微生物發(fā)酵工藝及其控制簡述

王利 周海嬌 初歆 王海軍 張瑞(正大天晴藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 連云港 222000)

微生物發(fā)酵工藝及其控制簡述

王利 周海嬌 初歆 王海軍 張瑞(正大天晴藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 連云港 222000)

微生物發(fā)酵即是指利用微生物，在適宜的條件下，將原料經(jīng)過特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。微生物發(fā)酵生產(chǎn)水平主要取決于菌種本身的遺傳特性和培養(yǎng)條件。發(fā)酵工藝分為間歇發(fā)酵，連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵三種類型，其中連續(xù)發(fā)酵在生產(chǎn)和科研上應(yīng)用最為廣泛。在發(fā)酵過程中將受到一系列物資或條件的影響，這些物質(zhì)或條件變化將直接影響到發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)率和產(chǎn)物品質(zhì)。本文從對發(fā)酵工藝過程影響較大的發(fā)酵溫度、pH值兩個方面闡述如何進(jìn)行發(fā)酵工藝的控制。

微生物;發(fā)酵工藝;控制;變化參數(shù)

微生物發(fā)酵即是指利用微生物，在適宜的培養(yǎng)條件下，將原料經(jīng)過特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為人們所需要的代謝產(chǎn)物的一個過程。微生物發(fā)酵生產(chǎn)的好壞主要取決于菌種本身的遺傳特性和培養(yǎng)氛圍及培養(yǎng)的環(huán)境。同時(shí)，微生物發(fā)酵還受到諸如發(fā)酵溫度、溶解氧、泡沫、pH值、菌體濃度和發(fā)酵時(shí)間等的影響，為了得到理想的發(fā)酵產(chǎn)物，往往會控制其中關(guān)鍵因素。現(xiàn)在，發(fā)酵工藝以遍布醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、能源工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、改造植物基因、生物固氮、工程殺蟲菌生物農(nóng)藥、微生物飼料、境保護(hù)等方面。

1 發(fā)酵工藝概述

微生物發(fā)酵主要是指選育優(yōu)良的菌種，人們制定想要的發(fā)酵產(chǎn)物，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物選取相應(yīng)的環(huán)境，并控制如pH、溫度、溶氧和營養(yǎng)組成等客觀條件，最終得到需要的代謝產(chǎn)物的一個過程。在這個過程中最重要的是菌種的選取以及客觀條件的控制。這里影響目標(biāo)產(chǎn)物得到最大的是PH值以及培養(yǎng)基的溫度，下面會詳細(xì)介紹二者及其控制。值得一提的是，在進(jìn)行培養(yǎng)基大量發(fā)酵的過程中，工藝要求必須嚴(yán)格控制為無菌條件，此外，為得到優(yōu)良而且大量的發(fā)酵產(chǎn)物，我們往往還會引進(jìn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，在工藝生產(chǎn)線上發(fā)酵過程中通過計(jì)算機(jī)控制不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣，使發(fā)酵源源不斷的進(jìn)行下去并保證得到相應(yīng)的代謝產(chǎn)物，在此過程中應(yīng)保持空氣的干燥以及無菌。此外，根據(jù)人們對發(fā)酵產(chǎn)物不同的需要，發(fā)酵工藝上還會將發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行分離和提純，代謝出來的初級代謝產(chǎn)物往往還達(dá)不到人們對于目標(biāo)代謝產(chǎn)物的要求，此時(shí)往往需要對代謝產(chǎn)物進(jìn)行二次加工，將代謝產(chǎn)物進(jìn)行分離并提純，工業(yè)上運(yùn)用較多的就是產(chǎn)物分離技術(shù)，將代謝產(chǎn)物進(jìn)行一至兩次分離過后往往就能達(dá)到要求，再次過程中也必須嚴(yán)格控制無菌條件，同時(shí)在收集分離提純產(chǎn)物時(shí)也必須保持無菌條件，無菌條件必須全過程掌控。

2 影響發(fā)酵工藝的因素

2.1 溫度對發(fā)酵影響

溫度對微生物發(fā)酵主要存在4方面的影響：影響微生物細(xì)胞的生長、影響代謝產(chǎn)物的形成、影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)、影響產(chǎn)物的合成方向。

溫度影響微生物細(xì)胞生長。隨著溫度的上升，細(xì)胞的生長繁殖加快。生長代謝以及繁殖都是酶參與的。

溫度對產(chǎn)物形成的影響。微生物生長的溫度并不一定是適合產(chǎn)物形成的溫度，要根據(jù)實(shí)際情況來嚴(yán)格把關(guān)。

溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)。溫度影響微生物的各種反應(yīng)速度，還會通過發(fā)酵液的物理性質(zhì)間接地影響微生物的生物合成。

溫度對產(chǎn)物的合成方向有影響。例如，金色鏈霉菌在35℃時(shí)合成的為四環(huán)素，而在30℃的時(shí)候合成的卻是金霉素。

2.2 PH值對發(fā)酵影響

①影響原生質(zhì)膜的性質(zhì)，改變膜電荷狀態(tài)，影響細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。

②影響酶的活性。由于酶作用均有其最適的ph值，所以在不適宜的ph值下，微生物細(xì)胞中某些酶的活性受到抑制，從而影響菌體對基質(zhì)的利用和產(chǎn)物的合成。由于ph的高低對菌體生長和產(chǎn)物的合成能產(chǎn)生上述明顯的影響，在工業(yè)方面如何嚴(yán)格控制ph值是工業(yè)發(fā)酵的關(guān)鍵所在。

③影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性，Ph過酸或者過堿都會影響代謝產(chǎn)物的穩(wěn)定性。

④影響代謝產(chǎn)物的合成途徑。

3 發(fā)酵工藝的控制

3.1 溫度的控制

液體發(fā)酵罐,通過給罐體升溫和降溫來控制最適宜的溫度,即溫度低,通過往罐體夾套內(nèi)通蒸汽或給罐內(nèi)蛇形排管通熱水來進(jìn)行發(fā)酵液的升溫,反之,通冷水進(jìn)行降溫。固體發(fā)酵,通過通風(fēng)、發(fā)酵物料的翻動次數(shù)等方法進(jìn)行降溫處理。發(fā)酵溫度的控制與生產(chǎn)工藝有很大的關(guān)系,要根據(jù)具體情況,具體操作。

3.2 pH值的控制

發(fā)酵過程中的PH值一般是隨著菌體生長繁殖,PH值會逐漸下降,所以PH值的控制就是如何升高PH值。通常是用流加（就是向發(fā)酵液中補(bǔ)充）尿素溶液或氨水、液氨的方法升高PH值,同時(shí)增加氮源供給。加氨水或液氨可使PH值迅速升高。所以,流加氨水或液氨,PH值變化迅速,波動性也較高。而加尿素溶液時(shí),尿素要先經(jīng)過分解,才能被微生物利用,所以PH升高較慢,但下降也較慢。也就是說,PH值的波動程度較小。也可以加硫酸氨溶液。同時(shí)，還可以在基礎(chǔ)料中加入維持pH的物質(zhì)、在發(fā)酵過程中根據(jù)糖氮消耗需要進(jìn)行補(bǔ)料，當(dāng)補(bǔ)料與調(diào)pH發(fā)生矛盾時(shí)，加酸堿調(diào)pH。

3 結(jié)語

要想得到我們想要的發(fā)酵產(chǎn)物，就必須針對代謝環(huán)境控制，同時(shí)選取優(yōu)良的菌種也是必要的手段。所以對于溫度、PH值、溶解氧、泡沫、菌體濃度和基質(zhì)、發(fā)酵時(shí)間等方面的良好控制是發(fā)酵學(xué)里永遠(yuǎn)不變的課題。在發(fā)酵過程中，我們關(guān)注的不僅僅是一個好的菌種，還應(yīng)該采取科學(xué)的技術(shù)，嚴(yán)格控制溫度、PH值、溶解氧、泡沫、菌體濃度和基質(zhì)、發(fā)酵時(shí)間等來達(dá)到發(fā)酵目的。

[1]蔣新龍.微生物發(fā)酵工程.杭州：浙江大學(xué)出版社，2011.

[2]盛貽林.微生物發(fā)酵制藥技術(shù).北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2008.8.

[3]何建勇.微生物發(fā)酵工藝學(xué).北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2009.

[4]燕平梅.微生物發(fā)酵技術(shù).北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2010

[5]劉冬,張學(xué)仁等.發(fā)酵工程.北京：高等教育出版社，2007.4.

[6]何建勇.發(fā)酵工藝學(xué).北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2009.