发酵过程控制：三类代谢参数及其应用

发酵是一种生物技术过程，通过微生物的代谢活动将原料转化为有用的产品，如食品、药物、生物燃料等。在发酵过程中，控制是至关重要的，尤其是在工业化生产中。根据性质，代谢参数主要可以分为三类：物理参数、化学参数和生物参数。 1. **物理参数** 包括温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、溶解氧、表观粘度以及排气氧（二氧化碳）浓度等。这些参数直接影响微生物的生长和代谢效率，例如适宜的温度和溶解氧有助于微生物的生命活动，而适当的搅拌能确保营养物质的均匀分布。 2. **化学参数** 是指与发酵过程密切相关的物质浓度，如基质浓度（糖、氮、磷）、pH值、产物浓度以及核酸含量等。基质浓度决定了微生物获取能量和生长所需物质的能力，pH值的稳定有助于保持酶活性，产物浓度的变化反映着代谢途径的进展。 3. **生物参数** 包括菌丝形态、菌体密度、比生长速率、呼吸强度、基质消耗速率和关键酶活力等。这些参数反映了微生物群体的生理状态，如菌体比生长速率高表示微生物生长活跃，而关键酶活力则直接影响到代谢途径的效率。 发酵过程控制的主要目标是通过精确监控和调整这些参数，确保发酵过程高效、稳定且经济。分批培养是最简单的形式，分为迟滞期、对数生长期、稳定期和死亡期，每个阶段对应着不同的代谢特征和产物合成模式。分批培养的优点包括操作简便、周期短和染菌风险较低，但缺点是产率低且不适合动力学参数的详细研究。 补料分批培养则旨在解决分批培养营养耗尽的问题，通过定期添加新鲜物料来维持适宜的基质浓度，有利于生长和产物合成。这种方法可以利用计算机控制优化补料速率，但染菌风险增加且可能导致生产速率下降。 半连续培养介于分批和连续培养之间，通过间歇排放部分发酵液来保持基质浓度和优化生产条件。这种方式适合某些特定的菌种，但同样面临产物积累和染菌问题。 理解并有效控制这些代谢参数对于优化发酵过程、提高产量和产品质量至关重要，是发酵工业中不可或缺的技术手段。在实际操作中，通过结合现代信息技术和对微生物生理学的深入理解，科学家们不断探索和改进发酵工艺控制策略。