【正文】 這些發(fā)酵可以利用本地生長的微生物、單一純培養(yǎng)物或者混合純培養(yǎng)物?；旌献饔玫哪康氖莾?yōu)化axial and radial dispersion以確保培養(yǎng)基組分在生物反應(yīng)中的充分分散，從而鼓勵(lì)良好的質(zhì)量傳遞速率和高的生物生產(chǎn)力。計(jì)算機(jī)控制越來越多地參與到發(fā)酵過程控制中。生物反應(yīng)過程缺乏有效的在線傳感器。生物反應(yīng)的檢測(cè)包括控制特定參數(shù)、對(duì)它們進(jìn)行記錄、然后利用這些信息去改善和優(yōu)化發(fā)酵過程。培養(yǎng)基的配制要滿足生產(chǎn)微生物的營養(yǎng)要求、過程的目標(biāo)及操作規(guī)模。一個(gè)CSTR生物反應(yīng)器中進(jìn)行的混合操作可以通過a mechanically operated central shaft equipped with blades or impellers而實(shí)現(xiàn)。生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)取決于生物過程的本質(zhì)。生物催化劑（微生物、植物或者動(dòng)物細(xì)胞或者酶）能夠以自由形式或者固定化形式發(fā)揮作用。過程可以看作成本轉(zhuǎn)化或者成本回收。在發(fā)酵工程中，大量的細(xì)胞在對(duì)生物體或產(chǎn)物形成有所限定的、控制的條件下進(jìn)行生長。在分批培養(yǎng)中，有著連續(xù)變化的營養(yǎng)環(huán)境，反映在培養(yǎng)的生理狀態(tài)。一種生物群體的體倍增時(shí)間指生物體質(zhì)量倍增所需要的時(shí)間，而傳代時(shí)間與細(xì)胞數(shù)倍增所需要的時(shí)間相關(guān)。固體基質(zhì)發(fā)酵未來將會(huì)在基質(zhì)的預(yù)處理、過程控制和發(fā)酵罐設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改進(jìn)。傳感器的嚴(yán)重缺乏：現(xiàn)有的傳感器沒有什么價(jià)值，因?yàn)樗鼈兪轻槍?duì)可溶組分的控制或者液體的物理特性而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。液體發(fā)酵中的過程控制能夠更多的監(jiān)控生物反應(yīng)器中的生物活動(dòng)，并且可以操作復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制的反饋環(huán)路，以更好的進(jìn)行過程動(dòng)力（dynamic）控制。上面的組（3）代表了日本生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要方向，目前的系統(tǒng)為生物生長和產(chǎn)物形成、機(jī)械攪拌、合理的過程控制和滅菌操作條件提供了良好的環(huán)境。不進(jìn)行通氣的發(fā)酵包括ensiling和有限范圍的posting processes，對(duì)它們不作進(jìn)一步考慮。實(shí)際中，可以通過多種手段調(diào)節(jié)代謝熱量的產(chǎn)生，包括校正溫度和空氣的相對(duì)密度、通氣速率和攪拌速度。提高通氣速率或者加快不是連續(xù)通氣的系統(tǒng)的通氣頻率可利于熱量的排出。而這些發(fā)酵的低含水量也給熱量傳遞造成了困難的條件，所以對(duì)于溫度的控制也比液體發(fā)酵更加困難。（3） 纖維二糖酶或者β葡糖苷酶主要作用于纖維二糖而形成葡萄糖。纖維素類物質(zhì)酶的水解已經(jīng)用固體基質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行密集的研究，而且已經(jīng)表明依賴酶復(fù)合物——纖維素酶的作用，包括三種類型的反應(yīng)：（1） 內(nèi)切β1，4葡聚糖酶隨機(jī)的水解纖維素以生產(chǎn)葡萄糖和纖維二糖為終產(chǎn)物。因此這些水解酶在基質(zhì)的降解和利用中有著重要的作用。氧在這些復(fù)雜的固體基質(zhì)載體上的滲入動(dòng)力學(xué)機(jī)制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法被了解。在利用真菌進(jìn)行的固體基質(zhì)發(fā)酵過程中，菌絲在滲入到基質(zhì)中的同時(shí)也在微粒表面進(jìn)行生長。在有效空間中防止CO2的形成也是關(guān)鍵的。實(shí)際中，令人滿意的微粒間氧的傳遞 通過小心的混合和通氣來實(shí)現(xiàn)。多數(shù)發(fā)酵應(yīng)用的是厭氧微生物并且把氧運(yùn)送到有效空間是控制著順利進(jìn)行生長和產(chǎn)物形成的關(guān)鍵參數(shù)。微粒間的質(zhì)量傳遞和微粒內(nèi)部的滲透是限制固體基質(zhì)發(fā)酵的兩種主要的質(zhì)量傳遞步驟。預(yù)處理的成本要與產(chǎn)品的價(jià)值相平衡。許多固體基質(zhì)發(fā)酵的一個(gè)特征是需要對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理以提高養(yǎng)分的可利用性，或者減小微粒的大小來優(yōu)化發(fā)酵過程的物理參數(shù)。這樣利用Chaetomium cellulolyticum and Candiada lipolytica的混合培養(yǎng)物而不是單獨(dú)應(yīng)用其中一種真菌，就能將秸稈有效的轉(zhuǎn)化為真菌。Koji過程也正在尋求新的應(yīng)用以從淀粉類物質(zhì)（Raimbault/Alazard process）和纖維素類物質(zhì)（Waterloo process）生產(chǎn)生物體。于煮過的基質(zhì)上接種A. oryzae，并在trays 窄層中進(jìn)行生長或者在一種特殊的旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器中生長以生產(chǎn)出淀粉酶和蛋白酶分解基質(zhì)中的多聚物分子。蘑菇生產(chǎn)的Composting是最為成功的創(chuàng)造性的應(yīng)用木素纖維素物質(zhì)的手段之一。相反的，posting 涉及從嗜溫細(xì)菌、酵母和霉菌到thermophilic actinomycetes及真菌的一系列微生物。Lactobacillus bulgarius 是主要的微生物，生產(chǎn)乳酸，隨后抑制潛在的引起腐爛的細(xì)菌，而且由于沒有氧氣，厭氧霉菌無法生長。應(yīng)用本地生長的微生物區(qū)系進(jìn)行的發(fā)酵主要是ensiling and posting。在低aw水平下能夠耐受和繁殖的微生物總體上是出現(xiàn)在固體基質(zhì)發(fā)酵中的主要微生物。純水的aw = ，aw隨著溶液的加入而下降。底物的aw從數(shù)量上反映了進(jìn)行微生物活動(dòng)所要求的水分。這種實(shí)際生產(chǎn)過程的決定因素取決于當(dāng)于液體發(fā)酵相比時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。木素纖維素的固體基質(zhì)發(fā)酵將會(huì)成為未來的重要工業(yè)，生產(chǎn)生物體、乙醇、甲烷和許多其他商業(yè)價(jià)值的產(chǎn)品。許多東方食品的發(fā)酵像醬油、日本豆面醬和豆豉，都包含重要的固體基階段，而其他固體基質(zhì)過程用來生產(chǎn)酶和化學(xué)物質(zhì)像檸檬酸。這些化合物是不可變的多聚分子，不溶于水或微溶于水，但是便宜而且容易獲得，是濃縮的養(yǎng)分原料。固體基質(zhì)發(fā)酵不是漿狀物的發(fā)酵（像含有大量不溶性固體的液體）也不是在液體培養(yǎng)基中固體物質(zhì)的發(fā)酵。固體基質(zhì)發(fā)酵的最高階段（例如，在明顯的出現(xiàn)自由水之前）是吸收作用，由此含水量就由底物的類型決定。解決放大過程中出現(xiàn)的問題需要在混合和通氣、調(diào)控設(shè)備及嚴(yán)格的保持無菌過程中投入大量的資本。完全工業(yè)化規(guī)模的生物反應(yīng)器的體積范圍是40000到400000L。每一種pilot plant都有各自的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)實(shí)中的pilot plant 就是一個(gè)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室，它能彈性的容納儀器設(shè)備（生物反應(yīng)器、泵、熱交換器、儲(chǔ)存設(shè)施、電的和piping 服務(wù)，等等） 并且適于過程操作。通?？梢圆捎脤?shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物反應(yīng)器（510L）對(duì)某些控制因子進(jìn)行鑒定，而另一些則需要pilot 規(guī)模的生物反應(yīng)器。對(duì)于多數(shù)有著商業(yè)興趣的產(chǎn)品，生產(chǎn)有機(jī)體（微生物、動(dòng)物細(xì)胞等）將對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，在限制某種養(yǎng)分的情況下或者根據(jù)不利的環(huán)境條件。過程放大的成功實(shí)現(xiàn)必須遵守物理和經(jīng)濟(jì)規(guī)則。當(dāng)生物反應(yīng)器在超過ambient的溫度下運(yùn)行的時(shí)候，甚至允許通過上述機(jī)制產(chǎn)生熱量，也要求熱量維持一個(gè)最適的溫度。因此，必須將熱量從生物反應(yīng)器中除去。（4） Enthalpies：生物反應(yīng)中可以產(chǎn)生熱量如果在比生物反應(yīng)器中的物質(zhì)更高的溫度下輸入stream。（2） gassing and 通氣能量：某些能量在鼓泡器的洞口處消散，并產(chǎn)生湍流eddies，盡管許多這種類型的能量是當(dāng)氣體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受液體靜壓頭減小而膨脹的結(jié)果。能量傳遞 生物反應(yīng)過程中能量由四種主要的來源而產(chǎn)生。傳統(tǒng)的CSTR設(shè)計(jì)需要輸入高能量（power），由此，許多新的生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)嘗試降低特定的能量的攝入，且優(yōu)化能量的輸入與生產(chǎn)力。發(fā)酵broth的充分混合會(huì)產(chǎn)生良好的質(zhì)量傳遞速率和隨后高的生產(chǎn)力。當(dāng)broth is nonNewtonian（牛頓型）且高黏度，就一直會(huì)有生物反應(yīng)的部分體積是stagnant而且不能充分參與整體的發(fā)酵過程。很少能夠完全的保留這些組分，而且在大規(guī)模的發(fā)酵過程中，快速和近乎一致的（uniform）分散添加的組分要通過許多次輸入至生物反應(yīng)器的過程才能實(shí)現(xiàn)?；旌献饔脤?duì)于在半連續(xù)培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)中添加空氣與養(yǎng)分尤為重要。隨著生物反應(yīng)體積的不斷增大，要使生物反應(yīng)中培養(yǎng)基組分達(dá)到完全一致的分散和混合也變得越來越更為復(fù)雜。需氧發(fā)酵可視為氣/液間質(zhì)量傳遞步驟、液/固間質(zhì)量傳遞步驟及化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)步驟。所有的傳遞過程都是經(jīng)過分子滲透（diffusion）實(shí)現(xiàn)的，氧分（包括氧）滲入細(xì)胞的速率及細(xì)胞代謝物滲出細(xì)胞的速率將限制生物活動(dòng)的速率。液體的過度粘稠將反作用于氧的傳遞。在沒有機(jī)械攪拌的系統(tǒng)中，例如塔式反應(yīng)器，氣泡的直徑?jīng)Q定了接觸表面的區(qū)域及氣泡上升的速度。kLa或溶氧濃度的測(cè)定對(duì)于獲知過程中氧對(duì)于微生物的可利用性是重要的。不幸的是，氧只微溶于水，這就意味著要發(fā)展氧的分散技術(shù)以增大生物反應(yīng)中氧對(duì)于微生物的可利用性。在生物工程中應(yīng)用的微生物大多是需氧微生物，因而在設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器時(shí)，氧的質(zhì)量傳遞是一個(gè)重要的應(yīng)當(dāng)考慮的問題。這些相將是連續(xù)的或是分散的。質(zhì)量傳遞 一切生物反應(yīng)過程的中心是供給適量的養(yǎng)分以滿足微生物代謝的需要，達(dá)到最適生長和產(chǎn)物形成。促進(jìn)（furtherance）對(duì)它們的理解對(duì)于擴(kuò)大生物工程過程是非常重要的。由此，滅菌和過程溫度控制就需要熱量，而對(duì)生物反應(yīng)中物質(zhì)的攪拌和混合就需要機(jī)械能：生物活動(dòng)的結(jié)果是產(chǎn)生代謝能。有機(jī)體表面和它的內(nèi)環(huán)境之間發(fā)生的物質(zhì)交換是我們所知道的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。計(jì)算機(jī)在生物技術(shù)中的進(jìn)一步應(yīng)用還包括核酸和蛋白質(zhì)序列分析、限制性圖譜的繪制、分子過程的加速及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試。計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為一種有價(jià)值的、確實(shí)必不可少的了解和控制發(fā)酵過程的手段。一個(gè)特定的發(fā)酵過程的數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)在電腦里，它實(shí)際上涵蓋培養(yǎng)基的配制、發(fā)酵過程及復(fù)雜的下游處理過程。實(shí)際中，生物體包括蛋白質(zhì)、DNA和RNA仍是耗時(shí)的離線測(cè)定。生物體 在現(xiàn)有成本基礎(chǔ)上，還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體的在線自動(dòng)分析。然而，它們應(yīng)答時(shí)間長，不能進(jìn)行蒸