物料在發(fā)酵罐中發(fā)酵的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中必須要嚴(yán)格控制各項(xiàng)參數(shù)以保證發(fā)酵過(guò)程不受影響，在這個(gè)過(guò)程中有很多因素會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程：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)；另外一類包括細(xì)胞生長(zhǎng)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(cè)出來(lái)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)。在這些因素中對(duì)發(fā)酵過(guò)程影響較大的有溫度、pH值和溶解氧濃度等。

 

　　一、溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響

 

　　發(fā)酵罐溫度會(huì)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(duì)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(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。

 

　　發(fā)酵溫度可通過(guò)溫度計(jì)或自動(dòng)記錄儀表進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)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，所用的大型發(fā)酵罐在發(fā)酵過(guò)程中一般不需要加熱，因發(fā)酵中釋放了大量的熱，在這種情況下通常還需要加以冷卻，利用自動(dòng)控制或手動(dòng)調(diào)整的閥門(mén)，將冷卻水通人夾套或蛇形管中，通過(guò)熱交換來(lái)降溫，保持恒溫發(fā)酵。

 

　　二、溶解氧濃度對(duì)發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程的影響

 

　　對(duì)于好氧發(fā)酵，溶解氧濃度是重要的參數(shù)之一。微生物深層培養(yǎng)時(shí)，需要適量的溶解氧以維持其呼吸代謝和某些產(chǎn)物的合成，氧的不足會(huì)造成代謝異常，產(chǎn)量降低。

 

　　微生物發(fā)酵的最適氧濃度與臨界氧濃度是不同的。前者是指溶解氧濃度對(duì)生長(zhǎng)或合成在適合的濃度范圍內(nèi)，后者一般指不影響菌體呼吸所允許的最低氧濃度。為了避免生物合成處在氧限制的條件下，需要考察發(fā)酵過(guò)程的臨界氧濃度和最適氧濃度，并使其保持在最適氧濃度范圍。

 

　　現(xiàn)在已可采用復(fù)膜氧電極來(lái)檢測(cè)發(fā)酵液中的溶解氧濃度。要維持一定的溶氧水平，需從供氧和需氧兩方面著手。在供氧方面，主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動(dòng)力和氧傳遞系數(shù)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來(lái)控制。同時(shí)要有適當(dāng)?shù)墓に嚄l件來(lái)控制需氧量，使菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成對(duì)氧的需求量不超過(guò)設(shè)備的供氧能力。

 

　　已知發(fā)酵液的需氧量，受菌體濃度、基質(zhì)的種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響，其中以菌濃的影響最為明顯。發(fā)酵液的攝氧率隨菌濃增大而增大，但氧的傳遞速率隨菌濃的對(duì)數(shù)關(guān)系減少。

 

　　因此可以控制菌的比生長(zhǎng)速率比臨界值略高一點(diǎn)，達(dá)到最適菌體濃度。這樣既能保證產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率維持在最大值，又不會(huì)使需氧大于供氧。這可以通過(guò)控制基質(zhì)的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)，如控制補(bǔ)糖速率。除控制補(bǔ)料速度外，在工業(yè)上，還可采用調(diào)節(jié)溫度(降低培養(yǎng)溫度可提高溶氧濃度)。液化培養(yǎng)基、中間補(bǔ)水，添加表面活性劑等工藝措施，來(lái)改善溶氧水平。

 

　　三、PH值對(duì)發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程的影響

 

　　發(fā)酵過(guò)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(yíng)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，而且微生物生長(zhǎng)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(lái)確定。

 

　　PH值對(duì)發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(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(huì)阻礙菌體的新陳代謝;

 

　　2.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(duì)這些物質(zhì)的利用;

 

　　3.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(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄;

 

　　4.PH值不同，往往引起菌體代謝過(guò)程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。

 

　　5.pH值還會(huì)影響某些霉菌的形態(tài)。

 

　　為了確保發(fā)酵罐發(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(guò)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(guò)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(guò)程中補(bǔ)加酸或堿。

 

　　此外，用補(bǔ)料的方式來(lái)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(yíng)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(lái)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(lái)控制pH值的產(chǎn)量高25%。

 

　　目前已試制成功適合于發(fā)酵過(guò)程監(jiān)測(cè)pH值的電極，能連續(xù)測(cè)定并記錄pH值的變化，將信號(hào)輸人pH值控制器來(lái)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。

 

　　發(fā)酵過(guò)程中溫度、溶解氧濃度、PH值等各參數(shù)的控制很重要，目前發(fā)酵工藝控制的方向是轉(zhuǎn)向自動(dòng)化控制，因而希望能開(kāi)發(fā)出更多更有效的傳感器用于過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)，有助于企業(yè)更好的使用發(fā)酵罐來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。