物料在發(fā)酵罐中發(fā)酵的過程是一個復(fù)雜的過程，在這個過程中必須要嚴格控制各項參數(shù)以保證發(fā)酵過程不受影響，在這個過程中有很多因素會影響發(fā)酵過程：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)，借助于電腦計算和特定的數(shù)學模型才能得到。因此這類參數(shù)被稱為間接參數(shù)。在這些因素中對發(fā)酵過程影響較大的有溫度、pH值和溶解氧濃度等。

 

　　一、溫度對發(fā)酵過程的影響

 

　　發(fā)酵罐溫度會影響各種酶反應(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，進而影響發(fā)酵的動力學特性和產(chǎn)物的生物合成。

 

　　發(fā)酵溫度可通過溫度計或自動記錄儀表進行檢測，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。

 

　　二、溶解氧濃度對發(fā)酵罐發(fā)酵過程的影響

 

　　對于好氧發(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，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生長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)膜氧電極來檢測發(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力和氧傳遞系數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來控制。同時要有適當?shù)墓に嚄l件來控制需氧量，使菌體的生長和產(chǎn)物形成對氧的需求量不超過設(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數(shù)關(guān)系減少。

 

　　因此可以控制菌的比生長速率比臨界值略高一點，達到最適菌體濃度。這樣既能保證產(chǎn)物的比生產(chǎn)速率維持在最大值，又不會使需氧大于供氧。這可以通過控制基質(zhì)的濃度來實現(xiàn)，如控制補糖速率。除控制補料速度外，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、中間補水，添加表面活性劑等工藝措施，來改善溶氧水平。

 

　　三、PH值對發(fā)酵罐發(fā)酵過程的影響

 

　　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，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)實驗結(jié)果來確定。

 

　　PH值對發(fā)酵罐發(fā)酵過程的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

 

　　1.影響酶的活性，當pH值抑制菌體中某些酶的活性時，會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，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用;

 

　　3.影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄;

 

　　4.PH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。

 

　　5.pH值還會影響某些霉菌的形態(tài)。

 

　　為了確保發(fā)酵罐發(fā)酵的順利進行，必須使其各個階段經(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發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，使它們有個適當?shù)呐浔龋拱l(fā)酵過程中的pH值變化在合適的范圍內(nèi)。如果達不到要求，還可在發(fā)酵過程中補加酸或堿。

 

　　此外，用補料的方式來調(diào)節(jié)pH值也比較有效。這種方法，既可以達到穩(wěn)定pH值的目的，又可以不斷補充營養(yǎng)物質(zhì)。最成功的例子就是青霉素發(fā)酵的補料工藝，利用控制葡萄糖的補加速率來控制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。

 

　　發(fā)酵過程中溫度、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)向自動化控制，因而希望能開發(fā)出更多更有效的傳感器用于過程參數(shù)的檢測，有助于企業(yè)更好的使用發(fā)酵罐來進行生產(chǎn)作業(yè)。