发酵过程中的工艺参数及测定方法

发酵控制的先决条件是了解发酵进行的情况，进而根据这些情况作出调整，使发酵过程有利于目的产物的积累和产品质量的提高。通过取样分析获得有关发酵进行情况的大量信息，在此基础上，人们更好地控制发酵过程。

（一）发酵过程中的工艺参数

通过取样分析获得有关发酵的信息也称为参数，与微生物发酵有关的参数，可分为物理参数、化学参数和生物参数三类。

1. 物理参数

发酵生产中常常检测的物理参数：

（1）温度 指发酵整个过程或不同阶段所维持的温度。温度直接影响微生物的生长繁殖、生物合成、代谢产量和溶解氧浓度等。不同的菌种具有不同的生长温度范围和最适生长温度，因此，温度是发酵过程中的一个重要检测参数。

（2）压力 指发酵过程中发酵罐维持的压力。在发酵生产过程中，发酵罐内要维持一定的正压，是防止杂菌污染的重要措施。同时罐压对料液中的氧和二氧化碳的溶解度有很大影响，间接影响菌体的代谢。发酵过程中，若通过罐压的变化来控制发酵液的溶氧水平，从而达到工艺控制，稳定或提高产量的目的，这时罐压就成为一个重要参数。

罐压一般维持在表压0.02～0.05MPa，罐压可直接通过安装在罐上的压力表读出。

（3）搅拌转速 是指搅拌器在发酵罐中转动速度，通常以每1min的转数来表示。搅拌转速大小与发酵液的均匀性和氧在发酵液中的传递速度有关。

不同罐的大小（表8-3）、不同的菌体以及在不同的发酵阶段都需要相应的搅拌转速。因此生产上用变速电机或机械变速装置来满足发酵的需要。

表8-3 不同大小的通用型发酵罐搅拌器转速范围

（4）搅拌功率 指搅拌器搅拌时所消耗的功率，常指每1m³ 发酵液所消耗的功率（kW/m³ ）。通用式发酵罐的搅拌功率不仅是选择电动机的依据，也是确定罐内溶氧等重要参数的主要指标。一般情况下，搅拌功率与发酵液氧的传递系数（K_La）有正比关系。

轴搅拌功率是主要的测量参数，在设备和操作条件不变的情况下，搅拌功率随料液的菌丝浓度、黏度和泡沫等情况不同而发生变化。

（5）空气流量 是指单位体积发酵液每分钟内通入空气的体积，也叫通风比。在好氧微生物的深层培养中需要不断通入无菌、适温、较干燥的空气，以起到供氧，提高K_La及排出废气的重要作用。通气量的大小直接关系到发酵液中氧的传递，是需氧发酵中重要的控制参数之一，通风比一般控制在0.5～1.0vvm范围内。

（6）黏度 黏度代表流体流动时内摩擦阻力的大小，通常用表观黏度表示。料液的黏度与培养基的成分、菌体浓度、细胞形态和产物浓度等因素相关。如含有多糖类物质时，发酵液非常黏稠；霉菌和放线菌培养时，由于大量的菌丝体，培养液也会十分稠厚。

发酵醪的黏度直接影响氧传递的阻力，黏度越大，氧的传递阻力也相应大。黏度大小可作为细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映相对菌体浓度。因此掌握发酵醪液的基本性质，对发酵的管理操作、设备的设计放大都具有重要意义。

（7）料液体积 一般深层发酵其培养料体积占整个发酵液体积的7/10，可根据菌种的特性，产气的多少作适当调整。在深层培养过程中，通常还要用补料来达到控制发酵的目的，流加量和发酵罐中料液量的精确计量，在发酵过程和动力学研究上有着重要意义。

目前要实现自动控制则需要对料液的进入、储存应有精确的计量。其计量法有压差法、重量测量法、体积计量法、流量计量法和液位探针法。

2. 化学参数

发酵过程中检测的化学参数主要包括：

（1）pH 发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱的生化反应的综合结果。它是发酵工艺控制的重要参数之一。它的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。

（2）基质浓度 指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度。它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有着重要的影响，也是提高代谢产物产量的重要控制手段。因此，在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和总糖）、氮（氨基氮）等基质的浓度。(www.xing528.com)

（3）溶氧浓度 氧是微生物体内一系列细胞色素氧化酶催化产能反应的最终电子受体，也是合成某些产物的基质。利用溶氧（DO ）浓度的变化，可以了解微生物对氧利用的规律，反映发酵的异常情况，是一个重要的控制参数。

（4）产物的浓度 这是发酵产物产量高低或生物合成代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。

（5）废气中氧含量 废气中氧的含量与产生菌的摄氧率和K_L a有关。从废气中氧和二氧化碳的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸商和发酵罐的供氧能力。摄氧率又称耗氧速率，是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，以r表示，单位为mmol O₂/（L·h）。

（6）废气中二氧化碳含量 废气中的二氧化碳是由产生菌在呼吸过程中放出的，测定它可以算出产生菌的呼吸商，从而了解产生菌的呼吸代谢规律。

3. 生物参数

为了解发酵过程中微生物菌体的代谢状况，还需要测定一些与发酵相关的生物学参数。

（1）菌丝形态 在放线菌和真菌这样的丝状菌发酵过程中，菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映。一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一。

（2）菌体浓度 菌体浓度是控制微生物发酵过程的重要参数之一，特别是对抗生素等次级代谢产物的发酵控制。菌体量的大小和变化速度对菌体合成产物的生化反应都有重要的影响，因此测定菌体浓度具有重要意义。

（3）菌体比生长速率 每1h单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。菌体比生长速率与代谢有关，是发酵动力学中的一个重要参数。如抗生素合成阶段，比生长速率菌体量增加过多，会使代谢向菌体合成方向发展，不利于抗生素的合成。

（4）氧比消耗速率 又称呼吸强度，是单位质量的干菌体在单位时间（每1h）内所消耗的氧量，以Qo₂表示，单位为mmol O₂/（g·h）。

（5）糖比消耗速率 每1h单位质量的干菌体所消耗的糖量，其单位为g或mmol（己糖）/（g·h）。

（二）发酵过程参数监测方法

获取发酵过程中正确可靠的各种数据是研究发酵动力学的前提。首先要尽可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。其次，将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。第三，建立各种数学模型以描述各参数之间随时间变化的关系。第四，通过计算机的在线控制反复验证各种模型的可行性与适用范围。

目前较常测定的参数有温度、罐压、空气流量、搅拌转速、pH、溶氧、效价、糖含量、基质浓度，前体（如苯乙酸）浓度、菌体浓度等。不常测定的参数有氧化还原电位、黏度、排气中的氧气和二氧化碳含量等。一些参数的测定如表8-4、表8-5和表8-6所示。

参数测定方法：在线测定和取样测定（离线测定）。

在线检测是通过专门的传感器（也叫电极或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信息传递出来，为发酵控制提供依据。

表8-4 发酵过程一些物理参数的测定

表8-5 发酵过程的一些化学参数的测定

表8-6 发酵过程一些生物参数的测定

注：∗DCW（Dry Cell Weight）表示细胞干重。