【導(dǎo)讀】目前工業(yè)規(guī)模的發(fā)酵罐容積已達(dá)到幾十立方米或幾百立方米。如按百分之十左右的種子量計(jì)算，要從保藏在試管中的微生物菌種逐級(jí)擴(kuò)大為生產(chǎn)用種。子是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)室制備到車間生產(chǎn)的過程。其生產(chǎn)方法與條件隨不同的生產(chǎn)品種和菌種種類而。如細(xì)菌、酵母菌、放線菌或霉菌生長(zhǎng)的快慢；產(chǎn)孢子能力的大小；及對(duì)營(yíng)養(yǎng)、溫度、需氧。等條件的要求均有所不同。因此，種子擴(kuò)大培養(yǎng)應(yīng)根據(jù)菌種的生理特性，選擇合適的培養(yǎng)條件。這種種子接入發(fā)酵罐后，將使發(fā)酵生產(chǎn)周期縮短，設(shè)備利。種子液質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)起著關(guān)鍵性的作用?；?，在經(jīng)過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)放大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過程。培養(yǎng)物稱為種子。菌種細(xì)胞的生長(zhǎng)活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵罐后能迅速生長(zhǎng)，遲緩期短；細(xì)菌的斜面培養(yǎng)基多采用碳源限量而氮源豐富的配方。培養(yǎng)2-3天后，再擴(kuò)大至含有250-500ml麥芽汁的500-1000ml三角瓶中，再于25℃培養(yǎng)2天后，大的地區(qū)，斜面孢子長(zhǎng)得慢，主要由于試管下部冷凝水多而不利于孢子的形成。

　　

【正文】 霉菌發(fā)酵過程中液體性質(zhì)和泡沫的關(guān)系 7，發(fā)酵過程泡沫控制的方 法 （ 1）物理消沫法 原理：靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動(dòng)或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收。 方法：罐內(nèi)消沫法；罐外消沫法。 優(yōu)點(diǎn)：不需要引進(jìn)外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機(jī)會(huì) 缺點(diǎn)：不能從根本眾消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。 （ 2）化學(xué)消沫法 機(jī)理： 當(dāng)泡沫的表層存在著由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時(shí)，可以加入另一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)曲或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與發(fā)泡劑爭(zhēng)奪液 膜上的空間，降低液膜強(qiáng)度，使泡沫破裂。 當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時(shí)，可以加入某 些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導(dǎo)致泡沫破裂。 選擇消泡劑的依據(jù) ?對(duì)發(fā)酵過程無毒，對(duì)人、畜無害和不影響酶的生物合成。 ?消泡作用迅速，效果高和持久性能好 ?能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，在滅菌溫庫(kù)下對(duì)設(shè)備無腐蝕性或不形成腐蝕性產(chǎn)物。 ?不影響以后的提取過程。 ?消沫劑的來源多，價(jià)格低，添加裝置簡(jiǎn)單。 ?不干擾分析系統(tǒng)，如溶解氧、 pH 測(cè)定儀的探頭。 ?最好還能做到不影響氧的傳遞。 消泡劑的種類和性能 ?天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、魚油及豬油等。 ?聚醚類：在生 產(chǎn)上應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油 (又稱泡敵 )。 ?高級(jí)醇類 十八醇是較常用的一種，可以單獨(dú)或與載體 —起使用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，它與冷榨豬油一起控制青男素發(fā)酵的泡沫，效果較好。聚二酵具有消沫效果持久的特點(diǎn)，尤其適用于霉菌發(fā)酵。 ?硅酮類 硅酮類消沫劑主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。 選擇消泡劑的依據(jù) ?對(duì)發(fā)酵過程無毒，對(duì)人、畜無害和不影響酶的生物合成。 ?消泡作用迅速，效果高和持久性能好 ?能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，在滅菌溫庫(kù)下對(duì)設(shè)備無腐蝕性或不形成腐蝕性產(chǎn)物。 ?不影響以后的提取過程。 ?消沫劑的 來源多，價(jià)格低，添加裝置簡(jiǎn)單。 ?不干擾分析系統(tǒng)，如溶解氧、 pH 測(cè)定儀的探頭。 ?最好還能做到不影響氧的傳遞。 六、補(bǔ)料控制 1，基質(zhì)濃度對(duì)發(fā)酵的影響 2，補(bǔ)料控制目的 在發(fā)酵過程中采用不料控制的工藝主要是為解決以下問題： （ 1）解除基質(zhì)過濃的抑制； （ 2）解除產(chǎn)物的反饋抑制； （ 3）解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng)。 補(bǔ)料的內(nèi)容 采用補(bǔ)料控制工藝，可補(bǔ)加的物料包括以下幾類： （ 1）補(bǔ)充微生物能源和碳源的需要； （ 2）補(bǔ)充菌體所需要的氮源； （ 3）補(bǔ)充微量元素或無機(jī)鹽。 補(bǔ)料的原則 在補(bǔ)料過程要遵循以下原則 （ 1）控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。 （ 2）為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在中間補(bǔ)料控制時(shí)，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)和補(bǔ)料速率。 補(bǔ)料控制的策略 在發(fā)酵過程中，大多數(shù)補(bǔ)料分批發(fā)酵均補(bǔ)加生長(zhǎng)限制性基質(zhì)，其策略如下： （ 1）以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)控制流加； （ 2）以 pH、尾氣、溶氧、產(chǎn)物濃度等參數(shù)間接控制流加； （ 3）以物料平衡方程，通過傳感器在線測(cè)定的一些參數(shù)計(jì)算限制性基質(zhì)的濃度，間接控制流加； （ 4）用傳感器直接測(cè)定限制性基質(zhì)的濃度，直接控制 流加。 補(bǔ)料控制參數(shù)的選擇 為了有效地進(jìn)行中間補(bǔ)料，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)與微生物代謝、菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。采用最優(yōu)的補(bǔ)科程序也是依賴于比生長(zhǎng)曲線形SK KcSK SbSKa i iSS ????? m a xm a xm a x ?????? ：；：；：態(tài)、產(chǎn)物生成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。因此，欲建立分批補(bǔ)料培養(yǎng)的數(shù)學(xué)模型及選擇最佳控制程序都必須充分了解微生物在發(fā)酵過程中的代謝規(guī)律及對(duì)環(huán)境條件的要求。 例如，在谷氨酸發(fā)酵過程中的某階段，生產(chǎn)菌的攝氧率和基質(zhì)消耗速率之間存在著線性關(guān)系。根據(jù)這種關(guān)系，補(bǔ)料的聯(lián)機(jī)控制可通過攝氧率來執(zhí)行?？蓪⒀a(bǔ)科速率控制在與基質(zhì)消耗速 率相等的狀態(tài)。測(cè)出分批加糖過程中排氣中氧濃度，計(jì)算攝氧率 (OUR)，其與糖耗速率 (QsX)，之間的線性關(guān)系式如下： 利用 K 值和攝氧率可間接估算糖耗。從理論上按上式計(jì)算可得 K 值似應(yīng)為 。根據(jù)攝氧率與糖耗速率之間的線性關(guān)系制定的加糖模型在加糖時(shí)發(fā)現(xiàn)，最佳 K 值應(yīng)為 。在 30L發(fā)酵罐中進(jìn)行了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)分批加糖方法的比較研究；其結(jié)果見下表。實(shí)驗(yàn)證明，以估算糖耗為基礎(chǔ)的連續(xù)加糖法可縮短發(fā)酵周期，而且最終谷氨酸濃度和轉(zhuǎn)化率比分批加糖法高。 連續(xù)補(bǔ)料和分批補(bǔ)料發(fā)酵的比較 補(bǔ) 料速率的確定 優(yōu)化補(bǔ)料速率也是補(bǔ)料控制中十分重要的一環(huán)，因?yàn)轲B(yǎng)分和前體需要維持適當(dāng)?shù)臐舛龋鼈儎t以不同的速率被消耗，所以補(bǔ)料速率要根據(jù)微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)等的消耗速率及所設(shè)定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。 例如，用連續(xù)培養(yǎng)方法測(cè)定了在不同比生長(zhǎng)速率下青霉素生產(chǎn)菌產(chǎn)黃青霉的碳、氯、氧、磷、硫和乙酸鹽及菌最適生長(zhǎng)所需的各種基質(zhì)的補(bǔ)料速率。 七、厭氧發(fā)酵工藝要求與控制 發(fā)酵工業(yè)中，由于使用微生物不同，其代謝規(guī)律不一樣，因而有的是需氧發(fā)酵，有的是厭氧發(fā)酵，也稱靜置培養(yǎng)。例如：酒精、啤酒、丙酮、 丁酵及乳酸等均是屬于厭氣發(fā)酵產(chǎn)品，其發(fā)酵設(shè)備因不需供氧，所以設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡(jiǎn)單。 固態(tài)發(fā)酵（如白酒）； 液態(tài)發(fā)酵（如酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒）。 固態(tài)發(fā)酵 固態(tài)發(fā)酵主要是一些傳統(tǒng)發(fā)酵工藝。例如生產(chǎn)大曲酒、麩曲酒就是典型的固態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵)( )( 2m m o lm m l OQ s XO U RK 糖耗耗氧量??中無菌要求不高，整個(gè)生產(chǎn)過程都是敞口操作。除原料蒸煮過程能起到滅菌作用外，空氣、水、工具和場(chǎng)所，窖池等都存在大量的多種多樣的微生物，并把這些微生物帶到發(fā)酵原料中，它們與曲中的微生物一起協(xié)同作用，生產(chǎn)出豐富的香味物質(zhì)，因此固體厭氣發(fā)酵是多菌種的混合發(fā)酵。 發(fā) 酵過程中，一般都采用比較低的溫度，讓糖化作用和發(fā)酵作用同時(shí)進(jìn)行；即采用邊糖化邊發(fā)酵的工藝。當(dāng)采用 20~30℃低溫時(shí)，糖化酶作用緩慢，故糖化時(shí)間要延長(zhǎng)。 （ 1）固態(tài)發(fā)酵的溫度控制 固態(tài)發(fā)酵的溫度控制靠控制進(jìn)窖溫度和淀粉含量來解決。因在窖內(nèi)部沒有冷卻或加熱裝置，這樣只好把進(jìn)窖溫度控制得比較低 (18~22℃ )。糖化進(jìn)行緩慢，發(fā)酵也就緩慢，窖內(nèi)升溫慢些，酵母就不易衰老，發(fā)酵率就升高。進(jìn)窖時(shí)原料淀粉含量不能太高，在發(fā)酵過程中一部分能量被放出，升高了發(fā)酵溫度，一般發(fā)酵過程中，淀粉含量降低 %時(shí)，酒醅溫度實(shí)際約上 升 2℃左右。所以淀粉含量控制在 14~l6％，隨氣溫的高低不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。 固體發(fā)酵的 pH 控制 一般工廠用酸度表示。酸度來自原料本身，曲和酒醅是最主要的。在發(fā)酵過程中酸度增加的原因，主要是雜菌的影響，淀粉濃度過高，糖化快，細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖快，造成酒醅酸度升高，也反過來影響酵母的生長(zhǎng)，影響發(fā)酵，酸度低又影響糖化速度。因此控制酸度既適宜酵母生長(zhǎng)又抑制了細(xì)菌生長(zhǎng)。一般控制在 ~ 的酸度。 （ 2）水分的控制 固體發(fā)酵中水份是微生物生長(zhǎng)的條件，適當(dāng)?shù)乃质橇己冒l(fā)酵的重要因素。但入窖水分過高，會(huì)引起糖化和發(fā)酵 作用加快，升溫過猛，使發(fā)酵不徹底；而水分過少，會(huì)引起酒醅發(fā)干，殘余淀粉高，酸度過低，槽不柔軟，影響發(fā)酵正常進(jìn)行；一般大曲酒入窖水分為 53~57％，小曲57~62％，因原料而異，冬天與夏天也不同。另一方面為了調(diào)整淀粉濃度，增加疏松性，調(diào)節(jié)酸度，以利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，保持水在固態(tài)發(fā)酵時(shí)常常加入填充料、如谷殼等。 液態(tài)發(fā)酵 厭氣發(fā)酵在液體狀態(tài)下進(jìn)行，液體發(fā)酵速度快，發(fā)酵完全，發(fā)酵周期短，原料利用率高，而且適于大規(guī)模機(jī)械化、連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)。 液態(tài)厭氣發(fā)酵對(duì)無菌要求較高，因此培養(yǎng)基必須經(jīng)過滅菌，對(duì)發(fā)酵容 器也要定期滅菌。 在發(fā)酵過程中對(duì) pH、溫度進(jìn)行連續(xù)控制，中間分析也與通風(fēng)發(fā)酵相似。 第三節(jié) 發(fā)酵過程的參數(shù)檢測(cè) 一、物理參數(shù) 1，溫度 指發(fā)酵整個(gè)過程或不同階段所維持的溫度。溫度的高低與下列參數(shù)有密切關(guān)系： （ 1）發(fā)酵中的酶反應(yīng)速度 （ 2）菌體生長(zhǎng)速度，產(chǎn)物合成速度 （ 3）氧在培養(yǎng)液中的溶解度，傳遞速度 2，發(fā)酵罐維持的壓力。 罐內(nèi)維持正壓，可防止外界空氣中雜菌的侵入，保證純種培養(yǎng)。罐壓的高低與氧， CO2 在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影響菌體代謝。罐壓一般維持在 ~ 公斤。 3，攪拌轉(zhuǎn)速 是指 攪拌器在發(fā)酵罐中轉(zhuǎn)動(dòng)速度。攪拌轉(zhuǎn)速大小與發(fā)酵液的均勻性和氧在發(fā)酵液中的傳遞速率有關(guān)。 發(fā)酵罐的容積 (L) 攪拌轉(zhuǎn)速范圍 (r/min) 3 10 30 50 200~2020 200~1200 150~1000 100~800 200 500 10000 50000 50~400 50~300 25~200 25~160 4，攪拌功率 指攪拌器攪拌時(shí)所消耗的功率，常指每立方米發(fā)酵液所消耗的功率（ kW/m3）。它的大小與溶氧傳遞系數(shù) KLa 有關(guān)。 5，空氣流量 指單位時(shí)間內(nèi)單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積。它的大 小與氧的傳遞和其它控制參數(shù)有關(guān)。一般控制在 ~ 之間 6，粘度 粘度大小可作為細(xì)胞生長(zhǎng)或細(xì)胞形態(tài)的標(biāo)志之一。在發(fā)酵過程中通常用表觀粘度表示。粘度的大小可改變氧傳遞的阻力。粘度的大小可表示相對(duì)菌體濃度。 7，濁度 能及時(shí)反映單細(xì)胞生長(zhǎng)狀況。 二、化學(xué)參數(shù) 1， pH 發(fā)酵過程中各種產(chǎn)酸，產(chǎn)堿生化反應(yīng)的綜合結(jié)果，與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有重要的關(guān)系。 pH 的高低與菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成有著重要的關(guān)系。 2，基質(zhì)濃度 指發(fā)酵液中糖，氮，磷與重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度?；|(zhì)濃度的變化對(duì)產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成有重要影響 ，也是提高代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的重要控制手段。 3，溶解氧（ DO）濃度 氧是微生物體內(nèi)一系列細(xì)胞色素氧化酶催化產(chǎn)能反應(yīng)的最終電子受體，也是合成某些產(chǎn)物的基質(zhì)。利用 DO 濃度的變化，可以了解微生物對(duì)氧利用的規(guī)律，反映發(fā)酵的異常情況，是一個(gè)重要的控制參數(shù)。 4，氧化還原電位 培養(yǎng)基氧化還原電位是影響微生物生長(zhǎng)及其生化活性的因素之一。 5，產(chǎn)物濃度 是發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)量高低，代謝正常與否的重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長(zhǎng)短的根據(jù)。 6，尾氣 O2 濃度和 CO2 濃度 尾氣中 O2 濃度與生產(chǎn)菌的攝氧率和 KLa有關(guān)。尾氣中 CO2 是產(chǎn)生菌呼 吸放出的 CO2。從尾氣中 O2 和 CO2 濃度的含量可以算出產(chǎn)生菌的攝氧率、呼吸商和發(fā)酵罐的供氧能力。從而了解產(chǎn)生菌的呼吸代謝規(guī)律。 7，其它參數(shù) 菌體 RNA, DNA含量，以及 ATP, ADP, AMP 體系， NAD(P)NAD(P)H 體系。分別表示菌體生長(zhǎng)情況，能量代謝能力，生物合成能力。 三、生物參數(shù) 1，菌（絲）體濃度（生物量 biomass） 菌體濃度的大小和變化速度對(duì)生化反應(yīng)有影響，特別是對(duì)抗生素等次級(jí)代謝產(chǎn)物的發(fā)酵，菌體濃度與培養(yǎng)液的粘度， DO 都有關(guān)。 四、間接參數(shù) 根據(jù)發(fā)酵液的菌體量和單位 時(shí)間的菌濃、溶氧濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度等參數(shù)的變化值，可分別計(jì)算出菌體的比生長(zhǎng)速率、氧的比消耗速率、基質(zhì)的比消耗速率和產(chǎn)物比生產(chǎn)速率。 攝氧率 攝氧率 r：?jiǎn)挝惑w積培養(yǎng)液每小時(shí)所消耗的氧量（ mmol/） 呼吸強(qiáng)度 呼吸強(qiáng)度 QO2：?jiǎn)挝恢亓康母删w每小時(shí)所消耗的氧量（ mmol/） 呼吸商 呼吸商 RQ：發(fā)酵過程中氧的消耗比速與二氧化碳生成比速的商 最后將上述各種參數(shù)匯總?cè)缦拢? 物理參數(shù) 參數(shù)名稱 單位 測(cè)試方法 意義、主要作用 溫度 罐壓 空氣流量 攪拌轉(zhuǎn)速 攪拌功率 粘度 濁度 泡沫 體積氧傳質(zhì)系數(shù) KLa 186。C Pa V/ R/min KW 透光度 l/h 傳感器 壓力表 傳感器 傳感器 傳感器 粘度計(jì) 傳感器 傳感器 間接計(jì)算 維持生長(zhǎng)、合成 維持正壓、增加溶氧 供氧、排泄廢氣、提高 KLa 物料混合、提高 KLa 反映攪拌情況、 KLa 反映菌的生長(zhǎng)、 KLa 反映菌的生長(zhǎng)情況 反映發(fā)酵代謝情況 反映供氧效率 化學(xué)參數(shù) 參數(shù)名稱 單位 測(cè)試方法 意義、主要作用 pH 基質(zhì)濃度 溶解氧濃度 氧化還原電位 產(chǎn)物濃度 尾氣氧濃度 尾氣 CO2 濃 度 g/ml ppm mV g/ml Pa % G(DCW)/ml 傳感器 取樣 傳感器 傳感器 取樣 傳感器 傳感器 了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成 了解生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成 反映氧供需情況 反映菌的代謝情況 產(chǎn)物合成情況 了解耗氧情況