盘点发酵技术从繁到简的发展历程

　　发酵可以说是我们实现大规模培养技术中，使用得最早也是最多的。而现阶段，发酵技术在医药、轻工、食品、农业、环保等领域中都得到了广泛的应用。通常来说，微生物的发酵过程可以分为四个阶段：菌种阶段、种子扩大培养阶段、发酵阶段和提炼阶段。为了让生产发酵的条件更优，我们通常会优先考虑菌种的选育和基因工程菌的改造。对于发酵工艺的优化来说，良好的工艺则能更好地提高单位产量，在生产过程中有着举足轻重的作用。

　　通常在得到所需要生产发酵的菌株后，经过实验室摇瓶小量发酵水平上的优化，获得菌种最佳的发酵条件(培养基、pH、温度等)后，我们还需要在小试发酵罐和中试发酵罐上进行优化。

　　采用发酵罐发酵的优势

　　采用发酵罐，我们可实时监控发酵的情况，通过优化条件提供菌体不同生长阶段的最佳环境条件，从而提高目的产物的获得率。

　　那么，我们可以从哪些方面来进行优化呢?

　　1、消毒工艺的优化

　　日常发酵职工，发酵液原料在通过消毒后，会遭受到极大的破坏，可以说，消毒的过程直接影响到发酵的水平高低，而且不同的发酵设备其消毒方式也是各不相同的，一般可以粗略的分实消(间断消毒)和连消两种。相对来说连消发酵液质量更好，不过需要的仪器要求更高。消毒不仅需要保证在无菌的前提下进行，而且还需要考虑到经济成本、对培养基破坏情况、操作方面、对设备的要求，维护和保养等方面。

　　2 pH工艺的优化

　　在整个发酵生产过程中，几乎都会涉及到pH工艺的优化。

　　首先是培养的基配方，一般来说，含有产酸物质如葡萄糖、硫酸铵等，产碱物质如尿素、硝酸等都需要均衡使用，可以通过添加缓冲剂如碳酸钙、磷酸盐缓冲液等来调节pH值。

　　其次，在通过发酵生产蛋白和其他物质的时候，我们可以在不同的发酵时间段内调整不同的pH，不仅可以减少杂质的诞生，还可以缓解溶氧，在此期间，我们可以通过各种不同的方法来调节pH值，之前用的硫酸和碱氢氧化钠等虽然说效果好，但是对菌体的伤害也很大，所以，现阶段我们采用生理酸性物质如硫酸铵和生理碱性物质氨水来控制，不仅能有效调节pH值，而且还能补充氮。当pH和氮含量低时，补充氨水;pH较高和氮含量低时，补充硫酸铵。也可以通过添加玉米桨等物料来进行调节，只是效果可能稍有不如。当然了，通过提高通气量，加速脂肪酸代谢也可以补偿pH变化。

　　最后，放罐前的pH对后面的过滤及后处理有影响，所以也需要加以控制优化。

　　pH优化

　　可以在实验室摇瓶小量发酵和小试发酵过程中绘制整个发酵过程的pH生长曲线，用来参考检测无菌情况的发生，控制工艺等。养发酵液的pH变化主要是菌体利用培基，并且产酸和产碱的代谢反应的综合结果，它与菌种、培养基和发酵条件有关。菌种本身对pH有一定的自我调节能力，当培养基中不添加糖类等C源物质时，细菌会以水解酪蛋白为碳源伴随着培养基的碱化。若培养基添加糖类物质，对它的吸收利用不会引起pH的升高，甚至在缺氧条件下会出现培养基的酸化现象。

　　3 培养基的优化

　　选择合适廉价的培养基，控制培养基成本，在发酵生产中具有举足轻重的意义。首先要考虑到培养基中的C、N源的合适比例，这也关系到pH的工艺优化。菌种在不同培养基的培养条件下生长也不同。其次是有些微生物培养必须添加微量元素，不同的天然培养基组分中含有这些必须的微量元素不尽相同。最后在后续的产物分离纯化中，培养基中难以吸收消化的部分必须容易去除，并且不会对分离纯化产生较大影响。

　　4 溶氧工艺的优化

　　控制好的溶氧要从各个方面分析入手，在菌体不同的生长周期要调整各种影响溶氧的条件，前期主要是调整通气量，罐压，温度，搅拌速率等。但是在发酵后期则要根据发酵产物对哪种条件敏感来调整溶氧条件控制的先后顺序。通气量的控制可以根据发酵液的pH的变化和溶氧电极的测量进行控制，发酵罐的搅拌形式有很多，要根据发酵液的性质和电机的功率等进行选择。通过补料也可以缓解溶氧，合适的补料时间和补料量的控制可达到提高发酵指标的效果。

　　5 其他条件优化

　　补料分批培养。该技术可以有效地减少发酵过程中培养基黏度升高引起的传质效率降低、降解物的阻遏和底物的反馈抑制的现象，很好地控制代谢方向，延长产物合成期和增加代谢物的积累。常用来控制营养缺陷型突变菌种，使代谢产物积累到最大。氨基酸发酵中普遍采用这种补料分批技术。

　　超声波的应用。超声波有很强的生物学效应，可应用于发酵过程上、中、下游三个阶段。其在发酵工艺上的应用，可增加细胞膜的通透性和选择性，促进酶的变性或分泌，增强细胞代谢过程，从而缩短发酵时间，改善生物反应条件，提高生物产品的质量和产量。不同频率和强度的超声波对发酵过程的作用是不同的，使用时应视具体的发酵工艺和使用条件进行选择。

　　增加前体物的合成。增加目的产物的前体物的合成或是直接添加前体物，均有利于目的产物的大量积累。