发酵过程的影响因素及控制方法

发酵过程的影响因素及控制方法

引用

网易

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https://www.163.com/dy/article/J5FG8H2D05382FCO.html

发酵工程作为现代生物技术的重要组成部分，在制药、食品、化工等领域发挥着关键作用。发酵过程的优化和控制对于提高产物产量和质量至关重要。以下将对发酵过程中的主要影响因素及控制方法进行详细探讨，包括菌体浓度、营养物质、温度、pH、溶氧、泡沫、染菌以及发酵终点的判断。

菌体浓度

菌体浓度是指单位体积发酵液中菌体的数量。合适的菌体浓度对于发酵过程的顺利进行和产物的形成具有重要意义。

影响因素

• 接种量：接种量的大小直接影响起始菌体浓度。
• 培养基成分：营养丰富的培养基有助于菌体的生长，从而增加菌体浓度。
• 培养条件：如温度、pH、溶氧等条件适宜时，菌体生长旺盛，浓度增加。

控制方法

• 优化接种量：通过实验确定适宜的接种量，以获得理想的起始菌体浓度。
• 调控培养基：根据菌体生长需求，合理调整培养基成分和浓度。

营养物质

营养物质是菌体生长和代谢的物质基础。

影响因素

• 碳源：如葡萄糖、蔗糖等，其种类和浓度影响菌体生长和代谢。
• 氮源：包括有机氮源（如蛋白胨、酵母粉）和无机氮源（如铵盐、硝酸盐）。
• 无机盐：如磷、钾、镁等，参与细胞的结构组成和代谢调节。
• 生长因子：某些微生物需要特定的生长因子，如维生素、氨基酸等。

控制方法

• 合理选择和配比：根据菌种特性和发酵目的，选择合适的营养物质种类和比例。
• 流加补料：根据发酵过程中营养物质的消耗情况，适时流加补充，维持营养物质的平衡。

温度

温度是影响发酵过程的重要环境因素。

影响因素

• 影响酶活性：温度过高或过低都会导致酶活性降低，从而影响菌体的代谢速率。
• 影响菌体生长：不同微生物有其最适生长温度范围，偏离该范围会抑制生长。
• 影响产物合成：产物的合成往往具有特定的温度要求。

控制方法

• 选择合适的发酵温度：根据菌种特性和产物特性，通过实验确定最适发酵温度。
• 采用有效的控温措施：如使用夹套、盘管等进行冷却或加热，维持温度稳定。

pH

pH 值对发酵过程有显著影响。

影响因素

• 影响酶活性和细胞结构：改变细胞内的 pH 环境，影响酶的构象和活性，以及细胞膜的通透性。
• 影响营养物质的吸收和代谢产物的排泄：影响菌体对营养物质的摄取和代谢产物的释放。
• 影响微生物的生长和产物合成：不同微生物和产物有各自适宜的 pH 范围。

控制方法

• 调节培养基初始 pH：根据菌种特性和发酵过程中的 pH 变化规律，确定合适的初始 pH。
• 采用酸碱调节剂：在发酵过程中，通过流加酸碱溶液（如氢氧化钠、盐酸）来调节 pH。

溶氧

溶氧是指发酵液中溶解氧的含量。

影响因素

• 搅拌速度：搅拌速度越快，溶氧效果越好。
• 通气量：增加通气量可以提高溶氧水平。
• 发酵液的性质：如黏度、表面张力等会影响氧的传递。

控制方法

• 优化搅拌和通气：通过实验确定最佳的搅拌速度和通气量。
• 改变发酵液性质：如降低发酵液的黏度，改善溶氧状况。

泡沫

泡沫在发酵过程中经常出现，会带来一系列问题。

影响因素

• 培养基成分：某些蛋白质类物质容易产生泡沫。
• 通气和搅拌：剧烈的通气和搅拌会促进泡沫的形成。

控制方法

• 化学消泡：使用消泡剂（如硅油、聚醚类）消除泡沫。
• 机械消泡：通过安装消泡装置，如消泡桨、离心式消泡器等。

染菌

染菌是发酵过程中的严重问题，会导致发酵失败。

影响因素

• 设备灭菌不彻底：发酵罐、管道等设备存在死角，灭菌不完全。
• 空气除菌效果差：空气中的杂菌进入发酵系统。
• 操作不当：如接种时操作不规范。

控制方法

• 严格设备灭菌：确保发酵设备和管道的灭菌效果。
• 优化空气除菌：采用高效的空气过滤系统。
• 规范操作流程：加强操作人员的培训，严格遵守操作规范。

发酵终点的判断

准确判断发酵终点对于提高产物产量和质量、降低成本具有重要意义。

影响因素

• 产物产量：达到最大产量时即为发酵终点。
• 产物质量：如活性、纯度等达到最佳时。
• 成本考虑：包括能耗、原材料消耗等。

控制方法

• 监测产物指标：定期检测产物的浓度、活性等指标。
• 分析成本效益：综合考虑生产成本和产物收益，确定最佳的发酵终点。

发酵过程是一个复杂的系统，菌体浓度、营养物质、温度、pH、溶氧、泡沫、染菌以及发酵终点的判断等因素相互影响、相互制约。通过对这些因素的深入研究和有效控制，可以实现发酵过程的优化和高效生产。