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第24章 影响浓醪发酵的因素

影响浓醪发酵的因素有很多,概括起来可分为两个方面:一是菌种方面的原因,包括渗透压、底物抑制、产物抑制及副产物的形成等;二是工程方面,包括醪液输送的限制、传热限制、供氧能力限制等。

一、菌种方面的原因

发酵生产的水平首先取决于微生物菌种的性能,选育适合于浓醪发酵的优良菌株是实现浓醪发酵的技术关键。

(一)渗透压的影响

微生物细胞只有在适宜的渗透压环境中才能进行正常的生长繁殖。如果渗透压太低会造成胞内物质流失,菌体生长受到影响;反之培养液渗透压太高,则易造成菌体细胞脱水,也会影响微生物的新陈代谢。

微生物细胞的平衡渗透压为0.85%的食盐水或2.60%的葡萄糖溶液,微生物可适应一定范围内的渗透压变化。就葡萄糖而言,多数微生物的最适生长糖含量为2%~5%,生长和代谢受到明显抑制的糖含量为10%~12%,致死糖含量为20%~28%。从这个意义上说,糖含量大于12%即可认为是浓醪发酵。

(二)底物抑制

某些微生物,当底物(营养物)浓度达一定值时,细胞的生长和代谢受到抑制,使发酵速度下降,这种现象叫做底物抑制。不同的微生物和不同的底物,其抑制作用的机理不尽相同,其中有的是多种抑制作用的综合效果。如以葡萄糖为底物进行酒精发酵时,当糖浓度大于50g/L时,酵母的生长和发酵都受到抑制,其抑制作用包括高浓度底物的竞争抑制和葡萄糖阻遏效应。高浓度底物抑制是指多个葡萄糖分子倾向于与转移酶结合,导致输送系统阻塞,从而抑制了总的结合效果和底物的吸收速度,进而影响发酵速度。葡萄糖阻遏是阻止mRNA的生成,从而阻止相关代谢酶的合成。此外,高浓度的葡萄糖还对酒精脱氢酶的活性有影响。

(三)产物抑制

在发酵过程中,随着产物浓度的提高,微生物的生长和代谢速率逐渐下降,这种产物抑制现象是普遍存在的。在酵母菌的酒精发酵过程中,当酒精含量4%时,开始有明显的抑制作用,随着酒精含量的升高,酒精发酵速度逐渐下降;当酒精含量>;10%~12%时,酵母菌的生长和发酵即停止。酒精对酵母菌的抑制作用主要表现在酒精对细胞膜结构的影响,高浓度的酒精削弱细胞膜对极性分子的屏蔽能力,使胞内物质流失,进而影响细胞生长和酒精发酵。

此式表明,随着青霉素浓度的上升,抑制作用越来越明显。当产物浓度达一定值时,青霉素的生成即停止。

(四)副产物的形成

提高底物浓度是实现浓醪发酵的必要条件之一。但在发酵过程中随着底物浓度的提高,一方面生成目的产物的酶系受到抑制,另一方面生成副产物的酶系被激活,从而导致目的产物的生成速率下降。即使微生物能够保持正常目的产物合成酶系的活力,但由于随着底物浓度的提高,微生物合成副产物的酶系被激活或酶活增加,也会导致副产物生成量增加,目的产物的收得率下降。例如,在酵母生产中,培养液糖浓度高时,会产生大量乙醇,使细胞对糖收得率下降;在青霉素生产中,培养液糖浓度高时,会产生有机酸,使青霉素产量减少。

二、工程方面的问题

(一)供氧问题

在许多情况下,供氧问题是限制浓醪发酵的主要因素。随着发酵浓度的增高,一方面所需的供氧速率增大;另一方面发酵液的黏度增大,影响氧的传递,在相同的搅拌和通风条件下供氧速率将有所下降,最终导致发酵过程供氧的不足。一般发酵过程的耗氧速率为0.5~3.0kgO2/(m3?h),对于耗氧速率<;1.0kgO2/(m3?h)的场合,采用一般的通风搅拌即可满足供氧要求;对于耗氧速率在1.0~3.0kgO2/(m3?h)范围内的发酵生产,则可采用溶氧效果较好的机械搅拌。浓醪发酵过程的耗氧速率达3.0~10.0kgO2/(m3?h),如不采取特殊措施,一般发酵罐的供氧速率往往不能满足微生物的耗氧要求。如酵母细胞高密度培养时的生物量达60~100g/L,如不限制生长速率,则高峰期所需的耗氧速率达5.0~10.0kgO2/(m3?h)。显然,一般发酵罐是不能满足其供氧速率的。在实际生产中,为了满足酵母生长的耗氧要求,当发酵罐的供氧能力达最大时,就不得不采用限制流加糖速率的办法来控制酵母的生长速率,以保证培养过程的顺利进行。

(二)热量传递问题

微生物在生长代谢时,会产生大量的生物热,在常规发酵时,高峰期放热量为5×103~5×104kJ/(m3?h),而浓醪发酵时高峰期放热量达5×104~1×105kJ/(m3?h)。随着发酵浓度的增加,一方面放热量增加,另一方面传热效果下降,给冷却带来困难。

(三)流体输送问题

在浓醪发酵过程中,随着底物浓度的增加,醪液的黏度增大,导致醪液流动的阻力加大,给输送带来困难。同时,醪液黏度大也给产品提取带来难度。特别是以玉米面、豆饼粉等粗制原材料为培养基时,发酵醪非常黏稠,采用浓醪发酵时,醪液的输送和搅拌都成问题。

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