影響發酵過程的因素分析

  發酵過程中，為了能對生產過程進行必要的控制，需要對有關工藝參數進行定期取樣測定或進行連續測量。

       反映發酵過程變化的參數可以分為兩類：一類是可以直接采用特定的傳感器檢測的參數。它們包括反映物理環境和化學環境變化的參數，如溫度、壓力、攪拌功率、轉速、泡沫、發酵液粘度、濁度、pH、離子濃度、溶解氧、基質濃度等，稱為直接參數。另一類是至今尚難于用傳感器來檢測的參數，包括細胞生長速率、產物合成速率和呼吸嫡等。這些參數需要根據一些直接檢測出來的參數，借助于電腦計算和特定的數學模型才能得到。因此這類參數被稱為間接參數。上述參數中，對發酵過程影響較大的有溫度、pH、溶解氧濃度等。

1、溫度

      溫度對發酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應的速率，改變菌體代謝產物的合成方向，影響微生物的代謝調控機制。除這些直接影響外，溫度還對發酵液的理化性質產生影響，如發酵液的粘度、基質和氧在發酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質的分解和吸收速率等，進而影響發酵的動力學特性和產物的生物合成。
   

       zui適發酵溫度是既適合菌體的生長，又適合代謝產物合成的溫度，它隨菌種、培養基成分、培養條件和菌體生長階段不同而改變。理論上，整個發酵過程中不應只選一個培養溫度，而應根據發酵的不同階段，選擇不同的培養溫度。在生長階段，應選擇zui適生長溫度，在產物分泌階段，應選擇zui適生產溫度。但實際生產中，由于發酵液的體積很大，升降溫度都比較困難，所以在整個發酵過程中，往往采用一個比較適合的培養溫度，使得到的產物產量zui高，或者在可能的條件下進行適當的調整。發酵溫度可通過溫度計或自動記錄儀表進行檢測，通過向發酵罐的夾套或蛇形管中通人冷水、熱水或蒸汽進行調節。工業生產上，所用的大發酵罐在發酵過程中一般不需要加熱，因發酵中釋放了大量的發酵熱，在這種情況下通常還需要加以冷卻，利用自動控制或手動調整的閥門，將冷卻水通人夾套或蛇形管中，通過熱交換來降溫，保持恒溫發酵。

2、pH值

    pH值對微生物的生長繁殖和產物合成的影響有以下幾個方面：
(1) 影響酶的活性，當pH值抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝；
(2) 影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養物質的吸收及代謝產物的排泄；
(3) 影響培養基中某些組分和中間代謝產物的離解，從而影響微生物對這些物質的利用；
(4) pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產物的質量和比例發生改變。
     另外，pH值還會影響某些霉菌的形態。
     發酵過程中，pH值的變化取決于所用的菌種、培養基的成分和培養條件。培養基中的營養物質的代謝，是引起pH值變化的重要原因，發酵液的pH值變化乃是菌體產酸和產堿的代謝反應的綜合結果。每一類微生物都有其zui適的和能耐受的pH值范圍，大多數細菌生長的zui適pH值為6.3~7.5，霉菌和酵母菌為3~6，放線菌為7~８。而且微生物生長階段和產物合成階段的zui適pH值往往不一樣，需要根據實驗結果來確定。

      為了確保發酵的順利進行，必須使其各個階段經常處于zui適pH值范圍之內，這就需要在發酵過程中不斷地調節和控制pH值的變化。首先需要考慮和試驗發酵培養基的基礎配方，使它們有個適當的配比，使發酵過程中的pH值變化在合適的范圍內。如果達不到要求，還可在發酵過程中補加酸或堿。過去是直接加人酸（如H2SO4）或堿（如NaOH）來控制，現在常用的是以生理酸性物質(NH) 4SO4和生理堿性物質氨水來控制，它們不僅可以調節pH值，還可以補充氮源。當發酵液的pH值和氨氮含量都偏低時，補加氨水，就可達到調節pH和補充氨氮的目的；反之，pH值較高，氨氮含量又低時，就補加(NH)4SO4。此外，用補料的方式來調節pH值也比較有效。這種方法，既可以達到穩定pH值的目的，又可以不斷補充營養物質。zui成功的例子就是青霉素發酵的補料工藝，利用控制葡萄糖的補加速率來控制pH值的變化，其青霉素產量比用恒定的加糖速率和加酸或堿來控制pH值的產量高25％。目前已試制成功適合于發酵過程監測pH值的電極，能連續測定并記錄pH值的變化，將信號輸人pH值控制器來指令加糖、加酸或加堿，使發酵液的pH值控制在預定的數值。

3、溶解氧濃度

       對于好氧發酵，溶解氧濃度是zui重要的參數之一。微生物深層培養時，需要適量的溶解氧以維持其呼吸代謝和某些產物的合成，氧的不足會造成代謝異常，產量降低。微生物發酵的zui適氧濃度與臨界氧濃度是不同的。前者是指溶解氧濃度對生長或合成有一zui適的濃度范圍，后者一般指不影響菌體呼吸所允許的zui低氧濃度。為了避免生物合成處在氧限制的條件下，需要考察每一發酵過程的臨界氧濃度和zui適氧濃度，并使其保持在zui適氧濃度范圍。
 

      現在已可采用復膜氧電極來檢測發酵液中的溶解氧濃度。要維持一定的溶氧水平，需從供氧和需氧兩方面著手。在供氧方面，主要是設法提高氧傳遞的推動力和氧傳遞系數，可以通過調節攪拌轉速或通氣速率來控制。同時要有適當的工藝條件來控制需氧量，使菌體的生長和產物形成對氧的需求量不超過設備的供氧能力。已知發酵液的需氧量，受菌體濃度、基質的種類和濃度以及培養條件等因素的影響，其中以菌濃的影響zui為明顯。發酵液的攝氧率隨菌濃增大而增大，但氧的傳遞速率隨菌濃的對數關系減少。因此可以控制菌的比生長速率比臨界值略高一點，達到zui適菌體濃度。這樣既能保證產物的比生產速率維持在zui大值，又不會使需氧大于供氧。這可以通過控制基質的濃度來實現，如控制補糖速率。除控制補料速度外，在工業上，還可采用調節溫度（降低培養溫度可提高溶氧濃度）。液化培養基、中間補水。添加表面活性劑等工藝措施，來改善溶氧水平。 
   

      發酵過程中各參數的控制很重要，目前發酵工藝控制的方向是轉向自動化控制，因而希望能開發出更多更有效的傳感器用于過程參數的檢測。此外，對于發酵終點的判斷也同樣重要。生產不能只單純追求高生產力，而不顧及產品的成本，必須把二者結合起來。合理的放罐時間是由實驗來確定的，就是根據不同的發酵時間所得的產物產量計算出發酵罐的生產力和產品成本，采用生產力高而成本又低的時間，作為放罐時間。確定放罐的指標有：產物的產量、過濾速度。氨基氮的含量、菌絲形態、pH值。發酵液的外觀和粘度等。發酵終點的確定，需要綜合考慮這些因素。