影响发酵的因素很多，不同的微生物发酵过程，其主要影响因素也不同，目前还难以完全按照人的意志对发酵进行控制。所以了解发酵工艺条件对发酵过程的影响和掌握生产菌的生理代谢和发酵过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和发酵。本节介绍几种对发酵过程影响较大，生产上经常需要进行控制的因素。
一、温度
在发酵过程中需要维持生产菌的生长和代谢的适当发酵条件，其中之一就是温度。因微生物的生长和产物合成均需在各自适当的温度下进行。温度是保证酶活性的重要条件，故在发酵过程中必须保证最适宜的温度环境。
（一）温度对微生物生长的影响
微生物处于不同的生长阶段，温度对微生物生长的影响是不同的。而且不同的温度范围对微生物的影响也不相同，一方面在其最适生长温度范围内，生长速度随温度升高而加快，提高发酵温度，可以缩短生长周期。另一方面，不同生长阶段的微生物对温度的反应也不一样。处于延滞期的细菌对温度的反应十分敏感，将其置于最适生长温度附近，可以缩短其生长的延滞期。将其置于低于最适温度的环境中，延滞期就会延长。处于对数生长阶段的微生物，在其最适生长温度范围内，提高培养温度有利于微生物的生长，但超过最适生长温度，微生物的比生长速率开始迅速下降。
不同的微生物的共同特点是：对低温的适应力要强于对高温的适应力，其生长温度的跨度为30左右。
（二）温度对发酵的影响
温度对发酵的影响是多方面的，在过程优化中应了解温度对生长和生产的影响是不同的。一般发酵温度升高，酶反应速度增大，生长代谢加快，产物生成提前。但酶本身很容易因过热而失去活性，表现为菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终产量。
温度还会影响生物合成的方向。例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能生产金霉素，在低于30下，合成金霉素的能力较强。合成四环素的比例随温度的升高而增大，在35下只生产四环素，而金霉素的合成几乎停止。
温度变化还对多组分次级代谢产物的比例产生影响。如黄曲霉在20发酵所产生的黄曲霉毒素（aflatoxin）G1与B1的比例为3：1，而在25发酵时此比例为1：2，在30发酵时则为1：1.又如赭曲霉在10～20发酵时，有利于合成青霉素，在28发酵时则有利于合成赭曲霉毒素A。这说明温度变化不仅影响酶反应的速率，还影响产物的合成方向。温度还能影响微生物的代谢调控机制，20低温时氨基酸合成途径中的终产物对第一个合成酶的反馈抑制作用，比在正常生长温度37时更大。
除此之外，温度还对发酵液的物理性质产生影响，如发酵液的黏度、发酵基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速度、某些基质的分解和吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。
（三）影响发酵温度的因素
发酵过程中，随着微生物对培养基的利用，以及机械搅拌的作用，将产生一定量的热量。同时因罐壁散热、水分蒸发等也带走部分热量。发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量，以kJ/（L？h）表示。
发酵过程中产热和散热的因素分述如下：
①生物热：生产菌在生长繁殖过程中，本身产生的大量的热称为生物热。这种热的来源主要是培养基中碳水化合物、脂肪和蛋白质被微生物分解成CO2、NH3、水和其他物质时释放出来的。释放出来的能量部分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动的需要，部分用来合成产物，其余部分以热的形式散发出来。
生物热的产生有强烈的阶段性。在孢子发芽以及生长初期，这种热能产生的量是有限的。但当微生物增殖达到一定数量，即进入对数生长期后，热量大量产生，成为发酵过程中热平衡的主要因素。此后随着菌体的逐步衰老、自溶，生物热的产生开始下降。当然生物热随着菌株及培养基成分的不同而变化。
②搅拌热：好气培养的发酵设备都有大功率搅拌，搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体和设备之间的摩擦，产生大量的热。从电机的电能消耗中扣除其他部分形式能的散失后，可得搅拌热的估计值。
③蒸发热：空气进入发酵罐与发酵液充分接触后，排出时引起水分蒸发，带走一定的热能，即为蒸发热。水的蒸发热和废气因温度差异所带出的部分显热一起散失到外界。由于进入发酵罐的空气的温度和湿度是随外界的气候和控制条件而变，所以蒸发热和显热也是变化的。
④辐射热：由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液通过罐体向大气辐射的热量，即为辐射热。辐射热的大小取决于罐内温度与外界气温的差值，差值越大，散热越多。
由于上述的这些热能在发酵过程中是随时间变化的，因此，发酵热在整个发酵过程中也随时间变化，造成发酵温度发生波动。这就需要在生产中人为地进行控制，使发酵能在一定温度下进行。
（四）最适温度的选择
最适温度的选择应视微生物生长条件和产物合成条件而定，因为适合菌体生长的温度不一定适合产物的合成，所以整个发酵周期内仅选用一个最适温度不一定好。各种微生物在一定条件下，都有一个最适的温度范围。微生物种类不同，所具有的酶系不同，所要求的温度不同。同一微生物，培养条件不同，最适温度也不同。例如，黄原胶的发酵生产，在发酵前期是菌体的生长阶段，控制温度低一些促进菌体生长，一般控制在27；发酵中后期控制在32，这样既可加速前期的生长，又可提高产胶量约20%。如谷氨酸产生菌的最适生长温度为30～34，产生谷氨酸的温度为36～37，在谷氨酸发酵的前期种子培养和菌体增殖阶段应满足菌体生长的最适温度，若温度过高，菌体容易衰老。但发酵的中后期菌体生长已经停止，为了大量积累谷氨酸，需要适当提高温度。
温度的选择还应考虑其他发酵条件，根据其他条件变化灵活掌握。例如，在供氧条件差的情况下，最适的发酵温度可能比在良好的供氧条件下低一些。这是因为在较低的温度下增加氧在发酵液中的溶解水平，促进菌体生长，弥补因供氧不足造成的代谢异常。此外，还应考虑培养基的组分和浓度，培养基浓度较低或培养基中的组分较易被菌体利用时，提高发酵温度则容易过早地耗尽培养基中的养分，导致菌体过早出现自溶，减少产量。
二、pH
（一）pH对发酵的影响
发酵环境的pH对微生物生长和产物合成具有明显的影响，pH对微生物繁殖和产物合成的影响主要有以下几个方面：
①影响酶的活性，当环境pH抑制菌体内某些酶的活性时，就会阻碍菌体的新陈代谢；
②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的分泌；
③影响培养基中某些组分的解离，进而影响微生物对这些组分的吸收；
④pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。
培养基中营养物质的代谢，是引起pH变化的主要原因。由于pH不当，可能严重影响菌体的生长和产物的合成，因此，对微生物发酵来说有各自的最适生长pH和最适生产pH。多数微生物生长都有最适pH范围及其变化的上下限，上限都在8.5左右，超过此上限微生物将无法忍受而自溶；下限以酵母为最低（2.5）。但菌体内的pH一般认为是中性附近。大多数微生物生长适应的pH跨度为3～4个单位，其最佳生长pH跨度为0.5～1.不同微生物的生长pH最适范围不一样，细菌和放线菌的最适范围为6.5～7.5，酵母在4～5，霉菌在5～7.所能忍受的pH的上下限分别为：5～8.5，3.5～7.5和3～8.5.环境的pH会影响微生物的跨膜pH梯度，从而影响膜的通透性。
微生物生长和产物合成阶段的最适pH通常是不一样的，这与菌种特性及产物的化学性质有关。生产不同产物所需要的最适pH不同，如链霉素和红霉素为中性偏碱，6.8～7.3；金霉素、四环素为5.9～6.3；青霉素为6.5～6.8；柠檬酸为3.5～4.0.
在发酵过程中pH是变化的，这与微生物的代谢活动有关。NH3在溶液中以NH4+的形式存在，它被利用成为R-NH3+后，在培养基中生成H+；如果以NO3-为氮源，H+被消耗，NO3-还原成R-NH3+。pH改变的另一个原因是有机酸，如乳酸、丙酮酸或乙酸的积累。发酵中所用碳源种类也会影响pH的变化，如以乳糖为碳源，乳糖被缓慢利用，丙酮酸积累较少，pH维持在6～7之间；如以葡萄糖为碳源，丙酮酸迅速积累，使pH下降到3.6，发酵单位降低。
发酵液的pH变化是菌体代谢反应的综合结果。从代谢曲线的pH变化就可以推测发酵罐中的各种生化反应的进展和pH变化异常的可能原因。在发酵过程中，要选择好发酵培养基的成分及其配比，并控制好发酵工艺条件，才能保证pH不会产生明显的波动，维持在最佳的范围内，得到良好的结果。实践证明，维持稳定的pH对产物的形成有利。
（二）发酵的pH确定
微生物发酵的最适pH范围一般是在5～8之间，如谷氨酸发酵的最适pH为7.5～8.0.但发酵的pH又随菌种和产品不同而不同。由于发酵是多酶复合反应系统，各酶的最适pH也不相同，因此，同一菌种，生长最适pH可能与产物合成的最适pH是不一样的。例如黑曲霉pH2～3时合成柠檬酸，在pH接近中性时积累草酸。谷氨酸生产菌在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下形成谷氨酰胺。谷氨酸发酵在不同的阶段对pH的要求不同，发酵前期控制pH在7.5左右，发酵中期pH控制在7.2左右，发酵后期pH控制在7.0，在将近放罐时，为了利于后工序提取谷氨酸，pH调整到6.5～6.8为好。在利用梭状芽孢杆菌生产初级代谢产物丙酮丁醇时，pH在中性时，菌种生长良好，但产物产量很低，实际发酵合适pH为5～6.次级代谢产物抗生素的发酵更是如此，链霉素产生菌生长的合适pH为6.2～7.0，而合成链霉素的合适pH为6.8～7.3.因此，应该按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范围，使产物的产量达到最大。
最适pH是根据实验结果来确定的。将发酵培养基调节成不同的出发pH，并在发酵过程中，定时测定、调节pH，并观察菌体的生长情况，以菌体生长达到最高值的pH为菌体生长的合适pH。以同样的方法，可测得产物合成的合适pH。但同一产品的合适pH还与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。如合成青霉素的合适pH，先后报告有7.2～7.5、7.0左右和6.5～6.6等不同数值，产生这样的差异，可能是所用的菌种、培养基组成和发酵工艺不同引起的。在确定合适发酵pH时，还要考虑培养温度的影响，若温度提高或降低，合适pH也可能发生变动。
（三）pH的控制
在各种类型的发酵过程中，最适pH与微生物生长和产物形成的关系有四种：
①第一种情况是菌体的比生长速率（μ）和产物比生产速率（μP）的最适pH都在一个相似的较宽范围内，这种发酵过程易于控制；
②第二种情况是比生产速率μP的最适pH范围很窄，而μ的范围较宽，pH控制应以适宜提高比生产速率为准；
③第三种情况是μ和μP对pH都很敏感，它们的最适pH又是相同的，发酵pH应严格控制；
④第四种情况更复杂，μ和μP有各自的最适pH，应分别严格控制各自的最适pH，才能优化发酵过程。
在了解发酵过程中合适pH的要求之后，就要采用各种方法来控制。首先需要考虑和试验发酵培养基的基础配方，使他们有个适当的配比，使发酵过程中的pH变化在合适的范围内。因为培养基中含有代谢产酸（如葡萄糖产生酮酸、（NH4）2SO4）和产碱（如NaNO3、尿素）的物质及缓冲剂（如CaCO3）等成分，它们在发酵过程中要影响pH的变化，特别是能与酸酮等反应，而起到缓冲作用，所以它们的用量比较重要。在分批发酵中，常采用这种方法来控制pH的变化。
利用上述方法调节pH的能力是有限的，如果达不到要求，可以用在发酵过程中直接补加酸、碱和连续补料的方法来控制，特别是连续补料的方法，效果比较明显。当发酵的pH和氨氮含量都低时，补加氨水，就可达到调节pH和补充氨氮的目的；反之，pH较高，氨氮含量又低时，就补加（NH4）2SO4.在加多了消泡剂的个别情况下，还可采用提高空气流量来加速脂肪酸的代谢，以调节pH的方法。通氨一般是使用压缩氨气或工业氨水（浓度20%左右），进行少量间歇添加或连续自动流加，可避免一次加入过多造成局部偏碱。氨极易和铜反应产生毒性物质，对发酵产生影响，故需要避免使用铜制的加氨设备。
目前已经比较成功地采用连续补料的方法来调节pH，如氨基酸发酵时采用流加尿素的方法，特别是次级代谢产物抗生素的发酵，更是常用流加培养。流加发酵既可以达到稳定pH的目的，又可以不断补充营养物质。流加发酵还可以解除由于底物的阻遏作用而对发酵产生的抑制，提高产物产量。补料发酵可以同时实现补充营养、延长发酵周期、调节pH和培养液的特性等几个目的。
三、溶解氧
氧是需氧微生物生长所必需的。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往最易成为控制因素，这是因为氧在水中的溶解度很低，在28时发酵液中的饱和氧浓度只有7mg/L左右。在对数生长期即使发酵液中的氧浓度达到饱和，若此时终止供氧，发酵液中的溶氧可在几分钟之内全部耗尽，使溶氧成为控制因素。在工业发酵中，发酵液中的溶氧水平不仅取决于通风量和搅拌转速，还受发酵液温度和发酵罐内压力的影响。产率是否受溶氧的控制，不能单凭溶氧水平确定，还要考虑发酵的耗氧速率。
表示溶氧浓度的方法有三种：第一种是氧分压法，以大气压或毫米汞柱表示，100%空气在水中饱和时的氧分压为21.2kPa，这种表示方法多用于医疗单位。第二种方法是绝对浓度，以mgO2/L纯水表示，这种方法主要在环保单位使用。第三种是以空气饱和度表示，发酵行业中只用这种方法。这是因为在含有溶质，特别是在含盐类的水溶液中，其绝对氧浓度比在纯水中低，但用溶氧电极测定时基本相同。测定是以消毒灭菌后的发酵液充分通风搅拌，达到饱和时的溶氧水平为100%，饱和亚硫酸钠溶液中的溶氧水平为0.
在发酵过程中影响耗氧的因素有几个方面：
①培养基的成分和浓度显著影响耗氧，培养液营养丰富时，菌体生长快，耗氧量大；发酵浓度高时，耗氧量大；发酵过程中补料或补糖，微生物对氧的摄取量随着增大。
②菌龄影响耗氧，在对数生长期，呼吸旺盛时，耗氧量大；发酵后期菌体处于衰老状态，耗氧量自然减弱。
③发酵条件影响耗氧，在最适条件下发酵，耗氧量大。
④在发酵过程中，及时排除有毒代谢产物如二氧化碳、挥发性的有机酸和过量的氨，也有利于提高菌体的摄氧量。所以了解溶氧是否能满足发酵需要最简便的方法就是检测发酵液中的溶氧浓度，当供氧速率高于耗氧速率时，溶氧浓度就会上升；如果供氧速率低于耗氧速率时，溶氧浓度就会降低。
（一）溶解氧对发酵的影响
在耗氧发酵中，微生物对氧有一个最低要求，满足微生物呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度，用c临界表示。在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。一般好氧微生物临界溶解氧浓度很低，为0.003～0.05mmol/L，需氧量一般为25～100mmol/（L？h）。其临界溶解氧浓度是饱和浓度的1%～25%。
当不存在其他限制性基质时，溶解氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定；如果溶解氧浓度低于临界值，细胞的比耗氧速率就会大大下降，细胞处于半厌氧状态，代谢活动受到阻碍。培养液中的微生物只能利用溶解氧，气液界面处的微生物还能利用气相中的氧，所以，强化气液界面也将有利于供氧。
溶解氧是需氧发酵控制最重要的参数之一，由于氧在发酵液中的溶解度很小，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。又如薛氏丙酮酸菌发酵生产维生素B12时，维生素B12的组成部分咕啉醇酰胺（又称B因子）的生物合成前期的两种主要酶就受到氧的阻遏，只有限制氧的供给，才能大量积累B因子；B因子又必须在供氧的条件下才能转变成维生素B12，因而采用厌氧和供氧相结合的方法，才有利于维生素B12的合成。所以在需氧发酵中并不是溶氧越大越好。即使是专性好氧菌，过高的溶氧对生长也可能造成不利，这是因为氧通过形成新生O、超氧化物基O2-和过氧化物基O22-，或羟基自由基OH-，破坏许多细胞组分。
为了保证发酵的正常进行，除了了解每一种发酵产物的临界氧浓度外，还应了解发酵产物的最适氧浓度，使发酵过程保持在最适浓度。最适氧浓度与菌体和产物合成代谢的特性有关，需要由试验确定。根据需氧要求不同氨基酸发酵可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才能达到最大。如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸。第二类包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得到最大产量，但供氧受限时，产量受影响并不明显。第三类有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大产量，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。
氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由于它们的生物合成途径不同所致，不同的代谢途径产生不同数量的NAD（P）H，也就需要不同量的氧来进行氧化。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多，氧化再生的需氧量也最多，所以供氧越充分，氨基酸的合成量就越大；第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧关系不大；第三类如苯丙氨酸的合成，并不经过TCA循环，NADH产量很少，过量供氧反而起到抑制作用。
培养液中溶氧浓度的变化可以反映菌体的生长生理状况。随菌种的活力和接种量以及培养基的不同，溶氧在培养初期开始明显下降的时间不同，一般在接种后1～5h内，这也取决于供氧状况。通常在对数生长期溶氧明显下降，从其下降的速率可估计出菌体的大致生长情况。抗生素发酵在前期10～70h间通常会出现一个溶氧低谷阶段。如土霉素在10～30h，赤霉素在20～60h，红霉素和制霉菌素分别在25～50h和20～60h，链霉素在30～70h。溶氧低谷到来的早晚与低谷时的溶氧水平随工艺和设备条件而异。二次生长时溶氧往往会从低谷处上升，到一定高度后又开始下降。生长衰退或自溶时会出现溶氧逐渐上升的规律。
（二）供氧与微生物呼吸代谢的关系
好氧微生物生长与代谢均需要氧气，因此，供氧必须满足微生物在不同阶段的需要。由于各种好氧微生物所含的氧化酶系的种类和数量不同，在不同的环境条件下，各种不同的微生物的需氧量或呼吸强度是不同的。
微生物的需氧量常用呼吸强度和耗氧速率两种方法表示，呼吸强度是指单位质量的干菌体在单位时间内所吸收的氧量。耗氧速率是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量。呼吸强度可以表示微生物的相对吸氧量，但当培养液中有固体成分存在时，测定有困难，可以用耗氧速率来表示。微生物在发酵过程中的耗氧速率取决于微生物的呼吸强度和单位体积菌体浓度。
在发酵生产中，供氧的多少应根据不同的菌种、发酵条件和发酵阶段等具体情况决定。例如谷氨酸发酵在菌体生长期，希望糖的消耗最大限度地用于合成菌体，而在谷氨酸生成阶段，则希望糖的消耗最大限度地用于合成谷氨酸。因此，在菌体生长期，供氧必须满足菌体呼吸的需氧量，若菌体的需氧量得不到满足，则菌体呼吸受到抑制，从而抑制生长，引起乳酸等副产物的积累，菌体收率下降。但是当供氧量已经满足菌体生长需求，生长速率达到最大后，再继续提高供氧，不但不能促进生长，而且会由于高氧水平抑制生长，同时高氧水平下生长的菌体也不能有效地产生谷氨酸。
（三）溶解氧浓度的控制
发酵液的溶氧浓度是由供氧和需氧两方面决定的。当发酵的供氧量大于需氧量时，溶氧浓度就上升，直到饱和；反之就下降。
在供氧方面，主要是设法提高氧传递的推动力和体积溶氧系数kLα值，主要是通过调节搅拌转速或通风速率来控制溶氧。对于设备可以改造搅拌叶片的构造，增强对气泡的切割性能，使气泡分散得更加细小，这样就加大了气液两相的接触面积，增强了溶氧效果。供氧量的大小还必须与需氧量相协调，当生产菌的生长和产物形成对氧的需求量超过了设备的供氧能力，可以通过适当的工艺条件来控制发酵的需氧量，使生产菌发挥出最大的生产能力。
发酵液的需氧量，受菌体浓度、基质的种类和浓度以及培养条件等因素的影响，其中以菌体浓度的影响最明显。发酵液的摄氧率是随菌体浓度的增加而按比例增加，但氧的传递速率是随菌体浓度的对数关系减少，因此，可以控制菌的比生长速率比临界值略高一点的水平，达到最适浓度，这是控制最适溶氧浓度的重要方法。最适菌体浓度既能保证产物的比生产速率维持在最大值，又不会使需氧大于供氧。在工业生产中可以通过补料发酵来控制最适菌体浓度，如在青霉素发酵中，利用溶氧浓度的变化来调节补糖速率，间接控制供氧速率和pH，实现菌体生长、溶氧和pH三位一体的控制体系。
除控制补料速率外，还可以通过调节温度、液化培养基、补水、添加表面活性剂等工艺措施，来改善溶氧水平。
四、基质浓度
基质就是培养微生物的营养物质，是生产菌代谢的物质基础，既涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形成。因此基质的种类和浓度与发酵代谢有着密切的关系。
在分批发酵中，当基质过量时，菌体的生长速度与营养成分的浓度无关。但生长速度是基质浓度的函数，可用Monod方程表示。
当底物浓度远远大于KS时，比生长速率与基质浓度呈线性关系。在正常情况下，可达到最大比生长速率。然而，由于代谢产物及其基质过浓，而导致抑制作用，出现比生长速率下降的趋势。当葡萄糖浓度低于100～150g/L时，不出现抑制；当葡萄糖浓度高于350～500g/L时，多数微生物由于细胞脱水而不能生长。
在发酵生产中，如果培养基中基质浓度过高，即营养过于丰富，会使菌体生长过盛，发酵液非常黏稠，传质状况很差。细胞不得不花费许多能量来维持其生存环境，能量大量消耗于非生产用途，对产物的合成不利。
（一）碳源对发酵的影响
碳源浓度对产物形成的影响以酵母的克雷布特（Crabtree）效应为例，酵母生长在高糖环境下，即使溶氧充足，它还会进行有氧发酵，从葡萄糖产生乙醇。当培养基中的糖浓度超过5%时就会出现此效应。
就碳源种类可以分为迅速利用的碳源和缓慢利用的碳源。如葡萄糖能迅速地参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解产物，因此，有利于菌体生长，但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用。缓慢利用的碳源，被菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成，特别有利于延长抗生素的分泌期，也常为许多微生物药物的发酵所采用。例如，乳糖、蔗糖、麦芽糖、玉米油及半乳糖分别是青霉素、头孢菌素C、链霉素、核黄素及生物碱发酵的最适碳源。
在微生物发酵过程中，如果营养过于丰富则可能引起菌体异常繁殖，对菌体的代谢、产物的合成及氧的传递都会产生不良影响。若产生阻遏作用的碳源用量过大，则产物合成会受到明显的抑制；反之，仅供给维持量的碳源，菌体生长和产物合成就都停止。
控制碳源的浓度，可采用经验法和动力学法，即在发酵过程中采用中间补料的方法来控制，就是根据不同代谢类型来确定补料时间、补料量和补料方式。动力学方法是要根据菌体的比生长速率、糖的比消耗速率及产物的比生产速率等动力学参数来控制。
（二）氮源对发酵的影响
氮源有无机氮源和有机氮源两类。它们对菌体代谢都能产生明显的影响，不同的种类和不同的浓度都能影响产物合成的方向和产量。如谷氨酸发酵，当NH4+供应不足时，就促使形成α-酮戊二酸；过量的NH4+，反而促使谷氨酸转变成谷氨酰胺。适量的NH4+浓度才能使谷氨酸的产量达到最大。
氮源可分为两类：一类是迅速利用的氮源，如氨基态氮的氨基酸和玉米浆等；另一类是缓慢利用的氮源，如黄豆饼粉、花生饼粉等蛋白质。快速利用氮源容易被菌体利用，促进菌体生长，但对某些代谢产物的合成，特别是某些抗生素的合成产生调节作用，影响产量。如链霉素的竹桃霉素发酵中，采用促进菌体生长的铵盐浓度，能刺激菌丝生长，但抗生素产量下降。铵盐还对柱晶白霉素、螺旋霉素、泰洛星等的合成产生调节作用。缓慢利用的氮源对延长次级代谢产物的分泌期、提高产物的产量有好处。但一次投入，容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体过早衰老而自溶，从而缩短产物的分泌期。
发酵培养基中一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源，如氨基酸发酵时用铵盐和麸皮水解液、玉米浆；链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。为了调节菌体生长和防止菌体衰老自溶，除了培养基中的氮源外，在发酵过程中还要补充氮源来控制浓度。生产上采用的方法有：
①补充有机氮源：根据生产菌的代谢情况，可在发酵过程中添加某些具有调节生长代谢作用的有机氮源，如酵母粉、玉米浆、尿素等。如土霉素发酵中，补加酵母粉，可提高发酵单位；青霉素发酵中，后期出现糖利用缓慢、菌浓度变稀、pH下降等现象，补加尿素就可改善这种状况并提高发酵单位；氨基酸发酵中，也可补加作为氮源和pH调节剂的尿素。
②补充无机氮源：补加氨水或硫酸铵是工业上常用的方法。氨水既可作为无机氮源，又可以调节pH。在抗生素的发酵工业中，流加氨水是提高发酵产量的有效措施，如与其他条件相配合，有的抗生素的发酵单位可提高50%左右。但当pH偏高而又需补氮时，就可补加生理酸性物质的硫酸铵，以达到提高氮含量和调节pH的双重目的。还可以补充其他无机氮源，但需根据发酵控制的要求来选择。
（三）磷酸盐浓度的影响
磷是微生物菌体生长繁殖所必需的成分，也是合成代谢产物所必需的。微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0.32～300mmol/L，但对次级代谢产物合成良好所允许的最高平均浓度仅为1.0mmol/L，如提高到10mmol/L，就明显地抑制其合成。相比之下，菌体生长所允许的浓度比次级代谢产物合成所允许的浓度就大得多，两者平均相差几十倍至几百倍。因此，控制磷酸盐浓度对微生物次级代谢产物发酵来说是非常重要的。磷酸盐浓度调节代谢产物合成机制，对于初级代谢产物合成的影响，往往是通过促进生长而间接产生的，对于次级代谢产物来说，机制就比较复杂。
磷酸盐浓度的控制，一般是在基础培养基中采用适当的浓度。对于初级代谢来说，要求不如次级代谢那样严格。对抗生素发酵来说，常常是采用亚适量的磷酸盐浓度，就是对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量。其最适浓度取决于菌种特性、培养条件、培养基组成和来源等因素，必须结合当地的具体条件和使用的原材料进行试验确定。培养基中的磷含量，还可能因配制方法和灭菌条件不同发生变化。在发酵过程中，有时发现代谢缓慢的情况，可以补加磷酸盐。在四环素发酵中，间歇、微量添加磷酸二氢钾，有利于提高四环素的产量。
五、二氧化碳和呼吸商
CO2在发酵液中的浓度变化不像溶解氧那样有一定的规律，它的大小受到许多因素的影响，如细胞的呼吸强度、发酵液的流变学特性、通气搅拌程度、罐压大小、设备规模等。由于CO2的溶解度比氧气大，所以随着发酵罐压力的增加，其含量比氧气增加得更快。大容量发酵罐的发酵液静压力可达到1×105Pa以上，再加上正压发酵，致使罐底部压强达1.5×105Pa。如果当CO2浓度增大时，通气搅拌不改变，CO2不易排出，在罐底形成碳酸，使pH下降，进而影响微生物细胞的呼吸和产物合成。有时为了防止“逃液”而采用增加罐压消泡的方法，会增加CO2的溶解度，不利于细胞的生长。
对CO2浓度的控制主要依其对发酵的影响，如果对发酵有促进作用，应该提高其浓度；反之应设法降低其浓度。通过提高通气量和搅拌速率，在调节溶解氧的同时，还可以调节CO2的浓度。通气使溶解氧保持在临界值以上，CO2又可随着废气排出，使其维持在引起抑制作用的浓度之下。降低通气量和搅拌速率，有利于提高CO2在发酵液中的浓度。有研究报道，利用3m3发酵罐进行四环素发酵试验，发酵40h之前，通气量维持在76m3/h，搅拌转速为80r/min，使CO2浓度提高；40h之后通气量和搅拌转速分别提高至110m3/h和140r/min，以降低CO2浓度，如此使四环素的产量提高25%～30%。
（一）CO2对发酵的影响
CO2是呼吸和分解代谢的终产物，几乎所有发酵均产生大量CO2，例如，在产黄青霉的生长和产物形成中CO2来源可用式（6-132）～（6-134）表示。
CO2也可以作为重要的基质，如在精氨酸的合成过程中其前体氨甲酰磷酸的合成需要CO2基质。无机化能营养菌能以CO2作为唯一碳源加以利用。异养菌在需要时可利用补给反应来固定CO2.细胞本身的代谢途径通常能满足这一需要。如发酵前期大量通气，可能出现CO2受限制，导致延滞期的延长。
溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗生素等发酵有抑制或刺激作用。大多数微生物适应低CO2浓度（0.02%～0.04%体积分数）。当尾气CO2浓度高于4%时，微生物的糖代谢与呼吸速率下降；当CO2分压为0.08×105Pa时，青霉素比合成速率降低40%。又如发酵液中溶解CO2浓度为1.6×10-2mol/L时会强烈抑制酵母的生长，当进气CO2含量占混合气体流量的80%时酵母活力只有对照值的80%。在充分供氧下即使细胞的最大摄氧率得到满足，发酵液中的CO2浓度对精氨酸和组氨酸发酵仍有影响。组氨酸发酵中CO2浓度大于0.05×105Pa其产量随CO2分压的提高而下降。精氨酸发酵中有一最适CO2分压，为0.125×105Pa，高于此值对精氨酸合成有较大的影响。因此，即使供氧已足够，还应考虑通风量，需降低发酵液中CO2的浓度。
CO2对氨基糖苷类抗生素――紫苏霉素的合成也有影响。当进气中的CO2含量为1%和2%时，紫苏霉素的产量分别为对照的2/3和1/7.CO2分压为0.0042×105Pa时四环素发酵单位最高。高浓度的CO2会影响产黄青霉的菌丝形态，当CO2含量为0～8%时菌呈丝状；CO2含量高达15%～22%时，大多数菌丝变得膨胀、粗短；CO2含量更高，为0.08×105Pa时出现球状或酵母状细胞，青霉素合成受阻，其比生长速率约减少40%。
CO2对细胞的作用是影响细胞膜的结构。溶解CO2主要作用于细胞膜的脂肪酸核心部位，而HCO3-则影响磷脂的亲水头部带电荷表面及细胞膜表面上的蛋白质。当细胞膜的脂质相中CO2浓度达到一临界值时，膜的流动性及表面电荷密度发生变化。这将导致膜对许多基质的运输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉”状态，生长受抑制，形态发生变化。
工业发酵罐中CO2的影响值得注意，因罐内的CO2分压是液体深度的函数。在10m高的罐中，在1.01×105Pa的气压下操作，底部的CO2分压是顶部的两倍。为了排除CO2的影响，需综合考虑CO2在发酵液中的溶解度、温度和通气状况。在发酵过程中如遇到泡沫上升，引起逃液时，有时采用减少通气量和提高罐压的措施来抑制逃液，这将增加CO2的溶解度，对菌的生长有害。
（二）CO2的控制
发酵过程中通过通风量控制，可以达到调节CO2浓度的目的。发酵中增大通风量，既可以保证发酵液中的溶解氧浓度，又可以随废气排出发酵产生的CO2，使之低于能产生抑制的浓度；降低通风量，有利于增加CO2在发酵液中的浓度。在四环素发酵中，发酵前期（前40h）采用较小的通风量和较低的搅拌转速，增加发酵液中CO2的浓度，发酵40h以后加大通风量和提高搅拌转速，降低发酵液中CO2浓度，四环素产量提高25%～30%。
CO2浓度也可以通过控制罐压的方法实现，降低罐压就可以降低CO2的分压，也就降低了发酵液中的CO2浓度。但同时也降低了氧在发酵液中的饱和分压，减少了溶氧。液位高度也是一个控制指标，对CO2敏感的发酵生产，不宜采用大高径比的反应器。另外发酵液温度越高，CO2在发酵液中的溶解度越小，所以提高发酵温度也可以降低CO2浓度。降低发酵液的pH，也可以减少CO2在发酵液中的溶解，降低CO2浓度。这些控制措施都应与发酵的工艺条件相结合。
CO2的产生与补料发酵工艺控制密切相关，如在青霉素发酵中，补糖会增加发酵液中CO2浓度和降低发酵液的pH。因为补加的糖用于菌体生长、菌体维持和青霉素合成三方面，它们都产生CO2，使CO2产量增加。溶解在发酵液中的CO2和代谢产生的有机酸，又使发酵液pH下降。因此，补糖、CO2、pH三者之间具有相关性，被用于青霉素补料工艺的控制参数，其中以排气中的CO2量的变化比pH变化更为敏感，故采用CO2释放率作为控制补糖参数。
（三）呼吸商与发酵的关系
呼吸商（RQ）是指菌体释放二氧化碳的速率（CRR）与菌体的摄氧速率（OUR）之比。
在实际生产中测得的RQ值明显低于理论值，说明发酵过程中存在着不完全氧化的中间代谢物和葡萄糖以外的碳源。如油的存在（它的不饱和性与还原性）使RQ值远低于葡萄糖为唯一碳源的RQ值，在0.5～0.7范围，其随葡萄糖与油量之比波动。如在生长期提高油与葡萄糖量之比（O/G），维持加入总碳量不变，结果OUR和CRR上升的速度减慢，且菌浓度增加也慢；若降低O/G，则OUR和CRR快速上升，菌浓度迅速增加。这说明葡萄糖有利于生长，油不利于生长。由此得知，油的加入主要用于控制生长，并作为合成产物的碳源。
六、泡沫对发酵的影响
（一）泡沫的形成及其对发酵的影响
发酵过程中因通气搅拌、发酵产生的CO2以及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物质存在，发酵液中形成一定数量的泡沫属正常现象。一般在含有复合氮源的通气发酵中会产生大量泡沫，引起“逃液”，给发酵带来许多副作用，主要表现如下。
①降低了发酵罐的装料系数，发酵罐的装料系数（料液体积/发酵罐容积）一般取0.7左右。通常充满余下空间的泡沫约占所需培养基的10%，且配比也不完全与主体培养基相同。
②增加了菌群的非均一性，由于泡沫高低的变化和处在不同生长周期的微生物随泡沫飘浮，或粘附在罐壁上，使这部分菌有时在气相环境中生长，引起菌的分化，甚至自溶，从而影响菌体的整体效果。
③增加了污染杂菌的机会，发酵液溅到轴封处，容易染菌。
④大量起泡，控制不及时，会引起逃液，导致产物的流失。
⑤消泡剂的加入有时会影响发酵或给提炼工序带来麻烦。
发酵液的理化性质对形成泡沫起决定性的作用。气体在纯水中鼓泡，生成的气泡只能维持瞬间，其稳定性等于零。这是由于其能学上的不稳定和围绕气泡的液膜强度很低所致。发酵液中的玉米浆、皂苷、糖蜜所含的蛋白质，加上细胞本身具有稳定泡沫的作用。多数起泡剂是表面活性物质，它们具有一些亲水基团和疏水基团。分子带极性的一端向着水溶液，非极性的一端向着空气，并力图在表面做定向排列，增加了泡沫的力学强度。起泡剂分子通常是长链形的，其烃链越长，链间的分子引力越大，膜的力学强度就越强。蛋白质分子中除分子引力外，在羧基和氨基之间有引力，因而形成的液膜比较牢固，泡沫比较稳定。此外，发酵液的温度、pH、基质浓度以及泡沫的表面积对泡沫的稳定性也有一定的作用。
（二）泡沫在发酵过程中的变化
发酵过程中泡沫的多少与通气搅拌的剧烈程度和培养基成分有关，玉米浆、蛋白胨、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉、糖蜜等是发泡的主要因素，其起泡能力随这些物质品种、产地、加工、贮藏条件而有所不同，还与配比有关。如丰富培养基，特别是花生饼粉或黄豆饼粉的培养基，黏度比较大，产生的泡沫量大而持久。糖类本身起泡能力很低，但在丰富培养基中高浓度的糖增加了发酵液的黏度，起稳定泡沫的作用。此外，培养基的灭菌方法、灭菌温度和时间也会改变培养基的性质，从而影响培养基的起泡能力。如糖蜜培养基的灭菌温度从110升高到130，灭菌时间为半小时，发泡系数几乎增加一倍。
在发酵过程中发酵液的性质随菌的代谢活动不断变化，是泡沫消长的重要因素。发酵前期，泡沫的高稳定性与高表观黏度和低表面张力有关。随过程中蛋白酶、淀粉酶的增多及碳、氮源的利用，起稳定泡沫作用的蛋白质的降解，发酵液黏度的降低和表面张力的上升，泡沫在减少。另外，菌体也有稳定泡沫的作用，在发酵后期菌体自溶，可溶性蛋白增加，又促进泡沫上升。
（三）泡沫的控制
泡沫的控制方法可分为机械和消泡剂两大类。近年来也从生产菌种本身的特性着手，预防泡沫的形成。如单细胞蛋白生产中筛选在生长期不易形成泡沫的突变株。也可用混合培养方法，如产碱菌、土壤杆菌同莫拉氏菌一起培养来控制泡沫的形成。
1.机械消泡
机械消泡是藉机械引力或剧烈振动或压力变化起消泡作用。消泡装置可安装在罐内或罐外。罐内可在搅拌轴上方安装消泡桨，形式多样，泡沫借旋风离心场作用被压碎，也可将少量消泡剂加到消沫转子上以增强消泡效果。罐外法是将泡沫引到罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力粉碎泡沫。机械消泡的优点在于不需要引进外界物质，如消泡剂，从而减少染菌的机会，节省原材料和不会增加下游工段的负担。缺点是不能从根本上消除泡沫成因。
2.消泡剂消泡
发酵工业中常用的消泡剂分天然油脂类、聚醚类、高级醇类和硅树脂类。常用的天然油脂类有玉米油、豆油、米糠油、棉籽油、鱼油和猪油等，它们除作消泡剂外，还可作为碳源。其消泡能力不强，需注意新鲜度，以免微生物生长和产物合成受到抑制。应用较多的聚醚类消泡剂有聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油（俗称泡敌），用量为0.03%左右，消泡能力比植物油大10倍以上。泡敌的亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，但其溶解度也大，消泡活性维持时间较短。在黏稠发酵液中使用效果比在稀薄发酵液中更好。十八醇是高级醇类中常用的一种，可单独或与载体一起使用。它与冷榨猪油一起能有效控制青霉素发酵的泡沫。聚二醇具有消泡效果持久的特点，尤其适用于霉菌发酵。硅酮类消泡剂的代表是聚二甲基硅氧烷及其衍生物，不溶于水，单独使用效果很差。它常与分散剂一起使用，也可与水配成10%的纯硅酮乳液。这类消泡剂适用于微碱性的放线菌和细菌发酵。
消泡剂的消泡效果与使用方法有关，取决于它在发酵液中的扩散能力。消泡剂的分散可借助于机械方法或某种分散剂，如水，将消泡剂乳化成细小液滴。分散剂的作用在于帮助消泡剂扩散和缓慢释放，具有加速和延长消泡剂的作用，减小消泡剂的黏度，便于输送。如土霉素发酵中用泡敌、植物油和水按（2～3）：（5～6）：30的比例配成乳化液，消泡效果很好，不仅节约了消泡剂和油的用量，还可在发酵全程使用。
消泡作用的持久性除了与消泡剂本身的性能有关外，还与加入量和时机有关。在青霉素发酵中曾采用滴加玉米油的方式，防止泡沫的大量形成，有利于产生菌的代谢和青霉素的合成，且减少了油的用量。使用天然油脂时应注意不能一次加得太多，过量的油脂固然能迅速消泡，但也抑制气泡的分散，使体积溶氧系数kLα中的气液比表面积α减小，从而显著影响氧的传质速率，使溶氧迅速下降，甚至到零。油还会被脂肪酶等降解为脂肪酸与甘油，并进一步降解为各种有机酸，使pH下降，有机酸的氧化需要消耗大量的氧，使溶氧下降，加强供氧可减轻这种不利作用。甘油与铁会形成过氧化物，对四环素、卡那霉素等抗生素的生物合成有害。在豆油中添加0.1%～0.2%α-萘酚或萘胺等抗氧化剂可有效防止过氧化物的生成，消除它对发酵的不良影响。
