工业发酵方式：半连续发酵在工业生产中的应用

菌体浓度是发酵控制的关键参数，以下我们通过菌体浓度及菌体形态对发酵的影响及控制进行分别阐述。

菌体浓度的影响及控制

  菌体浓度的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段。

  在发酵过程中，菌体浓度的大小与菌体的生长速率密切相关，而生长速率又与微生物的种类、遗传特性、培养基及环境条件有关。

  菌体浓度是单位体积培养液中菌体的含量。无论在科学研究上，还是工业发酵控制上，它都是一个重要的参数。

1. 菌体浓度的影响

主要体现在影响产物产率和发酵液溶氧两方面。

在适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌体浓度成正比关系。

但菌体浓度过高，会对发酵产生多种不利影响，可能改变菌体的代谢途径，特别是对培养液中溶氧的影响较明显。

  为获得最高的生产率，需要采用摄氧速率与传氧速率相平衡的菌体浓度，最好维持在临界菌体浓度。

  在抗生素生产中，如何确定并维持临界菌体浓度是提高抗生素生产能力的关键。

  发酵过程中随着菌体浓度的增加，培养液的摄氧率按比例增加，但表观黏度也增加，使氧的传质速率减少，当摄氧速率大于供氧速率时，发酵液溶氧浓度就会减少，并成为限制性因素。

  比如，早期酵母发酵，出现过代谢途径改变、酵母生长停滞、产生乙醇的现象；抗生素发酵中，也受溶氧限制，使产量变低。

2. 菌体浓度的控制

  菌体浓度的大小与菌体生长速率有密切关系，而菌体生长速率与环境条件和自身遗传因素有关，在这些影响因素中，通过改变培养基浓度及中间补料来控制菌体浓度是发酵过程中主要的措施。

  首先确定基础培养基中有适当的配比，避免产生过浓（或过稀）的菌体量。适宜培养基是确保适宜菌体量的保证。

  然后通过中间补料来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；

  但补加过多，则会使菌体过分生长，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。

  过程补料通过控制碳源的补料速度来控制菌体生长速度，达到控制适宜菌体量的目标。

3. 菌体浓度的检测

  工业发酵过程中菌体浓度的测定方法常用的有直接计数法、活菌计数法（平板菌落计数法，cfu/mL）、浊度法、测定重量法（干重法和湿重法）、测定细胞总氮量或总碳量，以及颜色改变单位法（ccu/mL）等。

  这些方法各有特点和适用场景，选择合适的测定方法对于准确评估菌体浓度至关重要。以下介绍一下浊度法、干重法、湿度法。

  浊度法用于澄清发酵液中非丝状菌的菌体浓度的测定。通常取发酵420～600nm波长范围内测定光密度（OD）。

  吸光度要求控制在0.2～0.8范围内（不同设备有一定差距），此时吸光值与细胞浓度呈线性关系，对于不在此范围内发酵液，需稀释在此范围内测量。

  干重法测定时，取一定体积的发酵液离心或过滤，洗去滤渣上可溶物质后，105℃烘至恒重称量即得干细胞重。

  对于不含不溶性固形物的发酵液重现性好，对含有不溶性固形物或者油质的培养液则难以得到准确结果。

  湿重法主要指称取湿菌体质量。取一定体积发酵液，用自然沉降或离心沉降法测定沉降物的湿体积或湿质量，此法只能作为细胞浓度的粗略估计。

菌丝形态的影响及控制

  菌体形态判断的指标主要包括尺寸指标、数量指标、形状指标、形态特征指标及质地指标五个方面，这些指标可用于评估和量化微生物菌体的形态特征，对于了解菌体的生理状态和优化发酵过程具有重要意义。

1. 尺寸指标：

菌丝长度：菌丝由分枝处到顶端的长度。

周长：菌丝或菌丝球的周边长度，对于形状不规则的菌体，此指标量化程度为中等。

面积：周长所围的面积，同样对于形状不规则的菌体，量化程度为中等。

直径：过菌球中心到边缘两点间的距离，量化程度为中等。

2. 数量指标：

生物量：单位体积液体培养基中菌丝体干重，量化程度高。

菌球数：一定体积液体培养基中菌球的数量，量化程度低，因为菌球计数较困难，且定义模糊。

菌丝团块：单位体积液体培养基中菌丝团的数量，量化程度低，计数困难，定义模糊。

3. 形状指标：

长轴：菌丝球最长直径，量化程度高。

短轴：与长轴垂直的最大长度，量化程度高。

面积比：菌球中实心部分所占总球面积的比率，量化程度低，需要积分计算，实心部分界定困难。

4. 形态特征指标：

分枝频率：丝状体中的分枝数量，量化程度中等，局部统计可行，但总体统计因菌丝缠绕程度高导致测定困难。

触丝长度：菌球非实心部分菌丝的长度，量化程度低，因触丝数量多，难以准确计量平均长度。

5. 质地指标：

紧密度：单位体积菌球中菌丝干重，量化程度低，因为菌丝球体积难以准确测定，但可通过透光度进行宏观定量。

粗糙度：菌丝球及菌团外部的不规则性，量化程度低，界定模糊，无法直接量化。

  这些指标有助于对菌体的形态进行细致的描述和量化分析，进而可以用于监测和控制发酵过程中菌体的生长状态，优化发酵条件以提高生产效率。

  如果这些指标都不明显，那么这个菌的菌体形态指标就基本用于是否染菌判断。

  如青霉素生产，生产菌生长一般分为：Ⅰ. 孢子发芽，Ⅱ. 菌丝增殖，Ⅲ. 菌丝分枝旺盛，出现脂肪颗粒，Ⅳ. 菌丝生长减缓，细胞内出现小气泡，Ⅴ. 气泡增大，颗粒消失，产物形成，Ⅵ. 气泡延伸，菌丝自溶。

菌丝形态能够影响青霉素的生产。在长期的菌株改良中，青霉素产生菌分化为主要呈丝状生长和结球生长两种形态。

  前者由于所有菌丝体都能充分和发酵液中的基质及氧接触，故一般比生产速率高；

  后者则由于发酵液黏度显著降低，使气-液两相间氧的传递速率大大提高，从而促进更多的菌丝生长，发酵罐体积产率甚至高于前者。

  在丝状菌发酵中，控制菌丝形态使其保持适当的分支和长度，并避免结球，是获得高产的关键要素之一；

  在球状菌发酵中，使菌丝球保持适当大小和松紧，并尽量减少游离菌丝的含量，也是充分发挥其生产能力的关键因素之一。
青霉素生产中，可通过观察菌丝形态变化来控制发酵。

  按规定时间从发酵罐中取样，根据“镜检”中菌丝形态和代谢变化的指标调节发酵温度，通过追加糖或补加前体等各种措施来延长发酵时间，以获得最多青霉素。

  当菌丝中空泡扩大、增多及延伸，并出现自溶细胞，表明菌丝趋向衰老，青霉素分泌逐渐停止，菌丝形态上将要进入自溶期。

在菌体自溶期来临之前，应该立刻放罐，将发酵液迅速进行提取操作。

  综合运用菌体浓度和形态控制策略，结合实时监测和精确调整，可以在发酵工业中实现高效生产。对发酵过程中菌体浓度和形态的深入理解，为优化生产过程和提高抗生素等发酵产品的产量和质量提供了坚实的基础。

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