發(fā)酵工藝的控制

     發(fā)酵過程中，為了能對生產(chǎn)過程進(jìn)行必要的控制，需要對有關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行定期取樣測定或進(jìn)行連續(xù)測量。

     反映發(fā)酵過程變化的參數(shù)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(shù)。它們包括反映物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境變化的參數(shù)，如溫度、壓力、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、泡沫、發(fā)酵液粘度、濁度、pH、離子濃度、溶解氧、基質(zhì)濃度等，稱為直接參數(shù)。另一類是至今尚難于用傳感器來檢測的參數(shù)，包括細(xì)胞生長速率、產(chǎn)物合成速率和呼吸嫡等。這些參數(shù)需要根據(jù)一些直接檢測出來的參數(shù)，借助于電腦計(jì)算和特定的數(shù)學(xué)模型才能得到。因此這類參數(shù)被稱為間接參數(shù)。上述參數(shù)中，對發(fā)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(fā)酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制。除這些直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的粘度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解和吸收速率等，進(jìn)而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。
   

     最適發(fā)酵溫度是既適合菌體的生長，又適合代謝產(chǎn)物合成的溫度，它隨菌種、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件和菌體生長階段不同而改變。理論上，整個(gè)發(fā)酵過程中不應(yīng)只選一個(gè)培養(yǎng)溫度，而應(yīng)根據(jù)發(fā)酵的不同階段，選擇不同的培養(yǎng)溫度。在生長階段，應(yīng)選擇最適生長溫度，在產(chǎn)物分泌階段，應(yīng)選擇最適生產(chǎn)溫度。但實(shí)際生產(chǎn)中，由于發(fā)酵液的體積很大，升降溫度都比較困難，所以在整個(gè)發(fā)酵過程中，往往采用一個(gè)比較適合的培養(yǎng)溫度，使得到的產(chǎn)物產(chǎn)量最高，或者在可能的條件下進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。發(fā)酵溫度可通過溫度計(jì)或自動記錄儀表進(jìn)行檢測，通過向發(fā)酵罐的夾套或蛇形管中通人冷水、熱水或蒸汽進(jìn)行調(diào)節(jié)。工業(yè)生產(chǎn)上，所用的大發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的發(fā)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(diào)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(fā)酵。

2、pH值

    pＨ值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響有以下幾個(gè)方面：
①影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時(shí)，會阻礙菌體的新陳代謝；
②影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄；
③影響培養(yǎng)基中某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用；
④PＨ值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。
    另外，pH值還會影響某些霉菌的形態(tài)。
    發(fā)酵過程中，pH值的變化取決于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)的代謝，是引起pＨ值變化的重要原因，發(fā)酵液的pH值變化乃是菌體產(chǎn)酸和產(chǎn)堿的代謝反應(yīng)的綜合結(jié)果。每一類微生物都有其最適的和能耐受的pH值范圍，大多數(shù)細(xì)菌生長的最適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(chǎn)物合成階段的最適pH值往往不一樣，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定。

     為了確保發(fā)酵的順利進(jìn)行，必須使其各個(gè)階段經(jīng)常處于最適pH值范圍之內(nèi)，這就需要在發(fā)酵過程中不斷地調(diào)節(jié)和控制pH值的變化。首先需要考慮和試驗(yàn)發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使它們有個(gè)適當(dāng)?shù)呐浔�，使發(fā)酵過程中的pH值變化在合適的范圍內(nèi)。如果達(dá)不到要求，還可在發(fā)酵過程中補(bǔ)加酸或堿。過去是直接加人酸（如H₂SO4）或堿（如 NaOH）來控制，現(xiàn)在常用的是以生理酸性物質(zhì)(NH) ₄SO₄和生理堿性物質(zhì)氨水來控制，它們不僅可以調(diào)節(jié)pH值，還可以補(bǔ)充氮源。當(dāng)發(fā)酵液的pH值和氨氮含量都偏低時(shí)，補(bǔ)加氨水，就可達(dá)到調(diào)節(jié)pH和補(bǔ)充氨氮的目的；反之，pH值較高，氨氮含量又低時(shí)，就補(bǔ)加(NH) ₄SO₄。此外，用補(bǔ)料的方式來調(diào)節(jié)pH值也比較有效。這種方法，既可以達(dá)到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)。最成功的例子就是青霉素發(fā)酵的補(bǔ)料工藝，利用控制葡萄糖的補(bǔ)加速率來控制pH值的變化，其青霉素產(chǎn)量比用恒定的加糖速率和加酸或堿來控制pH值的產(chǎn)量高２５％。目前已試制成功適合于發(fā)酵過程監(jiān)測pH值的電極，能連續(xù)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(fā)酵液的pH值控制在預(yù)定的數(shù)值。