影响发酵生产的因素

发酵生产过程中，以下因素会影响发酵效果。

① 菌种  发酵是利用微生物来生产产品，因此菌种至关重要。现在工业上用于生产青霉素的微生物主要是青霉菌，生产味精的微生物是棒状杆菌，生产柠檬酸的微生物主要是黑曲霉。这是因为每一种微生物的代谢特征不同，它们产生特定产物的能力也不同。为了利用发酵生产所需的产物，不是随便拿来一个菌种就行。直接从自然界分离到的微生物不一定具有生产特定产物的能力，须在实验室里对几百株、数千株微生物进行筛选。即使得到了产生特定产物能力的菌株，其生产能力和性能也不见得能够满足生产的需要，还须经过诱变选育得到高产、性能优良的菌种。即使利用基因工程构建的具有特殊生产能力的工程菌，都还要对其进行仔细研究，全面了解产生产物的规律、影响菌株产生产物的各种因素和它们之间的关系，以及控制办法，并在实验室里进行验证和扩大规模的验证，才能够用于生产。在大规模工业生产上有了优良的生产菌种还不够，必须通过适当的措施提供足够量的种子。

② 发酵培养基  现在大规模工业发酵产品的生产，多采用液体培养基进行深层发酵。使用的培养基必须满足微生物细胞生长、繁殖的需要，因为没有大量的细胞就不可能产生大量的产物；但是细胞的过分生长会消耗大量的营养物，有时又会影响细胞的生产能力，会使产物的产量和产率下降。使用的培养基还必须有利于微生物大量合成产物。因此，培养基的组成十分关键。

③ 纯种发酵与灭菌  现代发酵工业绝大多数采用纯种发酵，可以保证高产及生产过程和产品质量的稳定。污染是发酵工业的大敌，它会使发酵失败，造成巨大损失。因此，灭菌和无菌操作成为发酵工业的重要环节。

发酵涉及到的设备，如发酵罐、空气过滤系统、管道、阀门、取样设备等均必须用120 ℃以上的高压蒸汽进行彻底灭菌，把存在的所有微生物杀死。配制好的培养基在进入发酵罐之前要加热到120 ℃以上，进行灭菌，或进入时采用连续高温灭菌的方法进行灭菌，即将与发酵关联的所有系统进行灭菌，然后使系统降温到发酵温度后，接入种子，开始发酵。只有这样才能保证接入的菌种不受污染，进行正常发酵。如果灭菌不彻底，哪怕有很少量的杂菌没有被杀死，也会在发酵过程中大量繁殖，造成污染，使发酵失败。

④ 温度对微生物生长的影响  温度主要是通过影响微生物细胞内生物大分子的活性来影响微生物的生命活动。一方面，随着温度的升高，细胞内的酶反应速度加快；另一方面，随着温度的进一步增高，生物活性物质（蛋白质，核酸等）发生变性，细胞功能下降，甚至死亡。所以，每种微生物都有个最适生长温度。作为整体，微生物可在-10～95 ℃范围中生长，极端下限为-30 ℃，极端上限为105～300 ℃。但对于某一种特定的微生物来说，则只能在一定的温度范围内生长。温度下限和上限分别称为微生物的最低和最高生长温度。当低于或高于最低或最高生长温度，微生物就停止生长，甚至死亡。

需要指出的是，微生物不同的生理活动需要在不同的温度条件下进行，所以，生长速率、发酵速度、代谢产物积累速度的最适温度往往不在同一温度下。例如，乳酸链球菌在34 ℃时繁殖速度最快，25～30 ℃时细胞产量最高，40 ℃时发酵速度最快，30 ℃时乳酸产量最高。其他微生物也有类似特点。

在较高温度下，细胞分裂虽然较快，但维持时间不长，容易老化；相反，在较低温度下，细胞分裂虽然较慢，但维持时间长，细胞的总产量反而较高。

同样，发酵速度与代谢产物积累之间也有类似关系。研究不同微生物在生长或积累代谢产物阶段时的最适温度，采用变温发酵，对提高发酵生产效率具有重要意义。

⑤ pH对微生物生长的影响  培养基的pH对微生物生长的影响主要是引起细胞膜电荷变化，以及影响营养物离子化程度，从而影响微生物对营养物的吸收；pH也会影响生物活性物质，如酶的活性。

与温度对微生物的影响类似，微生物存在最低生长pH、最适生长pH和最高生长pH。不同微生物对环境pH适应的范围不同。一般微生物生长的最适pH在4.0～9.0范围内。真菌生长的范围宽，细菌较窄（3～4pH单位），细菌、放线菌一般适应于中性偏碱性环境，而酵母、霉菌适应于偏酸性环境。最适生长pH偏酸性的微生物，称为嗜酸性微生物；其中不能在中性环境生长的称专性嗜酸微生物，如乳酸杆菌和假单胞杆菌；既能适应酸性，也能在中性环境中生长的称兼性嗜酸菌；最适生长pH偏碱性的称嗜碱性微生物，如链霉菌。

同一种微生物在不同的生长阶段和不同生理生化过程中，对环境pH也有不同要求。如丙酮丁醇梭菌在pH为5.5～7.0时，以菌体生长繁殖为主；pH为4.3～5.3时，才进行丙酮丁醇发酵。

同一种微生物由于培养环境pH不同，可能积累不同的代谢产物。如黑曲霉在pH为2～3的环境中发酵蔗糖，产物以柠檬酸为主，只产极少量的草酸；当pH接近中性时，则大量产生草酸，而柠檬酸产量很低。又如酵母菌在最适pH时，进行乙醇发酵，不产生甘油和醋酸；如果环境pH大于8，发酵产物除乙醇外，还有甘油和醋酸。因此，在发酵过程中，根据不同目的，采用变pH发酵，可以控制产物和生产效率。

大多数微生物能分解糖，产生酸性物质，造成pH下降。少数微生物能分解尿素成氨，使环境pH上升，蛋白质脱羧反应也会使pH上升。所以，微生物的代谢活动会改变环境pH，影响其生存。pH变化的程度与培养基的C/N比有关，C/N比高，则pH下降明显；反之，pH有可能会上升。有时为了控制发酵液的pH需要通过加入酸碱进行调节。

⑥ 溶氧的影响  工业上大部分为好氧发酵，如抗生素、氨基酸、维生素、多糖、有机酸（细菌发酵生产乳酸例外）等发酵均需要往发酵液中通入无菌空气，以满足微生物生长代谢过程对氧的需求；而酒精、丙酮、丁醇和乳酸的细菌发酵为厌氧发酵，发酵过程不需要氧。

对于好氧发酵的工业生产，如何保证发酵液中氧的供给，满足微生物对氧的需求，使氧的供、需矛盾不会成为生产的限制因素，是稳定和提高生产、降低成本的关键之一。在发酵过程中氧的供给够不够，只凭通气量的大小是难以确定的。由于发酵过程随着微生物的繁殖、营养物的消耗和代谢产物的积累，发酵液的物理、化学和生物学性质均会发生改变，这时尽管通气量不变，氧在培养基中的溶解速度和浓度均会发生变化。为了了解和掌握氧对发酵的影响，最简单而有效的办法是就地测定发酵液中的氧浓度，从氧浓度的变化情况了解氧的供需规律和它的变化对生产的影响。

在好氧发酵时，氧的不足会造成代谢异常，产量降低。为什么氧会成为限制因素，而不是其他营养物？关键是与其他营养物相比，氧在溶液中的溶解度和溶解速度很低，如果不采取适当措施，氧的供给就会成为限制因素。

微生物在不同发酵阶段，因其生长、代谢水平的变化，对氧的需求量也有变化，因此，控制发酵液的溶氧可以达到提高生产水平的目的。

发酵液中溶氧浓度可以通过控制通气量、罐压、搅拌速度等控制氧的溶解速度和浓度。

可以看出，发酵过程对周围环境的物理和化学条件十分敏感，任何一种微生物发酵均需要适当的温度、pH、溶解氧、营养物等，保证最适的发酵条件是发酵成功获得高产产品的关键

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