微生物发酵过程优化控制技术进展

微生物发酵过程优化控制技术进展

摘要发酵工程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。在发酵工程领域，为了提高发酵水平和生产率，更多的研究工作集中在菌种的筛选和改造上。随着生物科学技术的发展，基因工程与代谢工程研究领域都出现了长足的进步与发展，利用基因重组与诱发等技术可以实现高产菌株普遍生产。但只有通过发酵过程的优化控制，才能实现产品质量最高、生产力最大、成本消耗最低的生产过程，因此对微生物发酵过程的优化控制成为发酵工程中研究人员日益关注的焦点。

关键词微生物发酵；影响因素；优化控制技术

1 培养基对发酵的影响

1.1 发酵培养基碳源和氮源的选择

碳源用于提供微生物能量来源、构建细胞以及形成产物。碳源包括单糖、双糖、多糖、天然复合物、油脂等，比如葡萄糖、蔗糖、淀粉以及豆油等。氮源是微生物蛋白质和其他含氮有机物的重要来源，与此同时，氮源也参与形成含氮产物。氮源包括无机氮源以及有机氮源，比如氨盐、硝酸盐、蛋白胨以及豆粉等。

1.2 发酵培养基中无机盐对发酵的影响

无机盐对代谢产物的生成及微生物的正常生长都具有相当重要的影响。在微生物的生长代谢过程中，磷参与了微生物细胞中核酸等辅酶的构成，是微生物能量代谢、生长的重要因素之一。在苏云金芽泡杆菌的发酵产物苏云金素的分子结构中包含磷酸根，所以在其发酵培养基中添加更多磷酸盐，更有利于产物苏云金素的合成。钙离子在微生物发酵过程中的主要作用是调节细胞的生理状态，比如说维持细胞的胶体状态、降低细胞膜的通透性等。与此同时，在大多数发酵培养基里面，添加适量的CaCO3，能够对发酵液含菌量的变化起到相当明显的影响，其主要原因是CaCO3的添加对发酵液的pH具有非常良好的缓冲作用，从而大大改善了菌体的生长环境。镁元素是许多酶的催化剂。锰、锌、铁、钼以及钴等元素是微生物所需要的微量元素[1]。

2 培养条件对发酵的影响

2.1 种子质量对发酵的影响

在发酵培养基中接入合适的接种量以及种龄适宜的优质种子液，能够使目标微生物更加迅速地进入到对数生长期，从而使发酵周期大大地减短，进而促使产物质量得以有效提升。如果种龄过长则会直接导致菌体过早的发生衰退，菌体的生产能力也随之而有一定程度的下降；如果种龄过短，则会直接导致菌体生长缓慢，产物合成时间大大推迟。若接种量过小，那么便会使得菌体细胞的生长量变

小，从而使得对数生长期的时间、发酵时间有所延长，进而对一些酶及产物的生成造成极为不利的影响；如果接种量过大，那么便会直接加快微生物培养基的消耗速度，促使菌体生长过快，进而使得菌体提前进入到稳定期与衰亡期，对产物的合成造成极大的负面影响。

2.2 温度对发酵的影响

温度是保证酶活性的重要条件之一。过高的温度环境会对微生物细胞内的酶活性造成一定程度的破坏，严重地抑制微生物的正常生长，并且微生物细胞内的蛋白质在过高的温度环境下极易发生凝固或者变性，最终造成细胞死亡；而过低的温度环境也会对微生物的生长造成较大程度的抑制作用，故在发酵过程中必须保证最为适宜的温度环境。

2.3 pH值对发酵的影响

最适pH在很大程度上会直接影响到不同种类微生物生长以及产物的合成。pH对微生物的影响主要是影响各种酶的生命活力，进而使得微生物的新陈代谢与生长繁殖发生较大的改变；除此之外，pH对营养物质的利用以及细胞结构也有相当重要的影响。pH会显著地影响培养基中的营养物以及中间代谢产物的解离，进而使微生物对这些物质的利用与吸收发生一定的改变。

2.4 溶氧对发酵的影响

溶氧对次生代谢产物的合成途径影响显著，而且还会对代谢的合成速度造成一定程度的影响。如果氧不足，那么便会造成微生物对营养物质的有氧氧化过程不能彻底地进行，从而影响发酵液pH，产生有毒物质，与此同时，还会影响产物合成所需的前体物质的积累，进而影响菌体的生长以及产物的生成。在微生物发酵的过程中，通过调节通气量、搅拌速率、罐压可以有效控制和保证氧的供给。摇瓶发酵可以采取降低装液量、增加转速来有效地增加溶氧量。

3 微生物发酵过程的优化控制策略

3.1 基于线性化近似的经典优化控制

基于“极大值原理”经典的优化控制方法在早期发酵过程优化控制中应用较为广泛。在发酵过程状态空间描述中利用极大值原理以及迭代法可以实现发酵的最优实施效果。极大值原理方法适用于比较复杂的发酵过程控制对象，但极大值原理只能得到开环控制，当发酵过程中的计算量较大时，仅能对少数过程制定出优化曲线，忽视了环境因素对系统的干扰。相关研究人员后来将极大值原方法融入理变量方法，得到最佳的变量优化曲线，控制效果较好，但是还没有达到理想的实验精度与简便性；发酵过程的建模质量对经典优化控制的发展产生了很大程度的影响。

3.2 基于非线性系统理论的优化控制

20世纪60年代微分几何方法的提出使非线性系统理论的研究进入了一个新阶段，基于非线性优化控制器的设计稳定性，它在发酵领域的应用日趋广泛与普及。相关研究人员建立了非线性发酵空间模型，利用微分方法设计出来的控制器在发酵过程中展现出优良的控制效应，实现了非线性系统与线性系统的转换，对控制器的结构进行了优化，提高了发酵控制过程的动态性。

3.3 基于人工智能技术的优化控制

利用计算机科学技术结合人工智能理论对发酵过程进行优化控制成为近几年的发酵过程研究的热点，人工智能技术能突破很多复杂的系统问题，主要包括专家控制、神经网络控制等。利用智能方法对发酵过程进行优化控制，在研究与仿真中呈现出优良的效果。研究人员建立了基于乙醇生产的专家系统，实现了乙醇发酵过程的发酵单元的检测，系统的误差非常小，系统的稳定性也得到了提高。

4 结束语

总而言之，微生物发酵工程是一个复杂、技术要求高的反应过程，与我们日常生活息息相关。在微生物发酵过程中，会受多种因素影响，進而影响到产品的质量及使用率，无法发挥产品的最大作用。

参考文献

[1] 陆文清.发酵饲料生产与应用技术[M].北京：中国轻工业出版社，2011：59.