微生物发酵工艺及其控制简述

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ｐＨ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ｐＨ，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、ｐＨ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