時(shí)間。

 

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

 

參考資料：

 

　　[1]《發(fā)酵工程》，蔣新龍，浙江大學(xué)出版社，

 

　　[2]《微生物發(fā)酵制藥技術(shù)》，盛貽林，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社

 

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　　[4]《發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化原理與實(shí)踐》，陳堅(jiān),李寅等，化學(xué)工業(yè)出版社

 

　　[5]《發(fā)酵原理》張星元，科學(xué)出版社

 

　　[6]《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》，吳思方，中國(guó)輕工業(yè)出版社

 

　　[7]《發(fā)酵工程》，劉冬,張學(xué)仁等，高等教育出版社

 

　　[8]《發(fā)酵工藝學(xué)》，何建勇，中國(guó)醫(yī)藥科技出版社

 

　　[9]《微生物發(fā)酵技術(shù)》，燕平梅，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社