微生物发酵工艺及其控制简述.doc

微生物发酵工艺及其控制简述罗宗学（云南大学生命科学学院 云南昆明 650091）摘要：根据操作方式不同，发酵工艺分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型，其中流加发酵在生产和科研上应用最为广泛。在发酵工艺中反映发酵过程变化的参数分为物理参数、化学参数和生物学参数三大类，这些参数的变化直接影响到发酵工业的生产率和产物品质。本文从对发酵工艺过程影响较大的发酵温度、pH值、溶解氧、泡沫、菌体浓度和基质、发酵时间等6个方面阐述如何进行发酵工艺的控制，为实现发酵产业的经济效益最大化提供必要的理论依据。关键字：发酵工艺变化参数影响和控制发酵是指通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的过程。早在2000多年前，我国就有了酿酒、制醋的发酵技术，那时候发酵完全属于天然发酵。20 世纪40年代中期，美国抗菌素工业兴起，大规模生产青霉素，建立了深层通气发酵技术。1957年，日本微生物生产谷氨酸盐(味精)发酵成功，大大推动了发酵工程的发展。70年代开始，随着基因工程、细胞工程等生物过程技术的开发，以石油为原料生产单细胞蛋白，使发酵工程从单一依靠碳水化合物(淀粉)向非碳水化合物过渡，从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源，如天然气、烷烃等原料的开发。80年代，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。发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。影响发酵过程发的因素很多，包括物理的（如温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、表观粘度、浊度、料液流量等），化学的（如质浓度、pH、产物浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、废气中氧及二氧化碳浓度、核酸量等）和生物的（如菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、基质消耗速率、关键酶活力等）三大类。根据能否直接用传感器检测，反映发酵过程变化的参数可以分为两类：一类是可以直接采用特定的传感器检测的参数，如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解氧、基质浓度等映物理环境和化学环境变化的参数，称为直接参数。另一类是至今尚难用传感器来检测的参数，如细胞生长速率、产物合成速率和呼吸嫡等生物因素。这些参数需要根据一些直接检测出来的参数，借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到，因此这类参数被称为间接参数。所有这些参数中，菌体浓度和基质浓度、温度、pH、溶解氧浓度、泡沫、发酵时间等对发酵过程影响较大的。本文就这几个参数来简要阐述发酵工艺的过程控制。1.微生物发酵工艺过程概述微生物代谢类型很多，利用不同微生物对同一种物质进行发酵或者同一种微生物在不同条件下培养所得产物均不相同。微生物代谢产物已知的有37个大类，其中16类属于药物。在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核并酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的。这些产物叫做初级代谢产物，许多初级代谢产物在经济上具有相当的重要性，分别形成了各种不同的发酵工业。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素。生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。次级代谢产物多为低分子量化合物，但其化学结构类型多种多样，据不完全统计多达47类。根据微生物对氧的需求、发酵采用的方式，发酵过程的动力学等可以将微生物发酵工艺分为不同的种类。如按照微生物对氧的需求将发酵分为好痒发酵、厌氧发酵和兼性厌氧发酵三大类。按照发酵过程的动力学中产物生成与碳源利用消耗关系，发酵过程分为菌体增长与碳源利用相平行的I型（偶联型）、菌体生长与产物合成是分开的或只有部分联系的II型（混合型）和菌体生长停止后产物才开始形成的III型（非偶联型）。微生物发酵最常见的分类是按照发酵方式的不同将发酵过程分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型。1.1间歇发酵间歇发酵又称为分批发酵，是指发酵过程中营养物和菌种一次加人进行培养，直到结束放出，中间除了空气进人和尾气排出，与外部没有物料交换。它是传统生物产品发酵常用的发酵方式，除了控制温度和及通气以外，不进行任何其他控制。分批发酵的具体操作是首先对种子罐进行高压蒸汽空罐灭菌，之后投入培养基进行高压蒸汽灭菌，然后接入用摇瓶等预先培养好的种子，进行培养。在种子罐开始培养的同时，以同样程序进行主培养罐的准备工作。对于大型发酵罐，一般不在罐内对培养基灭菌，而是利用专门的灭菌装置对培养基进行连续灭菌。种子培养达到一定菌体量时，即转移到主发酵罐中。发酵过程中要控制温度和，对于需氧微生物还要进行搅拌和通气。主罐发酵结束即将发酵液送往提取、精制工段进行后处理。分批发酵的优点是操作简单、投资少；运行周期短，染菌机会减少；生产过程、产品质量较易控制。缺点是发酵初期营养物过多会抑制微生物的生长，而发酵的中后期又因为营养物减少而降低培养效率。迄今为止，分批培养是常用的培养方法，广泛用于多种发酵过程。1.2连续发酵连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。连续发酵使用的反应器可以是搅拌罐式反应器，也可以是管式反应器。在罐式反应器中，即使加人的物料中不含有菌体，只要反应器内含有一定量的菌体，在一定进料流量范围内，就可实现稳态操作。罐式连续发酵的设备与分批发酵设备无根本差别，一般可采用原有发酵罐改装。根据所用罐数，罐式连续发酵系统又可分单罐连续发酵和多罐连续发酵。连续发酵的稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下，微生物所处的环境条件，如营养物浓度、产物浓度、值等都能保持恒定，微生物细胞的浓度及其比生长速率也可维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速度。与分批发酵相比，连续发酵优点主要表现在可长期连续进行，生产能力高；缺点是操作控制要求高，投资高、杂菌污染、微生物菌种变异。连续发酵在工业发酵中应用不多见，只应用于菌种的遗传性质比较稳定的发酵，如酒精发酵等。目前主要用于实验室进行发酵动力学研究，如发酵动力学参数的测定，过程条件的优化试验等。1.3流加发酵流加发酵也叫补料分批发酵或半连续发酵，是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。它是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，同时具备两者的部分优点，是一种在工业上比较常用的发酵工艺。补料分批发酵通过向培养系统中补充物料，可以使培养液中的营养物浓度较长时间地保持在一定范围内，既保证微生物的生长需要，又不造成不利影响，从而达到提高产率的目的。补料分批发酵根据补料方式不同分为单一补料分批发酵和反复补料分批发酵两种类型。单一补料分批发酵是在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程的适当时期，开始连续补加碳源或(和)氮源或(和)其他必须基质，直到发酵液体积达到发酵罐最大操作容积后，停止补料，最后将发酵液一次全部放出。反复补料分批发酵是在单一补料分批发酵的基础上，每隔一定时间按一定比例放出一部分发酵液，使发酵液体积始终不超过发酵罐的最大操作容积，从而在理论上可以延长发酵周期，直至发酵产率明显下降，才最终将发酵液全部放出。 与传统的分批发酵相比，流加发酵具有无菌要求低；菌种变异，退化少；适用范围更广等优点。因此补料分批发酵技术在生产和科研上被广泛运用，包括单细胞蛋白、氨基酸、生长激素、抗生素、维生素、酶制剂、核苷酸、有机酸等几乎整个发酵工业。2.温度对发酵工艺的影响及其控制2.1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，如霉菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在2040。在发酵过程中，需要维持适当的温度，才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行。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。除这些直接影响外，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。例如温度升高，气体在溶液中的溶解度减小，氧传递速率改变，影响基质的分解速率。同时菌体生长快，反应速度快，酶失活快，菌体衰老快，发酵提前结束。2.2影响发酵温度变化的因素发酵热是引起发酵温度变化的主要因素。发酵热是指发酵过程中释放出来的净热量，以J/(m3 h)。所谓净热量是在发酵过程中同时存在产热（微生物分解基质产生热量，机械搅拌产生热量）和散热（如罐壁散热、水分蒸发、空气排气带走热量），所有产生的热量和散失的热量的代数和叫做净热量。发酵过程中产热因素有生物热和搅拌热，散热因素有蒸发热和辐射热。发酵热为产热因素与散热因素之差。生物热是菌体氧化分解培养基中的营养物质产生大量能量，而自身细胞合成和代谢产物合成未消耗完以热的形式散发出来的能量。搅拌热是在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间，液体与搅拌器等设备之间的摩擦，产生可观的热量。蒸发热通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分蒸发所需的热量。辐射热指发酵罐温度与罐外温度不同，发酵液中有部分热量通过罐壁向外辐射的热量。由于生物热和蒸发热，特别是生物热在发酵过程中随时间变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，引起发酵温度发生波动。为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。2.3最适温度的选择及控制2.3.1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。如黑曲霉生长温度为37，谷氨酸产生菌棒状杆菌的生长温度为3032 ，青霉菌生长温度为30 。在产物分泌阶段，其温度要求与生长阶段又不一样，应选择最适生产温度。如青霉素产生菌生长的最适温度为30,但产生青霉素的最适温度是20。2.3.2根据培养条件选择最适温度温度选择还要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；培养基稀薄时，温度也该低些，因为温度高营养利用快，会使菌过早自溶。2.3.3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。培养条件适宜，如营养丰富，通气能满足，那么前期温度可髙些，以利于菌的生长。总的来说，温度的选择根据菌种生长阶段及培养条件综合考虑。要通过反复实践来定出最适温度2.3.4工业生产上的温度控制工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，需要冷却的情况较多。利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。如果气温较高，冷却水的温度又高，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到最适温度。因此大工厂需要建立冷冻站，提高冷却能力，以保证在正常温度下进行发酵。3.pH值对发酵的影响及其控制3.1pH值影响微生物生长繁殖和代谢的原因pH值对微生物发酵过程的影响主要是通过对菌体生长和代谢产物合成表现出来的，它对微生物的生长繁殖和产物合成的影响是多方面的。在发酵过程中，不同的菌种，对pH要求不同；相同的菌种，当pH不同时，会形成不同的产物；菌种生成和发酵的最适pH不同，形成的产物也不同。归结起来，pH值影响微生物生长繁殖和代谢的原因有以下几个方面：第一，影响酶的活性，当值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；第二、pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行；第三，pH值影响培养基某些营养成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用；第四，pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。3.2pH对发酵的影响 3.2.1影响微生物的生长繁殖石油吃蜡酵母（解脂假丝酵母和热带假丝酵母）在 pH 3.5-5.0 范围内生长良好且不易染菌；高于5时，形态变小，发酵液变黑，发酵过程中容易被细菌污染；pH低于3时，生长受到严重的抑制，细胞极不齐整，且出现细胞自溶的情况。3.2.2影响微生物的形态产黄青霉细胞壁的厚度会随pH的增加而减小；pH低于6时，菌丝长度变短，直径为2-3m；pH大于7时，菌丝直径为2-8 m，膨胀菌丝增多；pH下降后，菌丝又恢复到正常状态。3.2.3pH影响代谢产物的形成的数量和方向 pH不同，往往引起菌体代谢过程不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。如黑曲霉在pH 2-3时发酵产生柠檬酸，在pH近中性时，则产生草酸。谷氨酸发酵在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下则容易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。3.2.4影响产物的稳定性在噻纳霉素的发酵中，pH值在6.7-7.5之间时，抗生素的产量相近，产品稳定性未受影响，半衰期也无变化；当pH大于7.5时，抗生素半衰期缩短，稳定性下降，发酵产量也减少。3.3影响pH变化的因素3.3.1基质代谢发酵过程中的糖代谢、氮代谢以及生理酸碱性物质利用都会改变pH值。（1）糖代谢：糖代谢过程中快速利用的糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖耗尽后，pH又开始回升，这是补料分批发酵中决定补料的重要标志之一。（3）氮代谢：当氨基酸中的氨基（-NH3）被利用后pH会下降；尿素被分解成NH3，pH上升；NH3利用后pH下降；当碳源不足时氮源当碳源利用pH上升。（3）生理酸碱性物质利用：生理酸性物质被利用后pH会上升，碱性物质被利用后pH会下降。3.3.2产物形成 某些产物本身呈酸性或碱性，使发酵液pH变化。如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。3.3.3菌体自溶发酵后期，菌体自溶，pH上升。3.4最适pH的选择及控制3.4.1最适pH的选择微生物发酵的最适pH范围一般是在58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。将发酵培养基调节成不同的出发pH值，进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节pH值，以分别维持出发pH值，或者利用缓冲液来配制培养基来维持，到时观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH值。用同样的方法，可测得产物合成的合适pH值。同一产品的合适pH值，与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。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。3.4.2pH值的控制在发酵过程中，发酵液的pH随着微生物活动而不断变化，为提供菌体适宜的生长或产物积累的pH值，需要对发酵生产过程各阶段的pH值实施控监控，实际生产中，从以下几个方面进行：（1）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；还有基础料中若含有玉米浆，pH呈酸性，必须调节pH。若要控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8（2）在基础料中加入维持pH的物质添加CaCO3：当用NH4+盐作为氮源时，可在培养基中加入CaCO3，用于中和NH4+被吸收后剩余的酸.氨水流加法：氨水可以中和发酵中产生的酸，且NH4+可作为氮源，供给菌体营养.通氨一般是使压缩氨气或工业用氨水(浓度20左右)，采用少量间歇添加或连续自动流加，可避免一次加入过多造成局部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对发酵产生影响，故需避免使用铜制的通氨设备。尿素流加法：味精厂多用，尿素首先被菌体尿酶分解成氨，氨进入发酵液，使pH上升，当NH4+被菌体作为氮源消耗并形成有机酸时，发酵液pH下降，这时随着尿素的补加，氨进入发酵液，又使发酵液pH上升及补充氮源，如此循环，致至发酵液中碳源耗尽，完成发酵。（3）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、当NH2-N低且pH高时补(NH4)2SO4等；当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH。氨基酸发酵常用此法。这种方法既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。也就是说，采用补料的方法，可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH值和培养液的特性(如菌浓等)等几个目的。（4）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；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量等。4溶氧对发酵的影响及其控制4.1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。4.1.1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，如霉菌；进行此类微生物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；典型如乙醇发酵，对Do的控制分两个阶段，初始提供高Do值进行茵体扩大培养，后期严格控制Do进行厌氧发酵。厌氧和微好氧微生物能耐受坏境中的氧，但它们的生长并不需要氧，这些微生物在发酵生产中应用较少。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。4.1.2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。需氧微生物酶的活性对氧有着很强的依赖性。谷氨酸发酵中，高溶氧条件下乳酸脱氢酶(LDH)活性明显比低溶氧条件下的LDH酶活要低，产酸中后期谷氨酸脱氰酶(GDH)的酶活下降很快，这可能是由于在高溶氧条件下，剧烈的通气和搅拌加剧了菌体的死亡速度和发酵活性的衰减。DO值的高低还会改变微生物代谢途径，以致改变发酵环境甚至使目标产物发生偏离。研究表明，L-异亮氨酸的代谢流量与溶氧浓度有密切关系，可以通过控制不同时期的溶氧来改变发酵过程中的代谢流分布，从而改变Ile等氨基酸合成的代谢流量。4.2影响微生物需氧量的因素在需氧微生物发酵过程中影响微生物需氧量的因素很多，除了和菌体本身的遗转特性有关外，培养基、菌龄及细胞浓度、培养液中DO浓度的影响、培养条件、有毒产物的形成及积累、挥发性中间产物的损失等与微生物需氧量也有关系。4.2.1培养基培养基的成分和浓度对产生菌的需氧量的影响是显著的。培养基中碳源的种类和浓度对微生物的需氧量的影响尤其显著。一般来说，碳源在一定范围内，需氧量随碳源浓度的增加而增加。在补料分批发酵过程中，菌种的需氧量随补入的碳源浓度而变化，一般补料后，摄氧率均呈现不同程度的增大。4.2.2菌龄及细胞浓度不同的生产菌种，其需氧量各异。同一菌种的不同生长阶段，其需氧量也不同。般说，菌体处于对数生长阶段的呼吸强度较高，生长阶段的摄氧率大于产物合成期的摄氧率。在分批发酵过程中，摄氧率在对数期后期达到最大值。因此认为培养液的摄氧率达最高时，表明培养液中菌体浓度达到了最大值。4.2.3培养液中溶解氧浓度的影响在发酵过程中，培养液中的DO浓度(CL)高于菌体生长的临界氧浓度(C长临)时，菌体的呼吸就不受影响，菌体的各种代谢活动不受干扰；如果培养液中的CL低于C长临时，菌体的多种生化代谢就要受到影响，严重时会产生不可逆的抑制菌体生长和产物合成的现象。4.2.4培养条件若干实验表明，微生物呼吸强度的临界值除受到培养基组成的影响外，还与培养液的pH、温度等培养条件相关。一般说，温度愈高，营养成分愈丰富，其呼吸强度的临界值也相应增高。4.2.5有毒产物的形成及积累在发酵过程中，有时会产生一些对菌体生长有毒性的如CO2等代谢产物，如不能及时从培养液中排除，势必影响菌体的呼吸，进而影响菌体的代谢活动。4.2.6挥发性中间产物的损失在糖代谢过程中，有时会产生一些挥发性的有机酸，它们随着大量通气而损失，从而影响菌体的呼吸代谢。4.3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。氧的传递方程式为：Nv=KLa（C*CL）（*）其中，Nv为单位体积液体的传氧速率；KLa为以浓度差为推动力的体积溶氧系数；CL为溶液中氧的实际浓度；C*为与气相中氧分压p平衡时溶液中的氧浓度。对DO进行控制的目的是把DO浓度值稳定控制在一定的期望值或范围内。在微生物发酵过程中，DO浓度与其它过程参数的关系极为复杂，受到生物反应器中多种物理，化学和微生物因素的影响和制约。从式子（*）看到，对Do值的控制主要集中在氧的溶解和传递两个方面。4.3.1控制溶氧量(C*-CL)是氧溶解的推动力，与发酵液的温度、氧分压、发酵液的性质等有关。控制溶氧量首要因素是控制氧分压(C*)。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。如啤酒发酵，麦汁充氧和酵母接种阶段，一般要求氧含量达到810PPM；而啤酒发酵阶段，一般啤酒中的含氧量不得超过2PPM。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。实验表明，在发酵基质中添加5正十二烷，可明显地提高发酵介质中的溶氧水平，改善供氧条件，维持溶氧的相对稳定，增加菌体浓度，提高L-天冬酞胺酶发酵水平。4.3.2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。操作变量包括温度、压力，通风量和转速(搅拌功率)等发酵液的理化性质包括发酵液的黏度、表面张力、氧的溶解度、发酵液的组成成分、发酵液的流动状态、发酵类型镣反应器的结构指反应器的类型、反应器各部分尺寸的比例、空气分布器的形式等。当然有些因素是相互关联的。值得注意的是，在培养过程中并不是维持DO越高越好。即使是专性好气菌，过高的Do对生长可能不利。过量的氧形成新生O，超氧化物O2-和过氧化物基O22-，破坏许多细胞组分，进而破坏微生物生长。5.泡沫对发酵的影响及其控制5.1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。泡沫按发酵液性质分为两种类型.一类存在于发酵液的液面上，气相所占比例特别大，并且泡沫与它下面液体之间有明显界线；另一种是出现在粘稠的发酵液中均匀而细的泡沫，比较稳定，其气相所占比例由下而上逐渐增加，气泡与液面没有明显界限，此类泡沫又称为流态型泡沫。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；造成大量逃液，增加染菌机会；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；部分菌丝黏附在罐盖或罐壁上而失去作用，导致产物损失；大量泡沫给后续提取工序带来困难。5.2发酵过程影响泡沫产生的因素5.2.1通气搅拌的强烈程度通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。应先开小通气量，再逐步加大。搅拌转速也如此。也可在基础料中加入消泡剂。5.2.2培养基配比与原料组成培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。如在50L罐中投料10L，成分为淀粉水解糖、豆饼水解液、玉米浆等，搅拌900rpm，通气，泡沫生成量为培养基的2倍。5.2.3菌种、种子质量和接种量菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。菌种生长慢的可以加大接种量 5.2.4灭菌质量培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。5.3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（如少加或缓加易起泡的原料）或改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）或者改变发酵工艺（如采用分次投料）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。5.3.1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；缺点是需要一定的设备和消耗一定的动力，不能从根本上消除引起泡沫温定的因素。机械消沫又可分为罐内和罐外消沫两种。罐内消沫法靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。常用方式有耙式消泡浆的机械消泡、旋转圆板式的机械消泡、流体吹入式消泡、气体吹入管内吸引消泡、冲击反射板消泡、超声波消泡、碟片式消泡器的机械消泡等；罐外消沫是将泡沫引出罐外，通过喷嘴加速作用或利用离心力消除泡沫后，液体再返回主罐内。有旋转叶片罐外消泡、喷雾消泡、离心力消泡、旋风分离器消泡、转向板消泡等方式。5.3.2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。工业常用消沫剂主要有天然油脂类，高碳醇、脂肪酸和酯类，聚醚类，硅酮类(聚硅油类)等，使用最多的是天然油脂和聚醚类。消泡剂多数是溶解度较小、分散较差的高分子化合物，在使用时要设法降低其粘度、提高其分散性，即所谓消沫剂增效作用。常用的方法有：（1）加载体增效。用“惰性载体”(如矿物油、植物油等)使消泡剂溶解分散，达到增效的目的。（2）消沫剂并用增效。利用各种消沫剂优点进行互补，达到增效。（3）乳化增效。用乳化剂(或分散剂)将消沫剂制成乳剂，以提高其分散能力，增强消沫能力。6菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制6.1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，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多，则会使菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。另外，CO2对菌体生长和产物形成也有较大影响。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。反过来，CO2浓度的大小又受到菌体的呼吸强度、发酵液的流变性、通气搅拌程度、外界压力大小和设备规模等多种因素的影响。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。6.2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。6.2.1碳源对发酵的影响及控制（1）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。（2）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。在工业上，发酵培养基中常采用含迅速和缓慢利用的混合碳源。6.2.2氮源对发酵的影响及控制（1）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。（2）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。发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源，还要在发酵过程中补加氮源来控制浓度。补加有机氮源，如酵母汁、玉米浆、尿素；补加无机氮源，如氨水或硫酸铵。6.2.3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0.32300mmol/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。磷酸盐浓度的控制，一般是在基础培养基中采用适当的浓度。7.发酵时间对发酵的影响及其控制随着微生物发酵的进行，发酵培养基营养的不断消耗，微生物发酵产物随着营养的消耗从产生到增加到一个最大值。随着菌体细胞趋向衰老自溶，到后期，产物生产能力相应地减慢或停止，甚至下跌。因此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。7.1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，须要考虑经济因素，也就是，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，须要从经济学观点确定一个合理时间。7.2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，势必有过多的尚未代谢的营养物质（如可溶性蛋白质、脂肪等）残留在发酵液中。这些物质对后处理的溶媒萃取或树脂交换等工序都不利，因为可溶性蛋白质易于在萃取中产生乳化，也影响树脂交换容量；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，又会显著改变发酵液的性质，增加过滤工序的难度，这不仅使过滤时间延长，甚至使一些不稳定的产物的质量下降，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。7.3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。总之，合理的放罐时间是由试验来确定的，根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产力和产品成本，采用生产力高而成本又低的发酵时间作为放罐时间。在实际操作中常通过检测发酵液中产物的浓度、残糖浓度、残氮浓度、残磷浓度等判断微生物发酵终点。8.小结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。因为微生物个体极微小，肉眼无法看见，要了解它的代谢状况，只能从分析一些参数来判断，所以说发酵过程工艺分是生产控制的眼睛。在发酵过程中，要得到优质的发酵产品和较低的生产成本，有一个好的菌种是远远不够的，还需要有一个配合菌种生长的最佳条件，使菌种的潜能发挥出来。发酵过程工艺控制的目的就是通过分析和控制影响发酵的各种参数，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。参考文献：1.蒋新龙.发酵工程.杭州：浙江大学出版社，2011.2.盛贻林.微生物发酵制药技术.北京：中国农业大学出版社，2008.8.3.张嗣良,李凡超等.发酵过程中PH及溶解氧的测量与控制.上海：华东化工学院出版社，1992.4.陈坚,李寅等.发酵过程优化原理与实践.北京：化学工业出版社，2002.5.张星元.发酵原理.北京：科学出版社，2005.3.6.吴思方.发酵工厂工艺设计概论.北京：中国轻工业出版社，1995.7.刘冬,张学仁等.发酵工程.北京：高等教育出版社，2007.4.8.何建勇.发酵工艺学.北京：中国医药科技出版社，2009.9.燕平梅. 微生物发酵技术.北京：中国农业科学技术出版社，2010.