一、发酵概念
工业上的发酵：泛指利用微生物在发酵罐或者特定反应容器中在特定的条件下生产某些产品的过程。产品有细胞代谢产物，菌体细胞，酒精，乳酸，抗生素，氨基酸，酶制剂等。 发酵过程：
菌种选育：自然界筛选、诱变育种、基因工程、细胞工程 ↓
培养基配制：根据培养基的配制原则制备，实践中需多次试验配方 ↓
灭菌：杀灭杂菌 ↓
扩大培养和接种 ↓
发酵过程（中心阶段）：检测进程，满足碳源、氮源、无机盐等营养需要；严格控制温度、pH、溶氧、转速等 ↓
分离纯化：菌体：过滤、沉淀
代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换
二、微生物工业产品的类型
1．微生物菌体的发酵：以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵工业。 传统的菌体发酵工业：①面包酵母发酵②微生物菌体蛋白（单细胞蛋白） 现代的菌体发酵工业：药用真菌（如冬虫夏草，灵芝与天麻共生的密环菌） 农业上——生防治剂：苏云金杆菌（Ｂt）,蜡状芽孢杆菌，细胞中的伴孢晶体可以杀灭 。鳞翅目和双翅目害虫；丝状真菌的白僵菌，绿僵菌可以防治松毛虫；木霉菌可以防治生物病害。另外，活性乳酸菌制剂，用以改善人体肠道微环境，也是一种菌体的直接利用。还有人畜防治疾病用的疫苗等。
2.微生物酶发酵
酶普遍存在于动物，植物和微生物中。如在食品工业中，用微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖，氨基酰化酶用于拆分ＤＬ氨基酸。 3.微生物代谢产物发酵：
(1)初级代谢产物(primary metabolite) 菌体生长繁殖所必需的，在对数生长期产生的物质，如氨基酸、核苷酸、蛋白质等。
(2)次级代谢产物(secondary metabolite) 与菌体生长繁殖无明显关系，是在菌体生长的稳定期（静止期）合成的具有特定功能的产物。如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子、色素维生素，柠檬酸，谷氨酸等。
4.微生物的生物转化
利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有价值的产物。 最古老的生物转化：利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。另外还有： 异丙醇→丙醇 葡萄糖→葡萄糖酸 山梨醇→Ｌ－山梨糖
5.微生物特殊机能的利用 ①利用微生物消除环境污染
②保持生态平衡等
③湿法冶金（金属的浸沥回收）
④利用基因工程菌株开拓发酵工业新领域
三、微生物发酵的方式
一、分批培养（batch culture or fermentation）又称分批发酵，常用的培养方法。在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。
分
二、连续培养（continuous culture）
1.概念： 微生物培养到对数生长期时，在发酵罐中不断添加新鲜的培养基，同时不断放出代谢物，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的培养方式。
2.特点：微生物细胞的生长速率，产物的代谢均处于恒定状态，有效地延长对数期到稳定期的阶段，可达到稳定，高速培养微生物细胞或产生大量代谢产物的目的，菌的浓度，产物浓度，限制性基质浓度均处于恒定状态。
3.连续培养的优缺点
优点: 控制稀释速率可以使发酵过程最优化。发酵周期长，产量高。
缺点: 长期连续培养会引起菌种退化，降低产量。染菌机会增加。
与分批培养比较：
优点：①连续运行，生产周期短，提高了设备利用率和生产效率。
②便于自动化控制，产品质量稳定。
缺点：①连续操作，设备复杂，易受杂菌污染。
②收率和产物浓度低，不利于提取。
③营养物质利用率低，增加了生产成本。
④需要复杂的检测，控制系统。
⑤易受菌种退化的影响。
应用：废水处理、葡萄糖酸发酵、酒精发酵等工业中。
因此，连续培养在工业生产上并不多见，只局限于酒精，单细胞蛋白，丙酮，丁
醇等少数几个产品。在生产实践中，完全封闭式的分批培养或者纯粹的连续培养较少见，更多见的是两者的折中形式：补料分批培养。
三、补料分批培养（fed-batch culture）： 介于分批培养和连续培养之间的操作方法。
1.概念：根据菌体生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。(克服营养不足，体积有所变化（增大）)。
2.补料分批培养的优缺点
优点：与分批培养相比：
(1) 解除底物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。
(2) 延长次级代谢产物的生产时间。
(3) 可避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多的状况。
(4) 达到高浓度细胞培养。
(5) 稀释有毒代谢产物。
与连续培养相比：
(1)降低了染菌，避免了遗传不稳定性（退化和变异）。（因为操作时间有限）
(2)最终产物浓度较高，有利于产物的分离。
(3)使用范围广。在生产次级代谢产物和细胞高浓度培养中普遍采用。是发酵技术上的一个划时代的进步。
缺点：
(1)由于没有物料取出，产物的积累最终导致比生产速率的下降。
(2)由于物料的加入增加了染菌机会。
应用：面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。
3.几个实例：
一、温度对发酵的影响
1.影响反应速率：发酵过程中的反应速率实际上是酶反应速率。酶反应有一个最适温度。 2.影响发酵方向：如利用金色链霉菌发酵生产四环素的同时能生产金霉素。在低于30℃下，合成金霉素的能力较强，而在35℃时只产生四环素。
另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和传递速率。
二、最适温度的选择
最适发酵温度是既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度。但最适生长温度与最适生产浓度往往是不一致的。如谷氨酸产生菌的最适生长温度为30～34℃，产谷氨酸的温度为36～37℃。因此在发酵前期的长菌阶段和种子培养阶段应满足菌体的生长最适温度。在发酵的中后期要适当提高温度。
培养条件：通气条件差，可适当降温，使菌呼吸速率降低，溶氧可提高些。
三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐射
四、温度的控制
一般不需加热，因释放了大量的发酵热，需要冷却的情况多。用夹套或蛇形管，通冷却水。南方夏季，冷却水温度高，用冷冻盐水降温（循环式）,需建冷冻站。 pH变化及其控制
一、pH变化的原因。
微生物本身具有一定的调节pH的能力。所以pH变化有一定的规律性。
菌体生长阶段，相对于接种后的起始pH来说，有上升或下降的趋势。
生产阶段，pH趋于稳定，维持在最适产物形成pH范围。
菌体自溶阶段，培养液中氨基氮增加，pH上升。
1.基质代谢
（1）糖代谢 糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。
（2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降；尿素被分解成NH3，pH上升。
（3）生理酸碱性物质利用后，pH上升或下降。
2.产物形成
3.菌体自溶 ：pH上升
二、pH对发酵的影响
1.影响酶的活性。
2.影响微生物细胞的结构。（影响细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性。影响营养物质的吸收和代谢产物的排泄，影响新陈代谢的进行）
3.影响微生物对基质的利用速率。（影响培养基中某些组分的解离）
4.影响代谢方向。如黑曲霉pH2～3时产柠檬酸，pH中，产草酸。谷氨酸：中性或微碱产谷氨酸/酸性产谷氨酰胺。
三、pH值的确定和控制
1.pH的确定
微生物发酵的最适pH范围一般在5~8之间，同一菌种，生长最适pH可能与产物合成最适pH不同。最适pH是根据实验来确定的，即配制不同初始pH的培养基，摇瓶考察发酵情况。
生长的最适pH值与发酵的最适pH值可能不同：
举例：Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主，而在pH7.0时，则以合成草酸为主。谷氨酸：中性或微碱产谷氨酸/酸性产谷氨酰胺。
2.pH的控制
(1)首先从基础培养基的配方考虑。
a.调节培养基的原始pH。
若控制消后SO4pH在6.0，消前pH往往要调到6.5~6.8。
若达不到要求，则：
b.加入缓冲溶液（如磷酸盐）或加入维持pH的物质如CaCO3。
c.使盐类和碳源的配比平衡。
(2)通过加酸碱和中间补料来控制。
a.过去直接加酸（H2SO4）或碱（NaOH），现常用：
生理酸性物质：(NH4)2SO4，NH4+被细胞利用后，SO42-引起pH下降。
生理碱性物质：氨水。既补充氨，氮，又调pH。但氨水作用快，pH波动大，要采用少量多次流加的方法。
b.补料既调节了pH值，又补充了营养，还可减少阻遏作用。
如：味精厂普遍采用流加尿素，有两个作用：
调节pH值
补充氮源
第四节 溶解氧及其控制
一、溶解氧（diolved oxygen,DO）对发酵的影响
要考察每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，使发酵过程保持在最适浓度。如青霉素发酵的临界氧浓度为5%- 10%之间，低于此值就会对青霉素合成造成损失。
溶氧要适量，大小与产物的生物合成途径有关。
如：初级代谢的氨基酸发酵，需氧量的大小与氨基酸的合成途径有关。
①谷氨酸，谷氨酰胺，精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，在菌体呼吸充足的条件下，产量最大。若供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈抑制。（乙醛酸循环磷酸烯醇式丙酮酸产生的NADH量多）
②异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸，天冬氨酸等天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限， 产量受影响不明显。( 产生的NADH量不多)
③亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸仅在供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才能获得对大量的氨基酸。若供氧充足，产物形成反而受抑制。（不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而抑制）
（1）最适氧浓度（optimal oxygen concentration）：
——菌体生长或产物合成最适浓度范围。
（2）临界氧浓度（critical value of diolved oxygen concentration）：
——满足微生物呼吸的最低氧浓度。
二、溶氧浓度的控制
溶氧浓度决定因素：供氧和需氧两方面。
（一）供氧方面：
1.调节搅拌转速
2.调节通气速率
（二）需氧方面：
1.菌体浓度和菌龄（呼吸旺盛，耗氧大）
2.基质种类和浓度 ：营养丰富，浓度高，菌体生长快，耗氧量大。以菌浓影响最明显。
3.培养条件：在最适条件下发酵，耗氧量大。
控制方法：通过控制基质浓度。
大型发酵罐搅拌装置（搅拌装置，温度传感器，耐高温pH和溶氧（DO）传感器）
第五节 泡沫的形成与控制
一、泡沫产生的原因
1.通风搅拌程度及菌体新陈代谢产生的CO2。
2.培养基性质：蛋白质含量多（玉米浆，蛋白胨，黄豆粉，酵母粉），糊精含量多易发泡。
二、泡沫的危害
1.降低生产能力（装料系数减少）
2.造成大量逃液 引起原料浪费，产物流失 ，增加了染菌的机会。
3.严重时，影响通气搅拌，妨碍另外菌体呼吸代谢，导致代谢异常或菌体自溶。
三、泡沫的控制 两种途径：
-调整培养基成分（如少加或缓加易起泡的原材料）
-改变某些物理化学参数（如pH值、温度、通气和搅拌）
-改变发酵工艺（采用分批投料）
上述方法的效果有一定限度。
1.机械消泡：（物理方法，消除已形成的泡沫）
利用机械振动或压力变化使泡沫破裂。
罐内消泡: 靠罐内消泡浆打碎泡沫。优点：不需引进外界物质，避免染菌，不增加下游负担。
罐外消泡：将泡沫引出罐外，靠喷嘴的加速作用或离心力消除泡沫。
2.消泡剂消泡
机理:降低液膜的机械强度，降低液膜的表面粘度，从而达到破裂泡沫的目的。
（1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜籽油（还可作为碳源），用量大，0.1% - 0.2%。
（2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的10～20倍，用量少，0.02%-0.03%。
