微生物發酵工藝的優化

呂家樑，汪劍(黑龍江新和成生物科技有限公司，黑龍江 綏化 152001)

0 引言

近年來，微生物發酵工程技術得到了廣泛的應用。利用有益微生物和收集相關細菌或代謝物來提高產量和預防疾病的研究越來越多。不同的微生物和發酵條件有利于發酵產物的生產。國內外對發酵過程的優化主要集中在碳源、氮源、微量元素、發酵溫度、pH值、發酵時間等發酵條件上。通過不同的工藝優化方法，有效提高了發酵效率，降低了生產成本，促進了發酵工程技術的快速發展。

1 發酵工藝概述

微生物發酵生產的好壞主要取決于菌種本身的遺傳特性和培養氛圍及培養的環境。發酵過程廣泛應用于醫藥、食品、能源、化工、農業等行業。微生物發酵主要是指培養優良發酵產物的過程。人們根據目標產品準備必要的發酵產品，選擇相應的環境，控制pH、溫度等客觀條件。在這個過程中，品種的選擇和客觀條件的控制是最重要的。同時，發酵環境的pH值、介質溫度和控制同樣非常重要[1]。嚴格按照無菌條件控制工藝要求，獲得優質的發酵產品。我們經常在發酵過程中引入計算機控制技術，通過發酵生產線和連續發酵來保證相應的代謝產物。根據發酵產物的不同需要，對發酵產物進行分離純化。代謝的初級代謝產物往往不能滿足目標代謝產物的要求，往往需要轉化。代謝物和純化主要用于工業分離產品。代謝物通常在一次或兩次分離后即可滿足要求。同時要嚴格控制無菌條件，產品在收集、分離、純化過程中應保持無菌，并在整個過程中進行控制。

2 培養基對發酵的影響

發酵培養基主要用于微生物大規模生長或代謝產物合成所需的營養和能量。其組成對微生物的生長和繁殖能力有重要影響。用于科學研究和微生物產品發酵的培養基也因物種、生長階段和發酵條件的不同而不同。

2.1 發酵培養基碳、氮源的選擇

碳源是主要的能量來源，主要在環境中為微生物在培育過程中提供能量。目前較為常用的碳源應是己糖，主要作為微生物細胞成分和代謝的產物。在工業規模性培育繁殖中，原料的成本及易用性是著重需要考慮的因素之一。在發酵過程中較為常用的碳源有淀粉、蔗糖、米糠纖維等。在微生物發酵中，碳源固然重要，但氮源同樣是微生物發酵培養中必不可少的物質。氮源主要用于微生物細胞材料和含氮的代謝產物，氮源通常分為兩類，一類是延遲氮源，而另一類屬于速效氮源。延遲氮源通常包括肽和氨基酸，其主要作用機理是促進細菌生長，在代謝物的形成中同樣具有促進作用[2]。而速效氮源通常包括酵母浸膏、蛋白胨等，能夠滿足細菌發酵和產品合成時對氮源的需求。在整個微生物的發酵培育過程中，通過延遲氮源與速效氮源的合理搭配，形成的負荷氮源既能滿足節桿菌屬細菌的生長，同時還能促進病原拮抗劑的抑制，達到良好的發酵效果。

2.2 發酵培養基中無機鹽對發酵的影響

磷、硫、鈉、鋅、錳等無機鹽對微生物的生長和代謝產物的產生有一定的影響，磷是微生物生長和代謝活動的重要組成部分，參與磷脂、核酸和多種輔酶的合成，在代謝調節中發揮重要作用。如成分失衡和高滲壓升高，這將部分導致微生物的生長。微生物發酵和發酵離子交換介質。

2.3 發酵培養基中其他成分對發酵的影響

在發酵過程中，發酵培養基還需要其他能積極促進微生物發酵的成分，這大大提高了培養基對微生物發酵的影響，為其產品的形成提供了必要的營養。其物理性質必須適應微生物發酵。在選擇原材料時，還應考慮價格，在保證質量的基礎上選擇低成本的原材料。原料來源必須滿足微生物發酵工程長期發展的需要。

3 培養條件對發酵的影響

在微生物發酵生產中，除了培養基的組成和濃度外，微生物只有在適宜的環境條件下才能正常生長和繁殖。以下簡要分析幾項主要的影響因素。

3.1 pH值對發酵的影響

在微生物發酵過程中，培育環境的影響非常顯著。其中，溶液的pH值就是一項非常重要的控制指標。pH值通過對各種酶活性的影響，對微生物的代謝、生長和繁殖過程起到顯著的促進和抑制作用。因此，pH值的不同將會直接影響微生物的合成及生長，改變微生物對營養物質的使用和吸收。

3.2 種子質量對發酵的影響

微生物發酵種子的質量對細菌的生長和產物的合成有很大的影響，通常是指接種量和接種年限。如果種子種齡太長，細菌產量就會下降。如果種子種齡太短，細菌的生長將直接減慢，這將大大推遲產品的合成時間[3]。如果接種量太小，會增加對數生長時間，會對某些酶和產物產生非常不利的影響。

3.3 溫度對發酵的影響

酶活性與溫度的控制直接相關，在高溫環境下會顯著破壞微生物細胞的酶活性，對微生物的生長產生明顯的抑制作用。微生物細胞中的蛋白質在高溫下容易濃縮或降解。低溫對微生物的生長有重要的抑制作用。不同種類微生物的生長溫度隨產品合成的不同階段而不同。在設計發酵溫度時，應考慮其他發酵條件和因素，如培養基的組成。如有必要，可考慮能耗、發酵周期、產量水平和培養溫度。

3.4 溶氧對發酵的影響

好氧微生物生長的關鍵因素之一就是對氧氣的需求，好氧細菌只有在足夠的氧環境中才能維持正常的代謝，以促進其生長。溶解氧對次生代謝產物的合成途徑和速率有重要影響。微生物的好氧氧化過程不足可能會影響發酵液的pH值[4]。產生有毒物質，影響產品合成所需前體的積累，進而影響細菌生長和產品生產。通過調節通風，可以有效地控制和保證氧氣供應。分解發酵可以減少液體量，提高發酵速度，有效增加氧氣量，大大提高細菌的生產能力。通過相應的實驗結果表明，溶解氧對產物的合成有積極的影響。

4 微生物發酵工藝優化的方法

在當今的微生物發酵中，如何有效地實驗微生物發酵培養基的組成和培養條件已成為國內外學者關注的焦點。國內外有效的優化方法主要有正交設計法、Plackett-Burman設計法和響應面設計法。

4.1 正交試驗設計法

正交試驗設計是一種基于正交表法的數理統計方法。根據研究結論，可通過直接分析或比較確定微生物發酵的主要影響因素[5]。該設計方法簡單、有效，而且高效，因此正交設計是優化微生物發酵過程最常用的方法。通過優化枯草芽孢桿菌的正交液體發酵工藝，可獲得較好的發酵效果。

4.2 Plackett-Burman設計法

Plackett-burman方法主要用于確定與反應變量和人口統計學因素相關的許多因素的顯著影響。快速有效地分析了影響試驗結果的關鍵因素，為設計方法中的試驗研究提供了可能。通過比較每個因子的兩個水平，確定每個因子的顯著性因子。但是應當注意，如果未正確選擇系數級別，則Plackett-Burman測試結果可能無效。因此，當遇到某些突發情況時測試應當考慮其他影響因素。如果Plackett-burman測試模型有效，則使用Plackett-Burman設計來選擇最佳條件，并通過響應面設計的下一步獲得預期結果。

4.3 響應面設計法

響應面設計結合了數學建模、測試設計和統計分析。通過劃分優化區域，解決了試驗中的多因子陰影問題。通過建立回歸方程和繪制曲線，找出最佳工藝參數。近年來，由于統計和建模在各個領域的廣泛發展和應用，響應面設計進一步擴大了其應用范圍，引起了越來越多研究者的興趣。響應法已廣泛應用于生物學、醫學、生物制藥、食品、工程等領域。

5 微生物發酵過程的優化控制策略

5.1 基于線性化近似的經典優化控制

通過描述發酵過程的狀態空間，可以實現發酵過程的最大化原理和迭代優化，但最大化原理只能通過開環控制來實現。發酵過程通?？梢越涍^計算得出，但由于忽略了環境因素對系統的干擾，研究人員結合最大變量法得到了控制效果良好的最優變量曲線。然而，實驗的準確性和簡單性還沒有達到理想的程度，這對發酵過程建模的質量有很大的影響。

5.2 基于非線性系統理論的優化控制

非線性系統理論在發酵領域得到了越來越廣泛的應用。相關學者建立了非線性發酵的空間模型。采用微分法設計的控制器在發酵過程中表現出良好的控制效果，實現了從非線性系統到線性系統的過渡[6]，優化了控制器結構，提高了發酵過程的動態性。發酵過程的復雜性影響著發酵控制系統的穩定性。

5.3 基于人工智能技術的優化控制

利用計算機和人工智能對發酵過程進行優化已成為近年來發酵過程研究的熱點。建立了基于乙醇生產的專家系統，智能控制方法在仿真活動中仍有局限性。由于神經網絡控制在確定網格結構時是不可控的，交叉智能控制方法已成為發酵控制中亟待解決的問題。

6 結語

微生物發酵在生物技術的發展中起著重要的作用。微生物發酵可以解決許多在正常生產中無法解決的問題。合理利用微生物發酵，不斷優化工藝，可以提高生產效率，促進發酵的不斷進步和發展。在醫藥、衛生、食品等領域具有廣闊的應用前景，為這些領域的發展開辟了一個新時代。