工业发酵

工业发酵是有意利用发酵来生产对人类有用的产品。除了大规模生产发酵食品和饮料外，工业发酵在化学工业中也有广泛的应用。

商业化学品，如醋酸、柠檬酸和乙醇是通过发酵制成的。此外，几乎所有商业化生产的工业酶，如脂肪酶、转化酶和凝乳酶，都是用转基因微生物发酵制成的。

在某些情况下，生物质的生产本身就是目标，如单细胞蛋白质、面包酵母和用于奶酪制作的乳酸菌的启动培养物就是如此。

一般来说，发酵可以分为四种类型。

• 生产生物质（有活力的细胞材料）
• 生产细胞外代谢物（化合物）
• 生产细胞内成分（酶和其他蛋白质）
• 底物转化（转化的底物本身就是产品）

这些类型不一定相互脱节，但为理解方法的不同提供了一个框架。

使用的生物体通常是微生物，特别是细菌、藻类和真菌，如酵母和霉菌，但工业发酵也可能涉及植物和动物细胞培养，如CHO细胞和昆虫细胞。

需要特别考虑用于发酵的特定生物体，如溶解氧水平、营养物质水平和温度。发酵的速度取决于微生物、细胞、细胞成分和酶的浓度，以及温度、pH值和好氧发酵的氧气水平。产品回收通常涉及稀释溶液的浓缩。

在大多数工业发酵中，生物体或真核细胞被浸没在液体介质中；在其他情况下，如可可豆、咖啡樱桃和味噌的发酵，发酵发生在介质的潮湿表面。

还有与发酵过程相关的工业考虑。例如，发酵介质、空气和设备要进行消毒，以避免生物过程受到污染。泡沫控制可以通过机械泡沫破坏或化学消泡剂实现。其他几个因素也必须被测量和控制，如压力、温度、搅拌器轴功率和粘度。

工业发酵的一个重要因素是扩大规模。这是将实验室程序转换为工业过程。在工业微生物学领域已经确立，在实验室规模下效果好的东西在首次尝试大规模时可能效果不好，或者根本没有效果。

一般来说，不可能盲目地将实验室中有效的发酵条件应用于工业规模的设施。尽管许多参数已经被测试过，并且可以作为扩大规模的标准，但由于发酵过程的可变性，并没有一个通用的公式。最重要的方法是保持每单位肉汤的功率消耗不变，并保持恒定的体积转移率。

一旦生长介质接种了感兴趣的生物体，发酵就开始了。接种物的生长不会立即发生。这是适应期，被称为滞后期。滞后期过后，生物体的生长速度在一段时间内稳步上升，这就是对数或指数阶段。

在指数增长阶段之后，由于营养物质的浓度稳定下降和/或有毒物质的浓度稳定增加（积累），增长速度放缓。在这个阶段，生长速度的增加被遏制，这就是减速阶段。

在减速阶段之后，生长停止，培养物进入静止阶段或稳定状态。生物量保持不变，除非培养物中某些积累的化学物质在一个称为化学分解的过程中使细胞发生化学分解。

化学成分保持不变，除非其他微生物污染了培养物。如果培养基中的所有营养物质都被消耗掉，或者毒素的浓度太大，细胞可能会变得衰老并开始死亡。生物量的总量可能不会减少，但有活力的生物体的数量会减少。

用于发酵的微生物或真核细胞生长在（或在）专门设计的生长培养基中，提供生物体或细胞所需的营养。存在各种各样的培养基，但无一例外地包含碳源、氮源、水、盐和微量营养素。在葡萄酒生产中，介质是葡萄汁。在生物乙醇的生产中，介质是葡萄汁。