微生物发酵工艺的6个影响因素及其控制方法

核心提示：随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵技术实现新的革命。……（世界食品网-www.shijieshipin.com）

随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵技术实现新的革命。
1、温度的影响及其控制
　　①温度对发酵的影响
　　微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌，生长温度一般在20～40℃，如霉菌、放线菌和一般细菌。
　　温度对发酵过程的影响是多方面的，它会影响各种酶反应的速率，改变微生物代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。
　　除此之外，温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
　　②最适温度的选择及控制
　　1）根据菌种及生长阶段来选择最适温度
　　微生物种类不同，所具有的酶系及其性质不同，所要求的温度范围也不同。
　　2）根据培养条件选择最适温度
　　根据培养条件综合考虑，灵活选择，比如通气条件差时可适当降低温度，使菌呼吸速率降低些，溶氧浓度也可髙些。
　　3）根据菌生长情况选择最适温度
　　菌生长快，维持在较高温度时间要短些；菌生长慢，维持较高温度时间可长些。
2、pH值的影响及其控制
　　①pH对发酵的影响
　　1）影响微生物的生长繁殖
　　2）影响微生物的形态
　　3）pH影响代谢产物的形成的数量和方向
　　4）影响产物的稳定性
　　②最适pH的选择及控制
　　1）最适pH的选择
　　微生物发酵的最适pH范围一般是在5-8之间，随菌体和产品不同而异，同一菌种生长最适pH与产物合成最适pH往往不一样。
　　最适pH值是根据实验结果来确定的，在确定合适发酵pH值时，不定期要考虑培养温度的影响，若温度提供或降低，合适pH值也可能发生变动。
　　2）pH值的控制
　　在发酵过程中，为提供菌体适宜的生长或产物积累的pH值，需要从以下几个方面对发酵生产过程各阶段的pH值实施控监控：
　　a. 调整培养基组分
　　适当调整C/N比，使盐类与碳源配比平衡，一般情况，C/N高时（真菌培养基），pH降低；C/N低时（一般细菌），经过发酵后，pH上升。
　　b. 在基础料中加入维持pH的物质
　　常用的方法是氨水流加法、尿素流加法等。
　　c. 通过补料调pH
　　在发酵过程中根据糖氮消耗需要进行补料。在补料与调pH没有矛盾时采用补料调pH如调节补糖速率来调节pH、当NH2-N低而pH低时补氨水等；当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH。
　　d. 通风量调节
　　通过调整通风量来控制pH值。此方法主要是在加多了消泡剂的个别情况下使用，提高空气流量可加速脂肪酸的氧化，以减少因脂肪酸积累引起的pH降低。
　　e. 应急措施
　　必要的时候采取应急措施。如改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控制有机酸的积累量及其代谢速度；改变温度，以控制微生物代谢速度；改变罐压及通气量，降低CO2的溶解量等等。
3、溶氧的影响及其控制
　　①溶解氧对发酵的影响
　　溶解氧(DO)对发酵的影响分为两方面一是溶氧浓度影响与呼吸链有关的能量代谢，从而影响微生物生长；另一是氧直接参与产物合成。
　　1）溶氧对微生物自身生长的影响
　　根据对氧的需求，微生物可分为专性好氧微生物、兼性好氧微生物和专性厌氧微生物。
　　专性好氧微生物把氧作为最终电子受体，通过有氧呼吸获取能量，发酵时一般应尽可能的提高DO，以促进微生物生长，增大菌体量。
　　兼性好氧微生物的生长不一定需要氧，但如果在培养中供给氧，则菌体生长更好，如酵母菌；
　　而对于专性厌氧微生物，氧则可对其显示毒性，如产甲烷杆菌，此时能否限制Do在一个较低值往往成为发酵成败的关键。
　　2）溶氧对发酵产物的影响
　　对于好氧发酵来说，DO通常既是营养因素，又是环境因素。特别是对于具有一定氧化还原性质的代谢产物的生产来说，Do的改变势必会影响到菌株培养体系的氧化还原电位，同时也会对细胞生长和产物的形成产生影响。
　　②溶氧量的控制
　　发酵液中的溶氧浓度是由供氧和需氧两方面决定的。
　　1）控制溶氧量
　　控制溶氧量首要因素是控制氧分压。高密度培养往往采用通入纯氧的方式提高氧分压，而厌氧发酵则采用各种方式将氧分压控制在较低水平。
　　此外，由于氧是难溶气体，一定温度和压力下，Do值有一上限。为此，向发酵液中加入氧载体是提高Do值的一个行之有效的方法。
　　2）控制氧传递速率
　　氧传递速率主要考虑KLa的影响因素。从一定意义上讲，KLa愈大，好氧生物反应器的传质性能愈好。控制KLa的途径可分为操作变量、反应液的理化性质和反应器的结构3个部分。
4、泡沫的影响及其控制
　　①泡沫的形成及其对发酵的影响
　　泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系，泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。通气搅拌和代谢产生的气体是泡沫产生的原因。
　　过多持久性泡沫会给发酵带来很多不利因素，主要有发酵罐的装料系数减少、氧传递系数减小，降低发酵设备的利用率；严重时通气搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍，导致代谢异常或菌体自溶；大量泡沫给后续提取工序带来困难。
　　②泡沫的控制
　　发酵过程中泡沫的控制主要有三条途径：
　　一是调整培养基中的成分，或改变某些物理化学参数，或者改变发酵工艺来控制，以减少泡沫形成的机会。
　　二是采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。
　　三是采用菌种选育的方法，筛选不产生流态泡沫的菌种，来消除起泡的内在因素。
　　1）物理法消泡
　　物理法消泡主要是机械消泡，靠机械强烈振动、压力的变化，促使气泡破裂，或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。机械消泡的优点是节省原料，减少由于消泡剂所引起的污染机会。
　　2）化学法消泡
　　消泡剂消泡是重要的化学法消泡。化学消泡的机理是通过降低泡沫液膜机械强度，或者是降低泡沫液膜的表面黏度，或者兼有两者的作用，以达到破裂泡沫的目的。其优点是来源广泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易实现自动控制。
5、菌体浓度和基质的影响及其控制
　　①菌体浓度对发酵的影响及控制
　　菌体（细胞）浓度简称菌浓，是指单位体积培养液中菌体的含量。菌浓与菌体生长速率直接相关，其大小在一定条件下，不仅反映菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段。
　　菌体浓度控制可以通过控制培养基中营养物质的含量来实现，首先确定基础培养基配方中有个适当的配比，避免产生过浓（或过稀）的菌体量，然后通过中间补料来控制。
　　另外，CO2影响细胞膜的结构，细胞膜的运输效率，细胞生长受抑制，形态发生改变。所以可以利用菌体代谢产生的CO2量来控制生产过程的补糖量，以控制菌体的生长和浓度。
　　②基质对发酵的影响及控制
　　基质即培养微生物的营养物质，主要有碳源、氮源和磷酸盐三大类。
　　1）碳源对发酵的影响及控制
　　a. 迅速利用的碳源
　　如葡萄糖、蔗糖等。迅速参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解产物，有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用。
　　b. 缓慢利用的碳源
　　如多数为聚合物、淀粉等。为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的分泌期，也有许多微生物药物的发酵所采用。
　　2）氮源对发酵的影响及控制
　　a. 迅速利用的氮源
　　如氨基（或铵）态氮的氨基酸（或硫酸铵等）、玉米浆等。容易被菌体利用，促进菌体生长，但对某些代谢产物的合成特别是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。
　　b. 缓慢利用的氮源
　　延长代谢产物的分泌期、提高产物的产量；但一次投入也容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰老而自溶，缩短产物的分泌期。
　　c. 磷酸盐对发酵的影响及控制
　　磷是微生物菌体生长繁殖所必需的成分，也是合成代谢产物所必需的。微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0.32～300mmol/L，次级代谢产物合成良好所允许的最高平均浓度仅为1.0mmol/L。
6、发酵时间的影响及其控制
　　确定微生物发酵的终点，控制发酵时间，可以减少能源的消耗、提高设备的使用率，对提高产物的生产能力和经济效益是很重要的。
　　在实际生产中，确定发酵周期，准确判断放罐时间，需要综合考虑经济因素、产品质量因素和特殊因素。
　　①考虑经济因素
　　发酵产物的生产能力是实际发酵时间和发酵准备时间的综合反应。实际发酵时间，要考虑经济因素，要以最低的成本获得最大生产能力的时间为最适发酵时间，但在生产速率较小（或停止）的情况下，单位体积的产物产量增长就有限，如果继续延长时间，使平均生产能力下降，而动力消耗、管理费用支出，设备消耗等费用仍在增加，因而产物成本增加。所以，要从经济学观点确定一个合理时间。
　　②产品质量因素
　　发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影响。如果发酵时间太短，尚未代谢的营养物质残留在发酵液中，不利于后续工序；如果发酵时间太长，菌体会自溶，释放出菌体蛋白或体内的酶会改变发酵液的性质，增加过滤难度，使产物质量下降，产物中杂质含量增加。故要考虑发酵周期长短对产物提取工艺的影响。
　　③特殊因素
　　在个别特殊情况下，如染菌、代谢异常（糖耗缓慢等）就应根据不同情况，进行适当处理。为了能够得到尽量多的产物，应该及时采取措施（如改变温度或补充营养等），并适当提前或拖后放罐时间。
　　发酵过程工艺分析是生产控制的眼睛，它显示了发酵过程中微生物的主要代谢变化。通过分析和控制影响发酵的各种参数，可以创造一个最优的发酵条件，最终实现发酵工业经济效益的最大化。
参考资料：
　　[1]《发酵工程》，蒋新龙，浙江大学出版社，
　　[2]《微生物发酵制药技术》，盛贻林，中国农业大学出版社
　　[3]《发酵过程中PH及溶解氧的测量与控制》，张嗣良,李凡超等，华东化工学院出版社
　　[4]《发酵过程优化原理与实践》，陈坚,李寅等，化学工业出版社
　　[5]《发酵原理》张星元，科学出版社
　　[6]《发酵工厂工艺设计概论》，吴思方，中国轻工业出版社
　　[7]《发酵工程》，刘冬,张学仁等，高等教育出版社
　　[8]《发酵工艺学》，何建勇，中国医药科技出版社
　　[9]《微生物发酵技术》，燕平梅，中国农业科学技术出版社