论发酵中间控制对发酵工业设计的重要性

2017-03-14

一、温度控制

温度是保证各种酶活性的重要条件，微生物的生长和产物合成均需在其各自适合的温度下进行。

1、影响发酵温度的因素。在发酵过程中，引起温度变化的原因是由于发酵过程中所产生的净热量，称为发酵热，它包括生物热、搅拌热、蒸发热、通气热、辐射热和显热等。由于生物热、蒸发热、显热在发酵过程中随时间而变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间而变化，必须加以控制，才能满足微生物生长代谢的需要，从而达到高效生产的目的。

2、温度对微生物生长的影响。温度对微生物的影响，不仅表现在对菌体表面的作用，而且对菌体内部的结构物质也会产生影响。温度对微生物生长的影响是多方面的，每种微生物都有其最低、最适和最高生长温度。

3、最适温度的控制。不同的菌种、不同的培养条件以及不同的生长阶段，最适温度都有所不同。为了使微生物的生长速度最快和代谢产物的产率最高，在发酵过程中必须根据菌种的特性，选择和控制最合适的温度。如青霉素产生菌的最适生长温度是30℃，而最适于青霉素合成的温度是25℃。

二、pH控制

不同种类的微生物其生长的最适pH值有所不同，而同种微生物在生长阶段和产物合成阶段的最适pH值也有所不同，pH值不仅影响着微生物的生长，也影响着代谢产物的形成。大多数细菌的最适生长pH为6.5～7.5，真菌为5.0～6.0，放线菌为6.5～8.0。青霉菌的最适生长pH为6.5～7.2，而青霉素合成的最适pH为6.2～6.8。

酵母菌在最适生长pH(4.5～5.0)时，发酵产物主要是酒精;而在pH为8.0时，发酵产物不仅有酒精，还有醋酸和甘油。所以，在发酵过程中，应根据不同微生物的特性，控制适当的pH。

三、溶氧控制

发酵过程中，微生物只能利用溶解于发酵液中的氧，因此，溶解氧的量直接关系到微生物的生长和代谢产物的积累。发酵过程中，应将发酵液中氧的浓度维持在氧的临界浓度以上，并要采用有效而又经济的方法(如搅拌)使发酵液维持这样的溶解氧浓度。如在普鲁兰多糖发酵过程中搅拌速度300r/min时,细胞生物量最大。原因是随着搅拌速度的增高,培养基的溶氧量会增加, 有助于细胞生长和多糖量的产生;但过高的搅拌速度对细胞和酶的稳定性是不利的。[1]

四、泡沫控制

在通气发酵过程中，发酵液常含有一定数量的泡沫，这属于正常现象，但泡沫过多会给发酵带来不利影响。发酵工业上消除泡沫的方法有两大类：机械消泡和化学消泡剂消泡。机械消泡借助机械搅拌促使气泡破裂消除泡沫，不需加入外源物质，可节省原材料，减少因加入消泡剂而引起的污染及泡沫，但不能从根本上消除泡沫的形成。化学消泡使用化学消泡剂消除泡沫，用量少，消泡效果好，但使用过量会改变细胞的结构形态，影响微生物生理、产物合成等。因此，宜使用机械方法与化学方法联合控制泡沫。试验表明，在啤酒工业中结合机械方法使用消泡剂“FOAMSOL”可行且可推广。[2]

五、补料控制

所谓补料，是指在发酵过程中补充某些养料以维持微生物的生理代谢活动与合成的需要。补料中间控制的明显效果是维持较高的产物增长幅度和增加发酵的总体积，从而使产量大幅度上升。如在以混合糖为发酵底物制取乙醇过程中,采用分批补料可消除由于底物浓度过高对微生物发酵所产生的抑制作用,提高产率。其原理是基于底物碳源和氮源的添加速度等于微生物的消耗速度,维持底物浓度在一个较低的水平。底物添加速度较低,酵母因不能获得足够的碳源和氮源而逐渐死亡;底物添加速度过快,酵母来不及利用底物而使体系中底物不断积累,会抑制乙醇的生成——都会使产率下降。[3]

总之，在发酵工业中，发酵中间控制非常重要，控制不当，会导致产量下降，甚至目标产物不能合成。掌握发酵过程中各种参数随时间的变化情况有助于发酵中间控制，达到工业生产的目的。