隨著學科之間的不斷交叉和滲透，微生物學家開始用數學、動力學、化工工程原理、計算機技術對發酵過程進行綜合研究，人們能按需要設計和培育各種工程菌，在大大提高發酵工程的產品質量的同時，節約能源，降低成本，使發酵技術實現新的革命。
一、微生物發酵方式
發酵是指通過微生物（或動植物細胞）的生長培養和化學變化，大量產生和積累專門代謝產物的過程。微生物代謝類型很多，利用不同微生物對同一種物質進行發酵或者同一種微生物在不同條件下培養所得產物均不相同。
微生物發酵按照發酵方式可分為間歇發酵、連續發酵和流加發酵三種類型。
1、間歇發酵
間歇發酵又稱為分批發酵，是指發酵過程中營養物和菌種一次加入進行培養，直到結束放出，除了空氣進入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。
2、連續發酵
連續發酵是指以一定的速度向發酵罐內添加新鮮培養基，同時以相同的速度流出培養液，從而使發酵罐內的液量維持恒定，微生物在穩定狀態下生長。
3、流加發酵
流加發酵也叫補料分批發酵或半連續發酵，是指在微生物分批發酵中，以某種方式向培養系統補加一定物料的培養技術。它是介于分批發酵和連續發酵之間的一種發酵技術，同時具備兩者的部分優點。
二、溫度的影響及其控制
（一）溫度對發酵的影響
微生物發酵所用的菌體絕大多數是中溫菌，生長溫度一般在20～40℃，如霉菌、放線菌和一般細菌。
溫度對發酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應的速率，改變微生物代謝產物的合成方向，影響微生物的代謝調控機制。
除此之外，溫度還對發酵液的理化性質產生影響，如發酵液的粘度、基質和氧在發酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質的分解和吸收速率等，進而影響發酵的動力學特性和產物的生物合成。
（二）最適溫度的選擇及控制
1、根據菌種及生長階段來選擇最適溫度
微生物種類不同，所具有的酶系及其性質不同，所要求的溫度范圍也不同。
2、根據培養條件選擇最適溫度
根據培養條件綜合考慮，靈活選擇，比如通氣條件差時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。
3、根據菌生長情況選擇最適溫度
菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。
三、pH值的影響及其控制
（一）pH對發酵的影響
1、影響微生物的生長繁殖
2、影響微生物的形態
3、pH影響代謝產物的形成的數量和方向
4、影響產物的穩定性
（二）最適pH的選擇及控制
1、最適pH的選擇
微生物發酵的最適pH范圍一般是在5-8之間，隨菌體和產品不同而異，同一菌種生長最適pH與產物合成最適pH往往不一樣。
最適pH值是根據實驗結果來確定的，在確定合適發酵pH值時，不定期要考慮培養溫度的影響，若溫度提供或降低，合適pH值也可能發生變動。
2、pH值的控制
在發酵過程中，為提供菌體適宜的生長或產物積累的pH值，需要從以下幾個方面對發酵生產過程各階段的pH值實施控監控：
（1）調整培養基組分
適當調整C/N比，使鹽類與碳源配比平衡，一般情況，C/N高時（真菌培養基），pH降低；C/N低時（一般細菌），經過發酵后，pH上升。
（2）在基礎料中加入維持pH的物質
常用的方法是氨水流加法、尿素流加法等。
（3）通過補料調pH
在發酵過程中根據糖氮消耗需要進行補料。在補料與調pH沒有矛盾時采用補料調pH如調節補糖速率來調節pH、當NH2-N低而pH低時補氨水等；當補料與調pH發生矛盾時，加酸堿調pH。
（4）應急措施
必要的時候采取應急措施。如改變攪拌轉速或通氣量，以改變溶解氧濃度，控制有機酸的積累量及其代謝速度；改變溫度，以控制微生物代謝速度；改變罐壓及通氣量，降低CO2的溶解量等等。
四、溶氧的影響及其控制
（一）溶解氧對發酵的影響
溶解氧（DO）對發酵的影響分為兩方面一是溶氧濃度影響與呼吸鏈有關的能量代謝，從而影響微生物生長；另一是氧直接參與產物合成。
1、溶氧對微生物自身生長的影響
根據對氧的需求，微生物可分為專性好氧微生物、兼性好氧微生物和專性厭氧微生物。
專性好氧微生物把氧作為最終電子受體，通過有氧呼吸獲取能量，發酵時一般應盡可能的提高DO，以促進微生物生長，增大菌體量。
兼性好氧微生物的生長不一定需要氧，但如果在培養中供給氧，則菌體生長更好，如酵母菌；
而對于專性厭氧微生物，氧則可對其顯示毒性，如產甲烷桿菌，此時能否限制Do在一個較低值往往成為發酵成敗的關鍵。
2、溶氧對發酵產物的影響
對于好氧發酵來說，DO通常既是營養因素，又是環境因素。特別是對于具有一定氧化還原性質的代謝產物的生產來說，Do的改變勢必會影響到菌株培養體系的氧化還原電位，同時也會對細胞生長和產物的形成產生影響。
（二）溶氧量的控制
發酵液中的溶氧濃度是由供氧和需氧兩方面決定的。
1、控制溶氧量
控制溶氧量首要因素是控制氧分壓。高密度培養往往采用通入純氧的方式提高氧分壓，而厭氧發酵則采用各種方式將氧分壓控制在較低水平。
此外，由于氧是難溶氣體，一定溫度和壓力下，Do值有一上限。為此，向發酵液中加入氧載體是提高Do值的一個行之有效的方法。
2、控制氧傳遞速率
氧傳遞速率主要考慮KLa的影響因素。從一定意義上講，KLa愈大，好氧生物反應器的傳質性能愈好。控制KLa的途徑可分為操作變量、反應液的理化性質和反應器的結構3個部分。
五、泡沫的影響及其控制
（一）泡沫的形成及其對發酵的影響
泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系，泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。通氣攪拌和代謝產生的氣體是泡沫產生的原因。
過多持久性泡沫會給發酵帶來很多不利因素，主要有發酵罐的裝料系數減少、氧傳遞系數減小，降低發酵設備的利用率；嚴重時通氣攪拌無法進行，菌體呼吸受到阻礙，導致代謝異常或菌體自溶；大量泡沫給后續提取工序帶來困難。
（二）泡沫的控制
發酵過程中泡沫的控制主要有三條途徑：
一是調整培養基中的成分，或改變某些物理化學參數，或者改變發酵工藝來控制，以減少泡沫形成的機會。
二是采用機械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。
三是采用菌種選育的方法，篩選不產生流態泡沫的菌種，來消除起泡的內在因素。
1、物理法消泡
物理法消泡主要是機械消泡，靠機械強烈振動、壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收。機械消泡的優點是節省原料，減少由于消泡劑所引起的污染機會。
2、化學法消泡
消泡劑消泡是重要的化學法消泡。化學消泡的機理是通過降低泡沫液膜機械強度，或者是降低泡沫液膜的表面黏度，或者兼有兩者的作用，以達到破裂泡沫的目的。其優點是來源廣泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易實現自動控制。
六、菌體濃度和基質的影響及其控制
（一）菌體濃度對發酵的影響及控制
菌體（細胞）濃度簡稱菌濃，是指單位體積培養液中菌體的含量。菌濃與菌體生長速率直接相關，其大小在一定條件下，不僅反映菌體細胞的多少，而且反映菌體細胞生理特性不完全相同的分化階段。
菌體濃度控制可以通過控制培養基中營養物質的含量來實現，首先確定基礎培養基配方中有個適當的配比，避免產生過濃（或過稀）的菌體量，然后通過中間補料來控制。
另外，CO2影響細胞膜的結構，細胞膜的運輸效率，細胞生長受抑制，形態發生改變。所以可以利用菌體代謝產生的CO2量來控制生產過程的補糖量，以控制菌體的生長和濃度。
（二）基質對發酵的影響及控制
基質即培養微生物的營養物質，主要有碳源、氮源和磷酸鹽三大類。
1、碳源對發酵的影響及控制
（1）迅速利用的碳源
如葡萄糖、蔗糖等。迅速參與代謝、合成菌體和產生能量，并產生分解產物，有利于菌體生長，但有的分解代謝產物對產物的合成可能產生阻遏作用。
（2）緩慢利用的碳源
如多數為聚合物、淀粉等。為菌體緩慢利用，有利于延長代謝產物的合成，特別有利于延長抗生素的分泌期，也有許多微生物藥物的發酵所采用。
2、氮源對發酵的影響及控制
（1）迅速利用的氮源
如氨基（或銨）態氮的氨基酸（或硫酸銨等）、玉米漿等。容易被菌體利用，促進菌體生長，但對某些代謝產物的合成特別是某些抗生素的合成產生調節作用，影響產量。
（2）緩慢利用的氮源
延長代謝產物的分泌期、提高產物的產量；但一次投入也容易促進菌體生長和養分過早耗盡，以致菌體過早衰老而自溶，縮短產物的分泌期。
3、磷酸鹽對發酵的影響及控制
磷是微生物菌體生長繁殖所必需的成分，也是合成代謝產物所必需的。微生物生長良好所允許的磷酸鹽濃度為0.32～300mmol/L，次級代謝產物合成良好所允許的最高平均濃度僅為1.0mmol/L。
七、發酵時間的影響及其控制
確定微生物發酵的終點，控制發酵時間，可以減少能源的消耗、提高設備的使用率，對提高產物的生產能力和經濟效益是很重要的。
在實際生產中，確定發酵周期，準確判斷放罐時間，需要綜合考慮經濟因素、產品質量因素和特殊因素。
1、考慮經濟因素
發酵產物的生產能力是實際發酵時間和發酵準備時間的綜合反應。
實際發酵時間，要考慮經濟因素，要以最低的成本獲得最大生產能力的時間為最適發酵時間，但在生產速率較小（或停止）的情況下，單位體積的產物產量增長就有限，如果繼續延長時間，使平均生產能力下降，而動力消耗、管理費用支出，設備消耗等費用仍在增加，因而產物成本增加。所以，要從經濟學觀點確定一個合理時間。
2、產品質量因素
發酵時間長短對后續工藝和產品質量有很大的影響。
如果發酵時間太短，尚未代謝的營養物質殘留在發酵液中，不利于后續工序；如果發酵時間太長，菌體會自溶，釋放出菌體蛋白或體內的酶會改變發酵液的性質，增加過濾難度，使產物質量下降，產物中雜質含量增加。
故要考慮發酵周期長短對產物提取工藝的影響。
3、特殊因素
在個別特殊情況下，如染菌、代謝異常（糖耗緩慢等）就應根據不同情況，進行適當處理。
為了能夠得到盡量多的產物，應該及時采取措施（如改變溫度或補充營養等），并適當提前或拖后放罐時間。
八、總結
發酵過程工藝分析是生產控制的眼睛，它顯示了發酵過程中微生物的主要代謝變化。通過分析和控制影響發酵的各種參數，可以創造一個最優的發酵條件，最終實現發酵工業經濟效益的最大化。
參考資料：
[1]《發酵工程》，蔣新龍，浙江大學出版社，
[2]《微生物發酵制藥技術》，盛貽林，中國農業大學出版社
[3]《發酵過程中PH及溶解氧的測量與控制》，張嗣良，李凡超等，華東化工學院出版社
[4]《發酵過程優化原理與實踐》，陳堅，李寅等，化學工業出版社
[5]《發酵原理》張星元，科學出版社
[6]《發酵工廠工藝設計概論》，吳思方，中國輕工業出版社
[7]《發酵工程》，劉冬，張學仁等，高等教育出版社
[8]《發酵工藝學》，何建勇，中國醫藥科技出版社
[9]《微生物發酵技術》，燕平梅，中國農業科學技術出版社
一、微生物發酵方式
發酵是指通過微生物（或動植物細胞）的生長培養和化學變化，大量產生和積累專門代謝產物的過程。微生物代謝類型很多，利用不同微生物對同一種物質進行發酵或者同一種微生物在不同條件下培養所得產物均不相同。
微生物發酵按照發酵方式可分為間歇發酵、連續發酵和流加發酵三種類型。
1、間歇發酵
間歇發酵又稱為分批發酵，是指發酵過程中營養物和菌種一次加入進行培養，直到結束放出，除了空氣進入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。
2、連續發酵
連續發酵是指以一定的速度向發酵罐內添加新鮮培養基，同時以相同的速度流出培養液，從而使發酵罐內的液量維持恒定，微生物在穩定狀態下生長。
3、流加發酵
流加發酵也叫補料分批發酵或半連續發酵，是指在微生物分批發酵中，以某種方式向培養系統補加一定物料的培養技術。它是介于分批發酵和連續發酵之間的一種發酵技術，同時具備兩者的部分優點。
二、溫度的影響及其控制
（一）溫度對發酵的影響
微生物發酵所用的菌體絕大多數是中溫菌，生長溫度一般在20～40℃，如霉菌、放線菌和一般細菌。
溫度對發酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應的速率，改變微生物代謝產物的合成方向，影響微生物的代謝調控機制。
除此之外，溫度還對發酵液的理化性質產生影響，如發酵液的粘度、基質和氧在發酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質的分解和吸收速率等，進而影響發酵的動力學特性和產物的生物合成。
（二）最適溫度的選擇及控制
1、根據菌種及生長階段來選擇最適溫度
微生物種類不同，所具有的酶系及其性質不同，所要求的溫度范圍也不同。
2、根據培養條件選擇最適溫度
根據培養條件綜合考慮，靈活選擇，比如通氣條件差時可適當降低溫度，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。
3、根據菌生長情況選擇最適溫度
菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。
三、pH值的影響及其控制
（一）pH對發酵的影響
1、影響微生物的生長繁殖
2、影響微生物的形態
3、pH影響代謝產物的形成的數量和方向
4、影響產物的穩定性
（二）最適pH的選擇及控制
1、最適pH的選擇
微生物發酵的最適pH范圍一般是在5-8之間，隨菌體和產品不同而異，同一菌種生長最適pH與產物合成最適pH往往不一樣。
最適pH值是根據實驗結果來確定的，在確定合適發酵pH值時，不定期要考慮培養溫度的影響，若溫度提供或降低，合適pH值也可能發生變動。
2、pH值的控制
在發酵過程中，為提供菌體適宜的生長或產物積累的pH值，需要從以下幾個方面對發酵生產過程各階段的pH值實施控監控：
（1）調整培養基組分
適當調整C/N比，使鹽類與碳源配比平衡，一般情況，C/N高時（真菌培養基），pH降低；C/N低時（一般細菌），經過發酵后，pH上升。
（2）在基礎料中加入維持pH的物質
常用的方法是氨水流加法、尿素流加法等。
（3）通過補料調pH
在發酵過程中根據糖氮消耗需要進行補料。在補料與調pH沒有矛盾時采用補料調pH如調節補糖速率來調節pH、當NH2-N低而pH低時補氨水等；當補料與調pH發生矛盾時，加酸堿調pH。
（4）應急措施
必要的時候采取應急措施。如改變攪拌轉速或通氣量，以改變溶解氧濃度，控制有機酸的積累量及其代謝速度；改變溫度，以控制微生物代謝速度；改變罐壓及通氣量，降低CO2的溶解量等等。
四、溶氧的影響及其控制
（一）溶解氧對發酵的影響
溶解氧（DO）對發酵的影響分為兩方面一是溶氧濃度影響與呼吸鏈有關的能量代謝，從而影響微生物生長；另一是氧直接參與產物合成。
1、溶氧對微生物自身生長的影響
根據對氧的需求，微生物可分為專性好氧微生物、兼性好氧微生物和專性厭氧微生物。
專性好氧微生物把氧作為最終電子受體，通過有氧呼吸獲取能量，發酵時一般應盡可能的提高DO，以促進微生物生長，增大菌體量。
兼性好氧微生物的生長不一定需要氧，但如果在培養中供給氧，則菌體生長更好，如酵母菌；
而對于專性厭氧微生物，氧則可對其顯示毒性，如產甲烷桿菌，此時能否限制Do在一個較低值往往成為發酵成敗的關鍵。
2、溶氧對發酵產物的影響
對于好氧發酵來說，DO通常既是營養因素，又是環境因素。特別是對于具有一定氧化還原性質的代謝產物的生產來說，Do的改變勢必會影響到菌株培養體系的氧化還原電位，同時也會對細胞生長和產物的形成產生影響。
（二）溶氧量的控制
發酵液中的溶氧濃度是由供氧和需氧兩方面決定的。
1、控制溶氧量
控制溶氧量首要因素是控制氧分壓。高密度培養往往采用通入純氧的方式提高氧分壓，而厭氧發酵則采用各種方式將氧分壓控制在較低水平。
此外，由于氧是難溶氣體，一定溫度和壓力下，Do值有一上限。為此，向發酵液中加入氧載體是提高Do值的一個行之有效的方法。
2、控制氧傳遞速率
氧傳遞速率主要考慮KLa的影響因素。從一定意義上講，KLa愈大，好氧生物反應器的傳質性能愈好。控制KLa的途徑可分為操作變量、反應液的理化性質和反應器的結構3個部分。
五、泡沫的影響及其控制
（一）泡沫的形成及其對發酵的影響
泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系，泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。通氣攪拌和代謝產生的氣體是泡沫產生的原因。
過多持久性泡沫會給發酵帶來很多不利因素，主要有發酵罐的裝料系數減少、氧傳遞系數減小，降低發酵設備的利用率；嚴重時通氣攪拌無法進行，菌體呼吸受到阻礙，導致代謝異常或菌體自溶；大量泡沫給后續提取工序帶來困難。
（二）泡沫的控制
發酵過程中泡沫的控制主要有三條途徑：
一是調整培養基中的成分，或改變某些物理化學參數，或者改變發酵工藝來控制，以減少泡沫形成的機會。
二是采用機械消泡或消泡劑來消除已形成的泡沫。
三是采用菌種選育的方法，篩選不產生流態泡沫的菌種，來消除起泡的內在因素。
1、物理法消泡
物理法消泡主要是機械消泡，靠機械強烈振動、壓力的變化，促使氣泡破裂，或借機械力將排出氣體中的液體加以分離回收。機械消泡的優點是節省原料，減少由于消泡劑所引起的污染機會。
2、化學法消泡
消泡劑消泡是重要的化學法消泡。化學消泡的機理是通過降低泡沫液膜機械強度，或者是降低泡沫液膜的表面黏度，或者兼有兩者的作用，以達到破裂泡沫的目的。其優點是來源廣泛、消泡效果好，作用迅速可靠，用量少，容易實現自動控制。
六、菌體濃度和基質的影響及其控制
（一）菌體濃度對發酵的影響及控制
菌體（細胞）濃度簡稱菌濃，是指單位體積培養液中菌體的含量。菌濃與菌體生長速率直接相關，其大小在一定條件下，不僅反映菌體細胞的多少，而且反映菌體細胞生理特性不完全相同的分化階段。
菌體濃度控制可以通過控制培養基中營養物質的含量來實現，首先確定基礎培養基配方中有個適當的配比，避免產生過濃（或過稀）的菌體量，然后通過中間補料來控制。
另外，CO2影響細胞膜的結構，細胞膜的運輸效率，細胞生長受抑制，形態發生改變。所以可以利用菌體代謝產生的CO2量來控制生產過程的補糖量，以控制菌體的生長和濃度。
（二）基質對發酵的影響及控制
基質即培養微生物的營養物質，主要有碳源、氮源和磷酸鹽三大類。
1、碳源對發酵的影響及控制
（1）迅速利用的碳源
如葡萄糖、蔗糖等。迅速參與代謝、合成菌體和產生能量，并產生分解產物，有利于菌體生長，但有的分解代謝產物對產物的合成可能產生阻遏作用。
（2）緩慢利用的碳源
如多數為聚合物、淀粉等。為菌體緩慢利用，有利于延長代謝產物的合成，特別有利于延長抗生素的分泌期，也有許多微生物藥物的發酵所采用。
2、氮源對發酵的影響及控制
（1）迅速利用的氮源
如氨基（或銨）態氮的氨基酸（或硫酸銨等）、玉米漿等。容易被菌體利用，促進菌體生長，但對某些代謝產物的合成特別是某些抗生素的合成產生調節作用，影響產量。
（2）緩慢利用的氮源
延長代謝產物的分泌期、提高產物的產量；但一次投入也容易促進菌體生長和養分過早耗盡，以致菌體過早衰老而自溶，縮短產物的分泌期。
3、磷酸鹽對發酵的影響及控制
磷是微生物菌體生長繁殖所必需的成分，也是合成代謝產物所必需的。微生物生長良好所允許的磷酸鹽濃度為0.32～300mmol/L，次級代謝產物合成良好所允許的最高平均濃度僅為1.0mmol/L。
七、發酵時間的影響及其控制
確定微生物發酵的終點，控制發酵時間，可以減少能源的消耗、提高設備的使用率，對提高產物的生產能力和經濟效益是很重要的。
在實際生產中，確定發酵周期，準確判斷放罐時間，需要綜合考慮經濟因素、產品質量因素和特殊因素。
1、考慮經濟因素
發酵產物的生產能力是實際發酵時間和發酵準備時間的綜合反應。
實際發酵時間，要考慮經濟因素，要以最低的成本獲得最大生產能力的時間為最適發酵時間，但在生產速率較小（或停止）的情況下，單位體積的產物產量增長就有限，如果繼續延長時間，使平均生產能力下降，而動力消耗、管理費用支出，設備消耗等費用仍在增加，因而產物成本增加。所以，要從經濟學觀點確定一個合理時間。
2、產品質量因素
發酵時間長短對后續工藝和產品質量有很大的影響。
如果發酵時間太短，尚未代謝的營養物質殘留在發酵液中，不利于后續工序；如果發酵時間太長，菌體會自溶，釋放出菌體蛋白或體內的酶會改變發酵液的性質，增加過濾難度，使產物質量下降，產物中雜質含量增加。
故要考慮發酵周期長短對產物提取工藝的影響。
3、特殊因素
在個別特殊情況下，如染菌、代謝異常（糖耗緩慢等）就應根據不同情況，進行適當處理。
為了能夠得到盡量多的產物，應該及時采取措施（如改變溫度或補充營養等），并適當提前或拖后放罐時間。
八、總結
發酵過程工藝分析是生產控制的眼睛，它顯示了發酵過程中微生物的主要代謝變化。通過分析和控制影響發酵的各種參數，可以創造一個最優的發酵條件，最終實現發酵工業經濟效益的最大化。
參考資料：
[1]《發酵工程》，蔣新龍，浙江大學出版社，
[2]《微生物發酵制藥技術》，盛貽林，中國農業大學出版社
[3]《發酵過程中PH及溶解氧的測量與控制》，張嗣良，李凡超等，華東化工學院出版社
[4]《發酵過程優化原理與實踐》，陳堅，李寅等，化學工業出版社
[5]《發酵原理》張星元，科學出版社
[6]《發酵工廠工藝設計概論》，吳思方，中國輕工業出版社
[7]《發酵工程》，劉冬，張學仁等，高等教育出版社
[8]《發酵工藝學》，何建勇，中國醫藥科技出版社
[9]《微生物發酵技術》，燕平梅，中國農業科學技術出版社
