工业微生物的发酵培养浅析

[摘 要]近年来，微生物发酵在相关工程技术领域的应用越来越V泛，该工艺包括培养基组分中碳源、无机盐、氮源、微量元素等的作用，并控制pH值、温度、溶氧等对发酵的影响，从而将微生物发酵工艺进行了优化，以推进生产效率的提高和产业的应用发展。

[关键词]工业微生物；发酵培养

中图分类号：TQ920.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0006-01

生物发酵工程是与人们生活息息相关的一种技术体系，包括工业生产菌株选育、生化反应器设计、最佳发酵条件的选择及控制等过程。根据对目前国内外微生物发酵工艺的研究，相关研究团队进行了综合的分析和研究。通过对微生物发酵工艺中影响发酵的各种因素的分析，总结出了相应的技术经验并且制定了工艺的优化方法。近年来，微生物发酵在相关工程技术领域的应用越来越广泛，该工艺包括培养基组分中碳源、无机盐、氮源、微量元素等的作用，并控制pH值、温度、溶氧等对发酵的影响，从而将微生物发酵工艺进行了优化，以推进生产效率的提高和产业的应用发展。

1 发酵工程外界因素的影响

1.1 补料对发酵的影响

菌类的生长发酵所必须的因素都达标的同时，补料的及时准确的供给也是直接影响着菌类的发酵。补料的作用是及时的补充菌类生长发酵所需要的能源。例如在酵母菌的培养过程中，适当的补充营养物质会抑制乙醇的生成，从而避免了菌类的生长周期变长，产率下降等问题。在培养过程中准确的添加补料量可以有效的调节菌类的呼吸防止中间出现氧气的限制。这样做的办法很大程度上减少了酵母菌的发芽问题，同时促进酵母菌细胞的快速成熟，从而直接提高了酵母菌的产物的产量。在不断的利用先进设备进行检测的同时更好的了解菌类发酵过程中的动态信息从而更好的了解发酵过程中原料的需求情况。根据需求以及菌类种类的不同可以适当选择添加物的物理特征。例如添加液态物质，固态物质。

1.2 二氧化碳对菌类生长的影响

二氧化碳作为新陈代谢的最终产物直接影响到菌类的生存情况。当溶解在发酵液中的二氧化碳的浓度超过一定范围以后直接会对氨基酸、抗生素等出现抑制或者刺激现象。当菌类代谢产生的二氧化碳的浓度超过4%的时候，直接会影响菌类的糖代谢和呼吸速率。就算营养液中的氧气达到标准由于二氧化碳的浓度超过一定的范围也会直接影响到氨基酸的发酵问题。因此，在更快的提高发酵产率的同时也要考虑到产物二氧化碳的排放问题。在生产过程中，要考虑到二氧化碳随着液体深度压力变化的情况。为了更好的满足生产的需求常常采取减少通气量以及提高罐的压力来减少逃液，但是根据二氧化碳的性质这样做的在很大程度上增加了二氧化碳的含量从而直接影响菌类的生长。所以，在考虑到菌类生长发酵的同时也要考虑到二氧化碳浓度以及排泄的因素。

2 微生物发酵工艺优化的方法

2.1 正交试验设计法

正交试验设计法是一种数理统计方法，主要是通过正交表来进行多因素问题的分析，在研究得出结论以后可以通过直观分析或者是直接对比来确定微生物发酵的主要影响因素。该设计法在使用中具有工作量小、方法简单、效果好、效率高等特点，因此正交试验设计法是微生物发酵工艺优化的最常用方法。正交试验设计法在工业和农业生产中应用广泛，并且在其他科研领域也取得了显著的效果。该设计法曾被多名生物学家进行实际的优化应用，例如利用正交设计法对枯草芽孢杆菌的液体发酵进行优化，从而使发酵后杆菌的产量大大提高。

2.2 Plackett-Burman设计法

Plackett-Burman法主要针对因子数较多且未确定众因子相对于响应变量的显著影响，采用的试验设计方法。能够及时有效地筛选出对试验结果具有显著影响的关键因素。在通常情况下，使用Plackett-Burman设计法开展的N次试验最多能够研究（N-1）个因素，对每个因素取两个水平，通常是设低水平为原始培养条件，高水平为低水平的1.25倍，通过对各个因素两水平的差异与整体的差异进行对比分析来对因素显著性进行确定。需要加以注意的是，如果因素水平选取得不合适有可能导致Plackett-Burman试验结果无效，从而需要重新选取因素来进行再一次的试验；如果Plackett-Burman试验的模型有效，那么则可以确定对试验具有显著影响的因素，然后下一步可以通过开展响应面设计等方法来筛选出最优的条件。袁辉林等利用Plackett-Burman设计方法获得了预期结果。

2.3 响应面设计法

响应面设计法是一种统计方法，主要结合数学建模、统计分析、实验技术等方法经过试验设计进行数据的分析，并且通过多元二次回归方程进行函数关系的拟合，从而将工艺参数进行优化。该方法对于变量因素较多的微生物发酵有很好的参数优化效果，能够将各方面所需材料、发酵因素等进行准确的定量，从而保证微生物催化的顺利进行。响应面设计法的适用面较广，目前除了微生物发酵领域以外还遍布于生物学、医学、制药等多个方面，成为使用最广的微生物发酵优化工艺。

3 溶氧量对工程菌的影响

生物的生存发展都离不开氧气。氧气对于微生物来说也是一个关键因素。就拿葡萄糖的氧化分解来说，1mol的氧化糖彻底分解需要6mol的氧气。当菌类合成代谢产物是也需要消耗一定的氧气。根据计算，1mol的葡萄糖大概需要1.9mol的氧气。所以根据不同种类的细菌需要氧气的情况也各不相同，对于好样细菌来说生成产物所需要的氧气也就随之增加。但是由于菌类所需要的氧气并不是直接吸收大气中的氧气，而是吸收营养液中的溶解氧。但是大气中的氧气却很难溶解到水中。在外界压力为101.32kpa温度为25度的时候，氧气在水中的溶解度为0.26mol/L。在这个温度下氧气在发酵液中的溶解度确是0.20mmol/L，但随着菌类的新陈代谢的活动以及各种因素的影响，温度也会随之增加。随着温度的增加，溶解液中的氧气含量随之降低。因此为了更好的满足营养液中氧气的含量，必须及时的掌握培养液中的氧气含量的问题。通过不断补充氧气来弥补温度的增加营养液中氧气的降低。同样也可以采取一定的措施来控制液体的温度，把温度调整到酶的最适宜温度从而更大效率的提高产率。？

4 结论

随着科技的发展工程细菌的不断研究的深入，如何才会更好的实现菌类的最大效益的发酵也是每个企业所关心的话题。微生物发酵工艺对生物技术的发展有良好的推动作用，该技术在工业和农业方面都得到了广泛的应用，通过微生物发酵能够解决很多正常生产无法解决的问题。合理的运用微生物发酵并且不断进行工艺的优化能够提高生产的效率，推动发酵工程技术的不断前进和发展。在技术纯熟以后还可以广泛运用于医药、卫生、工业等多个领域，为这些领域的发展开辟一个新的纪元。？

参考文献

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