|
發(fā)酵生產(chǎn)過程中，以下因素會(huì)影響發(fā)酵效果。
① 菌種 發(fā)酵是利用微生物來生產(chǎn)產(chǎn)品，因此菌種至關(guān)重要?，F(xiàn)在工業(yè)上用于生產(chǎn)青霉素的微生物主要是青霉菌，生產(chǎn)味精的微生物是棒狀桿菌，生產(chǎn)檸檬酸的微生物主要是黑曲霉。這是因?yàn)槊恳环N微生物的代謝特征不同，它們產(chǎn)生特定產(chǎn)物的能力也不同。為了利用發(fā)酵生產(chǎn)所需的產(chǎn)物，不是隨便拿來一個(gè)菌種就行。直接從自然界分離到的微生物不一定具有生產(chǎn)特定產(chǎn)物的能力，須在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)幾百株、數(shù)千株微生物進(jìn)行篩選。即使得到了產(chǎn)生特定產(chǎn)物能力的菌株，其生產(chǎn)能力和性能也不見得能夠滿足生產(chǎn)的需要，還須經(jīng)過誘變選育得到高產(chǎn)、性能優(yōu)良的菌種。即使利用基因工程構(gòu)建的具有特殊生產(chǎn)能力的工程菌，都還要對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)研究，全面了解產(chǎn)生產(chǎn)物的規(guī)律、影響菌株產(chǎn)生產(chǎn)物的各種因素和它們之間的關(guān)系，以及控制辦法，并在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行驗(yàn)證和擴(kuò)大規(guī)模的驗(yàn)證，才能夠用于生產(chǎn)。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)上有了優(yōu)良的生產(chǎn)菌種還不夠，必須通過適當(dāng)?shù)拇胧┨峁┳銐蛄康姆N子。
② 發(fā)酵培養(yǎng)基 現(xiàn)在大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，多采用液體培養(yǎng)基進(jìn)行深層發(fā)酵。使用的培養(yǎng)基必須滿足微生物細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖的需要，因?yàn)闆]有大量的細(xì)胞就不可能產(chǎn)生大量的產(chǎn)物；但是細(xì)胞的過分生長(zhǎng)會(huì)消耗大量的營(yíng)養(yǎng)物，有時(shí)又會(huì)影響細(xì)胞的生產(chǎn)能力，會(huì)使產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率下降。使用的培養(yǎng)基還必須有利于微生物大量合成產(chǎn)物。因此，培養(yǎng)基的組成十分關(guān)鍵。
③ 純種發(fā)酵與滅菌 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)絕大多數(shù)采用純種發(fā)酵，可以保證高產(chǎn)及生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。污染是發(fā)酵工業(yè)的大敵，它會(huì)使發(fā)酵失敗，造成巨大損失。因此，滅菌和無菌操作成為發(fā)酵工業(yè)的重要環(huán)節(jié)。
發(fā)酵涉及到的設(shè)備，如發(fā)酵罐、空氣過濾系統(tǒng)、管道、閥門、取樣設(shè)備等均必須用120 ℃以上的高壓蒸汽進(jìn)行徹底滅菌，把存在的所有微生物殺死。配制好的培養(yǎng)基在進(jìn)入發(fā)酵罐之前要加熱到120 ℃以上，進(jìn)行滅菌，或進(jìn)入時(shí)采用連續(xù)高溫滅菌的方法進(jìn)行滅菌，即將與發(fā)酵關(guān)聯(lián)的所有系統(tǒng)進(jìn)行滅菌，然后使系統(tǒng)降溫到發(fā)酵溫度后，接入種子，開始發(fā)酵。只有這樣才能保證接入的菌種不受污染，進(jìn)行正常發(fā)酵。如果滅菌不徹底，哪怕有很少量的雜菌沒有被殺死，也會(huì)在發(fā)酵過程中大量繁殖，造成污染，使發(fā)酵失敗。
④ 溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響 溫度主要是通過影響微生物細(xì)胞內(nèi)生物大分子的活性來影響微生物的生命活動(dòng)。一方面，隨著溫度的升高，細(xì)胞內(nèi)的酶反應(yīng)速度加快；另一方面，隨著溫度的進(jìn)一步增高，生物活性物質(zhì)（蛋白質(zhì)，核酸等）發(fā)生變性，細(xì)胞功能下降，甚至死亡。所以，每種微生物都有個(gè)最適生長(zhǎng)溫度。作為整體，微生物可在-10～95 ℃范圍中生長(zhǎng)，極端下限為-30 ℃，極端上限為105～300 ℃。但對(duì)于某一種特定的微生物來說，則只能在一定的溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)。溫度下限和上限分別稱為微生物的最低和最高生長(zhǎng)溫度。當(dāng)?shù)陀诨蚋哂谧畹突蜃罡呱L(zhǎng)溫度，微生物就停止生長(zhǎng)，甚至死亡。
需要指出的是，微生物不同的生理活動(dòng)需要在不同的溫度條件下進(jìn)行，所以，生長(zhǎng)速率、發(fā)酵速度、代謝產(chǎn)物積累速度的最適溫度往往不在同一溫度下。例如，乳酸鏈球菌在34 ℃時(shí)繁殖速度最快，25～30 ℃時(shí)細(xì)胞產(chǎn)量最高，40 ℃時(shí)發(fā)酵速度最快，30 ℃時(shí)乳酸產(chǎn)量最高。其他微生物也有類似特點(diǎn)。
在較高溫度下，細(xì)胞分裂雖然較快，但維持時(shí)間不長(zhǎng)，容易老化；相反，在較低溫度下，細(xì)胞分裂雖然較慢，但維持時(shí)間長(zhǎng)，細(xì)胞的總產(chǎn)量反而較高。
同樣，發(fā)酵速度與代謝產(chǎn)物積累之間也有類似關(guān)系。研究不同微生物在生長(zhǎng)或積累代謝產(chǎn)物階段時(shí)的最適溫度，采用變溫發(fā)酵，對(duì)提高發(fā)酵生產(chǎn)效率具有重要意義。
⑤ pH對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響 培養(yǎng)基的pH對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響主要是引起細(xì)胞膜電荷變化，以及影響營(yíng)養(yǎng)物離子化程度，從而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收；pH也會(huì)影響生物活性物質(zhì)，如酶的活性。
與溫度對(duì)微生物的影響類似，微生物存在最低生長(zhǎng)pH、最適生長(zhǎng)pH和最高生長(zhǎng)pH。不同微生物對(duì)環(huán)境pH適應(yīng)的范圍不同。一般微生物生長(zhǎng)的最適pH在4.0～9.0范圍內(nèi)。真菌生長(zhǎng)的范圍寬，細(xì)菌較窄（3～4pH單位），細(xì)菌、放線菌一般適應(yīng)于中性偏堿性環(huán)境，而酵母、霉菌適應(yīng)于偏酸性環(huán)境。最適生長(zhǎng)pH偏酸性的微生物，稱為嗜酸性微生物；其中不能在中性環(huán)境生長(zhǎng)的稱專性嗜酸微生物，如乳酸桿菌和假單胞桿菌；既能適應(yīng)酸性，也能在中性環(huán)境中生長(zhǎng)的稱兼性嗜酸菌；最適生長(zhǎng)pH偏堿性的稱嗜堿性微生物，如鏈霉菌。
同一種微生物在不同的生長(zhǎng)階段和不同生理生化過程中，對(duì)環(huán)境pH也有不同要求。如丙酮丁醇梭菌在pH為5.5～7.0時(shí)，以菌體生長(zhǎng)繁殖為主；pH為4.3～5.3時(shí)，才進(jìn)行丙酮丁醇發(fā)酵。
同一種微生物由于培養(yǎng)環(huán)境pH不同，可能積累不同的代謝產(chǎn)物。如黑曲霉在pH為2～3的環(huán)境中發(fā)酵蔗糖，產(chǎn)物以檸檬酸為主，只產(chǎn)極少量的草酸；當(dāng)pH接近中性時(shí)，則大量產(chǎn)生草酸，而檸檬酸產(chǎn)量很低。又如酵母菌在最適pH時(shí)，進(jìn)行乙醇發(fā)酵，不產(chǎn)生甘油和醋酸；如果環(huán)境pH大于8，發(fā)酵產(chǎn)物除乙醇外，還有甘油和醋酸。因此，在發(fā)酵過程中，根據(jù)不同目的，采用變pH發(fā)酵，可以控制產(chǎn)物和生產(chǎn)效率。
大多數(shù)微生物能分解糖，產(chǎn)生酸性物質(zhì)，造成pH下降。少數(shù)微生物能分解尿素成氨，使環(huán)境pH上升，蛋白質(zhì)脫羧反應(yīng)也會(huì)使pH上升。所以，微生物的代謝活動(dòng)會(huì)改變環(huán)境pH，影響其生存。pH變化的程度與培養(yǎng)基的C/N比有關(guān)，C/N比高，則pH下降明顯；反之，pH有可能會(huì)上升。有時(shí)為了控制發(fā)酵液的pH需要通過加入酸堿進(jìn)行調(diào)節(jié)。
⑥ 溶氧的影響 工業(yè)上大部分為好氧發(fā)酵，如抗生素、氨基酸、維生素、多糖、有機(jī)酸（細(xì)菌發(fā)酵生產(chǎn)乳酸例外）等發(fā)酵均需要往發(fā)酵液中通入無菌空氣，以滿足微生物生長(zhǎng)代謝過程對(duì)氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的細(xì)菌發(fā)酵為厭氧發(fā)酵，發(fā)酵過程不需要氧。
對(duì)于好氧發(fā)酵的工業(yè)生產(chǎn)，如何保證發(fā)酵液中氧的供給，滿足微生物對(duì)氧的需求，使氧的供、需矛盾不會(huì)成為生產(chǎn)的限制因素，是穩(wěn)定和提高生產(chǎn)、降低成本的關(guān)鍵之一。在發(fā)酵過程中氧的供給夠不夠，只憑通氣量的大小是難以確定的。由于發(fā)酵過程隨著微生物的繁殖、營(yíng)養(yǎng)物的消耗和代謝產(chǎn)物的積累，發(fā)酵液的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)均會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)盡管通氣量不變，氧在培養(yǎng)基中的溶解速度和濃度均會(huì)發(fā)生變化。為了了解和掌握氧對(duì)發(fā)酵的影響，最簡(jiǎn)單而有效的辦法是就地測(cè)定發(fā)酵液中的氧濃度，從氧濃度的變化情況了解氧的供需規(guī)律和它的變化對(duì)生產(chǎn)的影響。
在好氧發(fā)酵時(shí)，氧的不足會(huì)造成代謝異常，產(chǎn)量降低。為什么氧會(huì)成為限制因素，而不是其他營(yíng)養(yǎng)物？關(guān)鍵是與其他營(yíng)養(yǎng)物相比，氧在溶液中的溶解度和溶解速度很低，如果不采取適當(dāng)措施，氧的供給就會(huì)成為限制因素。
微生物在不同發(fā)酵階段，因其生長(zhǎng)、代謝水平的變化，對(duì)氧的需求量也有變化，因此，控制發(fā)酵液的溶氧可以達(dá)到提高生產(chǎn)水平的目的。
發(fā)酵液中溶氧濃度可以通過控制通氣量、罐壓、攪拌速度等控制氧的溶解速度和濃度。
可以看出，發(fā)酵過程對(duì)周圍環(huán)境的物理和化學(xué)條件十分敏感，任何一種微生物發(fā)酵均需要適當(dāng)?shù)臏囟取H、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)物等，保證最適的發(fā)酵條件是發(fā)酵成功獲得高產(chǎn)產(chǎn)品的關(guān)鍵
|
