工业发酵参数的控制旨在优化质量、成本或效率，但否则是不必要的。
细胞浓度是发酵控制的关键参数。下面我们将详细阐述细胞浓度和细胞形态对发酵的影响和控制。
细菌浓度的影响与控制
细菌细胞的浓度，在一定条件下，不仅反映了细菌细胞的数量，而且还反映了细菌细胞生理特性不完全相同的分化阶段。
发酵过程中，细菌的浓度与细菌的生长速度密切相关，而生长速度又与微生物的类型、遗传特性、培养基和环境条件有关。
细菌浓度是单位体积培养液中细菌细胞的含量。它是科学研究和工业发酵控制的重要参数。
1、细菌浓度的影响
主要体现在影响产品收率和发酵液中的溶解氧。
在适当的比生长速率下，发酵产物的产量与细菌浓度成正比。
但如果菌体浓度过高，则会对发酵产生多种不利影响，并可能改变菌体的代谢途径，尤其是对培养基中溶解氧的影响。
为了获得最高的生产率，需要采用吸氧率和氧转移率平衡的细菌浓度，最好保持临界细菌浓度。
在抗生素生产中，如何确定和维持临界菌浓度是提高抗生素产能的关键。
发酵过程中，随着菌体浓度的增加，培养液的吸氧率成比例增加，但表观粘度也随之增加，从而降低了氧传质速率。当吸氧速率大于供氧速率时，发酵液中的溶解氧浓度就会下降，成为限制因素。
例如，在酵母发酵早期，代谢途径发生改变，酵母生长停滞，产生乙醇；在抗生素发酵中，溶解氧也受到限制，导致产量较低。
2. 细菌浓度的控制
细菌浓度的大小与细菌的生长速度密切相关，而细菌的生长速度又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和中间补料来控制细菌浓度是发酵过程中的一个重要因素。过程中的主要措施。
首先，确保基础培养基中有适当的比例，以避免产生太浓缩（或太稀释）的细菌细胞。合适的培养基是保证适宜菌量的保证。
然后通过中间喂料来控制。例如，当细菌生长缓慢、细菌浓度太稀时，可以添加一部分磷酸盐，以促进生长，提高细菌浓度；
但如果添加过多，细菌就会过度生长，超过临界浓度，从而抑制产物合成。
工艺补料通过控制碳源的补料速度来控制细菌的生长速度，以达到控制适量细菌的目的。
3、细菌浓度检测
工业发酵过程中常用的细菌浓度测量方法有直接计数法、活菌计数法（平板菌落计数法，cfu/mL）、浊度法、重量法（干重法和湿重法）、测定法等。细胞总氮或总碳，以及颜色变化单位法（ccu/mL）等。
这些方法都有各自的特点和适用场景。选择合适的测量方法对于准确评估细菌浓度至关重要。下面介绍浊度法、干重法、湿度法。
浊度法用于测定澄清发酵液中非丝状菌的浓度。通常，光密度（OD）是在420至600 nm的发酵波长范围内测量的。
要求吸光度控制在0.2～0.8范围内（不同设备有一定差异）。此时吸光度值与细胞浓度呈线性关系。对于不在这个范围内的发酵液，需要在这个范围内稀释并测量。
干重法测定时，取一定体积的发酵液，离心或过滤。洗去滤渣上的可溶性物质后，于105℃烘烤至恒重，称重，即得细胞干重。
对于不含不溶性固形物的发酵液重现性良好，但对于含有不溶性固形物或油的培养液则很难获得准确的结果。
湿重法主要指湿菌体的质量。取一定体积的发酵液，采用自然沉降或离心沉降的方法，测定沉降物的湿体积或湿质量。该方法只能用作细胞浓度的粗略估计。
菌丝形态的影响和控制
判断细菌细胞形态的指标主要包括大小指标、数量指标、形状指标、形态特征指标和质地指标五个方面。这些指标可用于评估和量化微生物细胞的形态特征，有助于了解细菌细胞的生理状态和优化。发酵过程非常重要。
1、尺寸指标：
菌丝长度：菌丝从分枝到顶端的长度。
周长：菌丝体或菌丝体球的周长。对于形状不规则的细菌，该指标的定量程度为中等。
面积：由周长围成的面积。同样对于形状不规则的细胞，定量程度中等。
直径：球中心与边缘之间的距离。量化程度中等。
2、定量指标：
生物量：单位体积液体培养基中菌丝体的干重，量化程度较高。
细菌细胞数：一定体积液体培养基中细菌细胞的数量。由于细菌细胞计数困难且定义模糊，量化程度较低。
菌丝体团块：单位体积液体培养基中菌丝体团块的数量。量化程度低、统计困难、定义模糊。
3、形状指标：
长轴：菌丝球直径最长，量化程度高。
短轴：垂直于长轴的最大长度，量化程度高。
面积比：菌球实心部分与球体总面积的比值。量化程度低，需要积分计算。很难定义实体部分。
4、形态特征指标：
分支频率：细丝中的分支数量。量化程度中等。局部统计是可行的，但由于菌丝缠结程度较高，整体统计很难衡量。
触手长度：菌球非固体部分的菌丝长度。量化程度较低。由于触手数量众多，因此很难准确测量其平均长度。
5、质感指数：
紧实度：单位体积菌丝体的菌丝干重。由于菌丝体的体积难以精确测量，定量程度较低，但可以通过透光率进行宏观定量。
粗糙度：菌丝球和真菌簇外部的不规则性。量化程度低，定义模糊，无法直接量化。
这些指标有助于对细菌的形态进行详细的描述和定量分析，从而可以监测和控制发酵过程中细菌的生长状况，优化发酵条件，提高生产效率。
如果这些指标不明显，那么基本都是通过细菌的形态指标来判断是否被感染。
例如，在青霉素生产中，生产菌的生长情况一般分为：Ⅰ．孢子萌发，Ⅱ．菌丝增殖，Ⅲ。菌丝分枝强，脂肪粒出现，Ⅳ．菌丝生长减慢，细胞内出现小气泡，Ⅴ。气泡增多，颗粒消失，产物形成，VI．气泡扩展，菌丝自溶。
青霉素培养过程中菌丝形态的变化如图所示。
青霉素培养过程中菌丝形态的变化
菌丝形态可以影响青霉素的产生。在长期的菌株改良过程中，产生青霉素的细菌分化为两种主要形式：丝状生长和结节状生长。
前者一般高于产率，因为所有菌丝体都能充分接触发酵液中的底物和氧气；
后者由于发酵液粘度显着降低，气相和液相之间的氧气传递速率大大提高，从而促进更多菌丝体的生长，发酵罐的容积产量甚至更高比前者。
丝状菌发酵中，控制菌丝形态，保持适当的分枝和长度，避免成球，是获得高产的关键因素之一；
在球形菌发酵过程中，保持菌丝球适当的大小和紧密度，尽量减少游离菌丝含量，也是充分发挥其生产能力的关键因素之一。
在青霉素生产中，可以通过观察菌丝形态的变化来控制发酵。
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等指标调整发酵温度，并通过添加糖或前体等多种措施延长发酵时间。获得最多的青霉素。
当菌丝内的空泡扩大、增大、延伸，并出现自溶细胞时，表明菌丝趋于老化，青霉素的分泌逐渐停止，菌丝形态上将进入自溶阶段。
在菌体自溶期到来之前，应立即置罐，并迅速抽出发酵液。
综合运用细菌浓度和形态控制策略，结合实时监测和精准调节，可以实现发酵行业的高效生产。深入了解发酵过程中的细菌浓度和形态，为优化生产工艺、提高抗生素等发酵产品的产量和质量提供了坚实的基础。
发酵罐厂家推荐：发酵罐制造需求请联系赵州桥机械。
董事长总经理
赵东强： 张展宏：
赵州桥机械制造专注发酵罐生产
【往期精选】
发酵中的磷酸盐：影响、控制和潜在价值
发酵碳源的秘密：种类、浓度分析及补糖控制
发酵液中溶解氧浓度的秘密：从理论到应用
工业发酵的心脏：机械搅拌发酵罐的设计与应用