論發酵中間控制對發酵工業設計的重要性

　　微生物工業是利用微生物的生長代謝活動生產各種有用物質的現代工業，由于它以培養微生物為主，習慣上稱為發酵工業。在發酵工業上，發酵體系是一個非常復雜的多相共存的動態系統，要實施有效優化的發酵中間控制，必須采用各種監測手段獲得發酵過程中各種參數隨時間的變化。常規的發酵工藝控制參數主要有溫度、PH、溶氧、泡沫、補料。

　　一、溫度控制

　　溫度是保證各種酶活性的重要條件，微生物的生長和產物合成均需在其各自適合的溫度下進行。

　　1、影響發酵溫度的因素。在發酵過程中，引起溫度變化的原因是由于發酵過程中所產生的凈熱量，稱為發酵熱，它包括生物熱、攪拌熱、蒸發熱、通氣熱、輻射熱和顯熱等。由于生物熱、蒸發熱、顯熱在發酵過程中隨時間而變化，因此發酵熱在整個發酵過程中也隨時間而變化，必須加以控制，才能滿足微生物生長代謝的需要，從而達到高效生產的目的。

　　2、溫度對微生物生長的影響。溫度對微生物的影響，不僅表現在對菌體表面的作用，而且對菌體內部的結構物質也會產生影響。溫度對微生物生長的影響是多方面的，每種微生物都有其最低、最適和最高生長溫度。

　　3、最適溫度的控制。不同的菌種、不同的培養條件以及不同的生長階段，最適溫度都有所不同。為了使微生物的生長速度最快和代謝產物的產率最高，在發酵過程中必須根據菌種的特性，選擇和控制最合適的溫度。如青霉素產生菌的最適生長溫度是30℃，而最適于青霉素合成的溫度是25℃。

　　二、pH控制

　　不同種類的微生物其生長的最適pH值有所不同，而同種微生物在生長階段和產物合成階段的最適pH值也有所不同，pH值不僅影響著微生物的生長，也影響著代謝產物的形成。大多數細菌的最適生長pH為6.5～7.5，真菌為5.0～6.0，放線菌為6.5～8.0。青霉菌的最適生長pH為6.5～7.2，而青霉素合成的最適pH為6.2～6.8。

　　酵母菌在最適生長pH(4.5～5.0)時，發酵產物主要是酒精;而在pH為8.0時，發酵產物不僅有酒精，還有醋酸和甘油。所以，在發酵過程中，應根據不同微生物的特性，控制適當的pH。

　　三、溶氧控制

　　發酵過程中，微生物只能利用溶解于發酵液中的氧，因此，溶解氧的量直接關系到微生物的生長和代謝產物的積累。發酵過程中，應將發酵液中氧的濃度維持在氧的臨界濃度以上，并要采用有效而又經濟的方法(如攪拌)使發酵液維持這樣的溶解氧濃度。如在普魯蘭多糖發酵過程中攪拌速度300r/min時,細胞生物量最大。原因是隨著攪拌速度的增高,培養基的溶氧量會增加, 有助于細胞生長和多糖量的產生;但過高的攪拌速度對細胞和酶的穩定性是不利的。[1]

　　四、泡沫控制

　　在通氣發酵過程中，發酵液常含有一定數量的泡沫，這屬于正常現象，但泡沫過多會給發酵帶來不利影響。發酵工業上消除泡沫的方法有兩大類：機械消泡和化學消泡劑消泡。機械消泡借助機械攪拌促使氣泡破裂消除泡沫，不需加入外源物質，可節省原材料，減少因加入消泡劑而引起的污染及泡沫，但不能從根本上消除泡沫的形成。化學消泡使用化學消泡劑消除泡沫，用量少，消泡效果好，但使用過量會改變細胞的結構形態，影響微生物生理、產物合成等。因此，宜使用機械方法與化學方法聯合控制泡沫。試驗表明，在啤酒工業中結合機械方法使用消泡劑“FOAMSOL”可行且可推廣。[2]

　　五、補料控制

　　所謂補料，是指在發酵過程中補充某些養料以維持微生物的生理代謝活動與合成的需要。補料中間控制的明顯效果是維持較高的產物增長幅度和增加發酵的總體積，從而使產量大幅度上升。如在以混合糖為發酵底物制取乙醇過程中,采用分批補料可消除由于底物濃度過高對微生物發酵所產生的抑制作用,提高產率。其原理是基于底物碳源和氮源的添加速度等于微生物的消耗速度,維持底物濃度在一個較低的水平。底物添加速度較低,酵母因不能獲得足夠的碳源和氮源而逐漸死亡;底物添加速度過快,酵母來不及利用底物而使體系中底物不斷積累,會抑制乙醇的生成——都會使產率下降。[3]

　　總之，在發酵工業中，發酵中間控制非常重要，控制不當，會導致產量下降，甚至目標產物不能合成。掌握發酵過程中各種參數隨時間的變化情況有助于發酵中間控制，達到工業生產的目的。