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一、发酵过程中的代谢变化与控制参数
发酵（或培养）过程，因其代谢产物的种类不同而有一定的差异，但大体上是相同的。随着菌体的生长和繁殖，培养液的物理性质、菌体形态和生理状态都可能会发生显著的变化，如：培养液的表观黏度可能增大，液体的流变学特性改变，进而影响罐内的氧传递、热传递和液体混合等过程。细胞在初期和后期的生理活性也不相同。因此，了解各种不同菌体在发酵过程中的生长曲线及代谢变化，有利于对发酵过程进行控制。
从产物形成来说，代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化（培养基和培养条件）和产物生成速率这三者之间的关系。如果将它们随时间变化的过程绘制成图，就形成所谓的生长曲线（图4-1）。
图4-1 细胞生长曲线
1.延滞期；2.对数期；3.稳定期；4.衰亡期
菌体生长过程可分为四个阶段即迟缓期、对数生长期、稳定期和衰亡期（表4-1）。在发酵过程中即使是同一菌种，由于生理状态和培养条件差异，各期的时间长短也不尽相同。在工业发酵中往往接种对数期的（特别是对数生长中期）的菌液，尽量缩短延滞期，缩短发酵周期，并在尚未达到衰亡期即进行放罐处理或在对数生长中后期进行诱导。
表4-1 不同生长期菌体变化及特征
发酵（或培养）是在一定条件下进行的，其代谢变化是通过各种检测参数反映出来的。一般发酵（或培养）过程控制主要参数有以下几种：
1.pH（酸碱度）
是影响微生物生长和产物合成最重要的因素之一，是代谢活动的综合指标。不同种类的工程菌对pH的要求不同，生长和产物合成过程的最适pH也可能有所不同。
2.温度（℃）
对发酵的影响是多方面的，对细胞的生长和代谢、产物合成均产生重要影响。它的高低与发酵中的酶反应速率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物生成速率等有密切关系。不同的菌种、不同产品、发酵不同阶段，所维持的温度亦不同。
3.溶解氧浓度（DO%）
是好氧菌发酵的必备条件。外源基因的高效转录和翻译需要大量的能量，促进细胞的呼吸作用，因此维持适宜的溶解氧浓度，才能提高菌的生长及外源蛋白产物的合成。溶解氧一般用绝对含量（ppm）来表示，有时也用在相同条件下氧在培养液中饱和度的百分数（%）来表示。
4.基质含量（%或g/100ml）
也称之为底物，主要包括碳源、氮源、无机盐等，是工程菌代谢的物质基础，既涉及菌体的生长繁殖，又涉及产物的形成。基质的种类和浓度与发酵代谢有着密切的关系。因此，在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和总糖）、氮（氨基氮或铵氮）等基质的浓度。
5.空气流量［V/（V·min）］
是指每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积，也可叫通风比，是好氧发酵的控制参数。它的大小与氧的传递和其他控制参数有关。
6.压力（MPa）
是指发酵过程中发酵罐维持的压力。罐内维持正压可以防止外界空气中的杂菌侵入而避免污染，以保证纯种的培养。同时罐压的高低还与氧和CO 2在培养液中的溶解度有关，间接影响菌体代谢。
7.搅拌转速（r/min）
是指搅拌器在发酵过程中的转动速度，对好氧性发酵，在发酵的不同阶段控制发酵罐搅拌器不同的转数，以调节培养基中的溶氧。它的大小与氧在发酵液中的传递速率和发酵液的均匀性有关。
8.搅拌功率（kW）
是指搅拌器搅拌时所消耗的功率，它的大小与液相体积氧传递系数 K Lα有关。
9.黏度（Pa·s）
可以作为细胞生长或细胞形态的一项标志，也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况，通常用表观黏度表示。它的大小可改变氧传递的阻力，又可表示相对菌体浓度。
10.浊度（OD%）
是能及时反映单细胞生长状况的参数，用于澄清培养液中低浓度非丝状菌的测量，测得的OD值与细胞浓度成线性关系。
11.料液流速（ml/h）
是控制流体进料的参数。
12.产物的浓度（μg/ml）
这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的重要参数，也是决定发酵周期长短的根据。
13.氧化还原电位（mV）
是影响微生物生长及其生化活性的因素之一，特别是厌氧发酵和某些氨基酸发酵是在限氧条件下进行的，溶氧电极已不能精确使用，这时用氧化还原电位参数控制则较为理想。
14.排气中的氧含量（%）
与产生菌的摄氧率和 K Lα有关。从废气中的氧和CO 2的含量可以算出产生菌的摄氧率、呼吸熵和发酵罐的供氧能力。
15.排气中的CO2含量（%）
是指产生菌呼吸放出的CO 2，测定它可以算出产生菌的呼吸熵，从而了解其呼吸代谢规律。
16.菌丝形态
可反映生化代谢变化，一般都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期长短的依据之一。
17.菌体浓度（简称菌浓）
菌浓度与培养液的表观黏度有关，间接影响发酵液的溶氧浓度。生产过程中，常常根据菌浓度来决定适合的补料量和供氧量，以保证生产达到预期的水平。
发酵过程重要参数的测定方法和目的见表4-2。
表4-2 发酵过程重要控制参数的测定方法及目的
