发酵生产的控制技术与条件支持

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：所以，目前还不能对发酵进行全面控制，使其按人的意志进行目标产物的生物合成。但是，掌握发酵工艺条件对发酵过程的影响以及微生物代谢过程的变化规律，可以帮助人们有效地控制微生物生长和代谢产物的发酵生产，不断提高发酵水平。此外，通过发酵动力学研究，建立能定量描述发酵的过程的数学模型，并借助现代过程控制手段，为发酵生产的优化控制提供技术和条件支持。

发酵体系是一个非常复杂的多相共存的动态系统，主要特征在于：①微生物细胞内部结构及代谢反应的复杂性；②所处的生物反应器环境的复杂性，主要包括气相、液相、固相混合的三相系统；③系统状态的时变性及包含参数的复杂性，这些参数互为条件，相互制约。所以，目前还不能对发酵进行全面控制，使其按人的意志进行目标产物的生物合成。尽管影响发酵的因素很多，甚至有些因素目前尚未知，且主要影响因素有时也会发生变化。但是，掌握发酵工艺条件对发酵过程的影响以及微生物代谢过程的变化规律，可以帮助人们有效地控制微生物生长和代谢产物的发酵生产，不断提高发酵水平。

发酵过程控制的首要任务是了解发酵进行的情况，采用不同方法测定与发酵条件及内在代谢变化有关的各种参数，了解生产菌对环境条件的要求和菌体的代谢变化规律，进而根据这些变化情况做出相应调整，确定最佳发酵工艺，使发酵过程有利于目标产物的积累和产品质量的提高。

（一）发酵相关参数

要实施发酵过程控制，首先必须了解发酵过程的各种参数。

（1）常规的发酵工艺控制参数　温度、pH、搅拌转速、空气流量、罐压、液位、补料速率及补料量等。

（2）表征发酵过程性质的直接状态参数　溶解氧、溶解CO2、氧化还原电位、尾气中的O2和CO2含量、基质（如葡萄糖）或产物浓度、代谢中间体浓度、菌体浓度。

（3）发酵体系中各种间接状态参数　比生长速率、摄氧率、CO2释放速率、呼吸商、氧得率系数、氧体积传质速率、基质消耗速率、产物合成速率等。

由于发酵生产水平主要取决于生产菌种特性和发酵条件的适合程度。因此，了解生产菌种的特性及其与环境条件（培养基、罐温等）的相互作用、产物合成代谢规律及调控机制，就可为发酵过程控制提供理论依据。

此外，通过发酵动力学研究，建立能定量描述发酵的过程的数学模型，并借助现代过程控制手段，为发酵生产的优化控制提供技术和条件支持。通常，一种发酵过程的优化控制实施可以通过以下四步来完成：①首先确定能反映过程变化的各种理化参数及其检测方法；②其次研究这些参数的变化对发酵生产水平的影响及其机制，获取最佳范围和最适水平；③建立数学模型定量描述各参数之间随时间变化的量化关系，为发酵过程优化控制提供依据；④最后，通过计算机实施在线自动检测和控制，验证各种控制模型的可行性及其适用范围，实现发酵过程的最优控制。

（二）发酵过程参数检测

发酵过程参数的测定是进行发酵过程控制的重要依据。发酵过程参数的检测分为两种方式，一是利用仪器进行在线检测，二是从发酵罐中取出样品进行离线检测。常用的在线检测仪器有各种传感器如pH电极、溶氧电极、温度电极、液位电极、泡沫电极、尾气分析仪等。离线分析发酵液样品的仪器有分光光度计、pH计、温度计、气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）、气质联用（GC-MS）等。这些在线或离线检测的参数均可用于监测发酵的状态，直接作为发酵控制的依据。(https://www.chuimin.cn)

工业发酵对在线测量传感器的使用十分慎重，现在采用的一些发酵过程在线测量仪器均为经过考验、可靠的传感器，如用热电耦测量罐温、压力表或压力传感器指示罐压、转子流量计测量空气流量以及测速仪测定搅拌转速。选择仪器时不仅要考虑其功能，还要确保该仪器不会增加染菌的概率，且置于发酵罐内的探头必须能耐高温、高压蒸汽灭菌，常遇到的问题是探头的敏感表面受微生物的黏附而使其精确性受到影响。

发酵过程直接参数测定方法见表6-2，间接状态参数测定方法见表6-3。综合直接状态参数和间接状态参数，可了解过程状态、反应速率、设备性能、设备利用效率等信息，以便及时调整。

表6-2　发酵过程直接测定参数

续表

表6-3　通过直接状态参数计算得到的间接状态参数

（三）发酵过程的代谢调控

微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。从细胞水平上看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。这是因为微生物细胞的体积极小，而所处环境条件十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。

有人估计，在大肠杆菌细胞中，同时存在着2500种左右的蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。如果细胞平均使用蛋白质，由于每个细菌细胞的体积只够装约10万个蛋白质分子，所以平均每种酶还分配不到100个分子。在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。例如，在每种微生物的遗传因子上，虽然潜藏着合成各种分解酶的能力，但是除了一部分是属于经常以较高浓度存在的组成酶外，大量的都是属于只有当其分解底物或有关诱导物存在时才合成的诱导酶。据估计，诱导酶的总量约占细胞总蛋白含量的10%。通过代谢调节，微生物能最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。

微生物细胞的代谢调节方式很多，如调节营养物质透过细胞膜进入细胞的能力，通过酶的定位以限制它与相应底物接近，以及调节代谢流等。其中以调节代谢流的方式最为重要，包括两个方面：一是调节酶的合成量，常称为“粗调”；二是调节现有酶分子的催化活力，又称为“细调”。两者往往密切配合和协调以达到最佳调节效果。

发酵生产的控制技术与条件支持

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