发酵工艺过程控制

一、发酵工艺过程控制的重要性

从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化（培养基和培养条件）和产物形成速率这三者之间的关系。

二、发酵过程的代谢变化规律

这里介绍分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征。

1、分批发酵

指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式。即一次性投料，一次性收获产品的发酵方式。

在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系，将微生物产物形成动力学分为

1）生长关联型

产物的生成速率与菌体生长速率成正比。这种产物通常是微生物分解基质的直接产物，如酒精，但也有某些酶类，如脂肪酶和葡萄糖异构酶

对于生长关联型产品，可采用有利于细胞生长的培养条件，延长与产物合成有关的对数生长期。

2）非生长关联型

产物的生成速率与菌体生长速率成无关，而与菌体量的多少有关。

对于非生长关联型产品，则宜缩短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后，延长稳定期，从而提高产量。

2、补料-分批发酵

是指分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。

与传统的分批发酵相比，优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。低基质浓度的优点：

1）可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；

2）克服养分的不足，避免发酵过早结束。

３、半连续发酵

是指在补料－分批发酵的基础上，间歇地放掉部分发酵液的培养方法。

优点：

1）可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；

2）克服养分的不足，避免发酵过早结束；

3）缓解有害代谢产物的积累。

４、连续发酵

又称连续流动培养或开放型培养，即培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的发酵液的培养方法。在这样的环境中培养，所提供的基质对菌的生长就受到限制，培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态。

与传统的分批发酵相比，连续培养有以下优点：

1）维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不至于加剧供氧的矛盾；

2）避免培养基积累有毒代谢物；

3）可以提高设备利用率和单位时间的产量，节省发酵罐的非生产时间；

4）便于自动控制。

但连续培养也有缺点：

1）长时间的连续培养难以保证纯种培养；

2）菌种发生变异的可能性较大。

故在工业规模上很少采用。生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵、纸浆液生产饲料酵母、以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺，此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性。

三、发酵过程的主要控制参数

pH值（酸碱度）；温度（℃）；溶解氧浓度；基质含量；空气流量；压力；搅拌转速；搅拌功率；粘度；浊度；料液流量；产物浓度；氧化还原电位；废气中的氧含量；废气中的portant;">CO2含量；菌丝形态；菌体浓度。

温度对发酵的影响及其控制

一、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。它们的适生长温度一般在portant;">20～portant;">40℃。

温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。

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。

二、影响发酵温度变化的因素

产热因素：生物热、搅拌热

散热因素：蒸发热、辐射热、显热

发酵热是发酵温度变化的主要因素。

Q发酵＝portant;">Q生物＋portant;">Q搅拌－portant;">Q蒸发－portant;">Q辐射－portant;">Q显

为了使发酵能在一定温度下进行，要设法进行控制。

由于portant;">Q生物、portant;">Q蒸发和portant;">Q显，特别是portant;">Q生物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。

三、温度的控制

1、适温度的选择

在生长阶段，应选择适生长温度；

在产物分泌阶段，应选择适生产温度。

发酵温度可根据不同菌种、不同产品进行选择。

2、温度的控制

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（特别是我国南方的夏季气温），冷却水的温度又高，致使冷却效果很差，达不到预定的温度，就可采用冷冻盐水进行循环式降温，以迅速降到适温度。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。