【生物发酵展资讯】发酵过程优化：探索发酵过程的可控性

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      微生物生长代谢的复杂性，影响发酵过程的可控性。

      我们看一下吴祖芳编著《现代食品微生物学》中发酵过程优化的主要内容。

      发酵过程通常是在一个特定的反应器中进行。由于微生物反应是自催化反应，因此，微生物细胞自身也是反应器，所有要从细胞这个微反应器中出来的物质都必须通过细胞和环境之间的边界线，使得所有在细胞体内（即生物相）所发生的反应都与环境状况（即非生物相）密切联系在一起。

      实际的生物反应系统是一个非常复杂的三相系统，即气相、液相和固相的混合体，且三相间的浓度梯度相差很大，达几个数量级。要对如此复杂的系统进行优化研究，必须做大量的假设使问题得以简化。

      因有关生物反应的单个步骤、进（出）细胞物质的传递以及反应器内的混合等问题的研究已相当成熟，如果能通过适当的假设使复杂的反应过程简化至能够进行定量讨论的程度，一般来说就能够实现反应过程的优化。

      发酵过程和化工过程的主要差异在于前者有微生物参与进行。微生物作为有生命的一种物质，其行为与化学催化剂相比更加难以控制，因而导致某些发酵过程参数难以检测，过程可控性也比化工过程有所下降。（做发酵不能追求像化工一样的稳定性，相对稳定就好。）

      因此，如何把发酵过程模型化的概念和一些微生物生理学的基本问题结合起来已成为生化工程学者在进行发酵过程优化时考虑的主要问题之一。

      生物反应动力学重点研究内容是有关生物过程、化学过程与物理过程之间的相互作用，诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、底物消耗和传递过程等的规律。

      生物反应动力学研究的目的是为描述细胞动态行为提供数学依据，以便进行数量化处理。生物反应宏观动力学是发酵过程优化的基础。

      生物反应器则是发酵过程的外部环境，反应器类型对发酵过程的效率及发酵过程优化的难易程度影响很大。

      发酵过程优化的目标是使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行。

发酵过程优化主要涉及以下四个方面的研究内容。

1．细胞生长过程研究

      如果不了解微生物的生理特性以及细胞内的生化反应，研究反应动力学是没有意义的，更谈不上发酵过程的优化。

      细胞生长过程的研究是发酵过程优化的重要基础研究内容。研究细胞的生长过程，不仅要清楚地了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，还要确定在不同环境条件下微生物代谢产物的分布。

2．微生物反应的化学计量

      微生物利用底物进行生长，同时合成代谢产物，底物中的含碳物质作为能源和碳源一起促进细胞内的合成反应。

      理论上，所有投入的碳和氮都可以在生物反应器的排出物——菌体细胞、剩余底物以及代谢产物中找到，因此微生物反应的化学计量似乎是件容易的事，然而事实并非如此。

      缺少传感器、在生化系统中进行连续检测的困难，或者由于对微生物的生理特性缺乏深入的认识而导致遗漏了代谢产物，这些都会使得发酵过程的质量衡算很难进行。而对来自工业研究的动力学数据进行质量衡算则更困难。

      对微生物反应进行化学计量和质量衡算的优越性在于：即使没有任何有关该微生物反应动力学的参考资料，运用基于化学计量关系的代谢通量分析方法，仍然可以提出该微生物代谢途径的可能改善方向，为过程优化奠定基础。

3．生物反应动力学

      生物反应动力学是发酵过程优化研究的核心内容，主要研究生物反应速率及其影响因素。

     发酵过程的生物反应动力学一般指微生物反应的本征动力学或微观动力学，即在没有反应器结构、形式及传递过程等工程因素的影响下，除了反应本身的性质外，该反应速率只与微生物固有反应组分的浓度、温度及溶剂性质有关。

      在一定反应器内检测到的反应速率即总反应速率及其影响因素，属于宏观动力学研究的范畴。

      根据宏观动力学及其对反应器空间和反应时间的积分结果，可推算达到预计反应程度（转化率或产物浓度）所需要的反应时间和反应器容积，从而进行反应器设计。

      建立动力学模型的目的就是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模型，还可以推测待测数据，进而确定生产条件。

      发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立。如果把细胞视为单组分，则环境的变化对细胞组成的影响可忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。

      非结构模型是在实验研究的基础上，通过物料衡算建立起的经验或半经验的关联模型。它是原始数据的拟合，可以体现主要底物浓度的影响。

      大多数稳态微生物反应都能用相当简单的非结构模型来描述，但只有当细胞内各组分均以相同的比例增加，即所谓平衡生长状态时才能这样处理。

      如果由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态时，非结构模型的外推范围可能有出入，此时就必须运用从生物反应机理出发推导得到的结构模型。在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型。

      在结构模型中，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白质的含量作为过程变量，将其表示为细胞组成的函数。

      但是，由于细胞反应过程极其复杂，加上检测手段的限制，以致缺乏可直接用于在线确定反应系统状态的传感器，给动力学研究带来了困难，致使结构模型的应用受到了限制。

4．生物反应器工程

      包括生物反应器及参数的检测与控制。生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等是影响微生物反应宏观动力学的重要因素。

      在工程设计中，化学计量式、微生物反应和传递现象都是需要解决的问题。参数检测与控制是发酵过程优化最基本的手段，只有及时检测各种反应组分浓度的变化，才有可能对发酵过程进行优化，使生物反应在状态下进行。

      我们做工业发酵生产当然不用研究这么深入，但了解一下可以从哪些方面进行发酵过程优化，有利于我们进行发酵产品生产系统构建，特别是小试中试的作用是明显的。