发酵技术中菌体浓度与基质对发酵的影响及控制.doc

发酵技术中菌体浓度与基质对发酵的影响及控制1 菌体浓度对发酵的影响v 菌体（细胞）浓度(cell concentration)：单位体积培养液中菌体的含量。v 反映：菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段。v 可据此算出菌体的比生长速率和产物的比生成速率等有关动力学参数。 菌体生长的影响因素v 遗传特性。取决于细胞结构的复杂性和生长机制，细胞结构越复杂，分裂所需的时间就越长。典型的细菌、酵母、霉菌和原生动物的倍增时间分别为45 min、90 min、3 h和6 h左右，这说明各类微生物增殖速率的差异。v 菌体的增长还与营养物质和环境条件有密切关系。各种碳源和氮源等成分和它们的浓度。上限浓度、基质抑制（渗透压、关键酶）。一些营养物质的上限浓度(gL)如下：葡萄糖100、NH4+ 5、PO43- 10。v 影响菌体生长的环境条件有温度、pH值、渗透压和水分活度等因素。 菌浓的大小对发酵产物的得率的影响v 在适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成正比关系，即P=QPmc(X)P发酵产物的产率(产物最大生成速率或生产率)，g(Lh)；QPm产物最大比生成速率，h-1；c(X)菌体浓度，gL。v 初级代谢产物：菌浓愈大，产物的产量愈大。v 次级代谢产物：比生长速率比临略高一点的最适菌浓即c(X)临，菌体的生产率最高。v 菌浓过高会产生其他的影响：营养物质消耗过快，培养液的营养成分发生明显的改变，有毒物质的积累，溶氧下降，会对发酵产生各种影响。v 摄氧速率OUR与传氧速率OTR相平衡时的菌体浓度，即临界菌体浓度c(X)临。菌体超过此浓度，抗生素的比生成速率和体积产率都会迅速下降。基质对发酵影响及其控制v 据Monod方程，在分批发酵中菌体比生长速度是基质浓度的函数。在c(S)Ks的情况下，菌体比生长速率与基质浓度呈线性关系。v 基质过浓导致抑制作用。当葡萄糖浓度低于100150 gL，不出现抑制作用；当葡萄糖浓度高于350500 gL，多数微生物不能生长，细胞出现脱水现象。v 培养基过于丰富，菌体生长过旺，黏度增大，传质差，菌体不得不花费较多的能量来维持其生存环境，即用于非生产的能量大量增加。控制合适的基质浓度。举例：基质浓度对生成量和组成的影响黑曲霉柠檬酸发酵蔗糖浓度15%18%，蔗糖同化率97%蔗糖浓度20%，只同化92%蔗糖浓度低于10%，产柠檬酸少，积累草酸蔗糖浓度低于2.5%，不产柠檬酸营养物比例对发酵的影响v 影响菌体按比例、均匀地吸收营养物和环境pH的稳定v 影响菌体生长，影响产物量和组成例：棒杆菌生产谷氨酸 NH4+过量，菌体增殖阶段会抑制菌体生长，产酸阶段Glu会受谷氨酰胺合成酶作用转化为Gln NH4+不足，a-酮戊二酸积累，引起反馈调节）碳源对发酵的影响及其控制v 迅速利用的碳源能较迅速地参与代谢、合成菌体和产生能量，并产生分解代谢产物，有利于菌体生长，但有的分解代谢产物阻遏产物合成；v 缓慢利用的碳源多数为聚合物，为菌体缓慢利用，有利于延长代谢产物的合成。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、盐霉素、核黄素及生物碱发酵的最适碳源。v For 青霉素：v 现象：在迅速利用的葡萄糖培养基中，菌体生长良好，但青霉素合成量很少；相反，在缓慢利用的乳糖培养基中，青霉素的产量明显增加。缓慢滴加葡萄糖以代替乳糖，仍然可以得到良好的结果。v 说明：糖的缓慢利用是青霉素合成的关键因素。乳糖被缓慢利用的速度恰好适合青霉素合成的要求。v 结论：合理使用迅速利用的碳源；v 发酵培养基中采用混合碳源。vv 碳源的浓度：营养过于丰富对菌体的代谢、产物的合成及氧的传递都会产生不良的影响。若产生阻遏作用的迅速利用的碳源用量过大，则产物的合成会受到明显的抑制；反之，仅仅供给维持量的碳源，菌体生长和产物合成就都停止。v 控制碳源的浓度： 经验法：根据不同代谢类型来确定补糖时间、补糖量和补糖方式。 动力学法：根据菌体的比生长速率、糖比消耗速率及产物的比生成速率等动力学参数来控制。 2）氮源对发酵的影响及其控制影响产物合成的方向和产量如： 谷氨酸发酵 NH4+供应不足，促使形成-酮戊二酸； NH4+过量，促使谷氨酸转变成谷氨酰胺。 控制适量的NH4+浓度v 迅速利用的氮源：氨基(或铵)态氮的氨基酸(或硫酸铵等)和玉米浆等；容易被菌体所利用，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。如链霉菌的竹桃霉素发酵中，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。v 缓慢利用的氮源：黄豆饼粉、花生饼粉、棉子饼粉等蛋白质。延长次级代谢产物的生产期、提高产物的产量。一次投入全量容易促进菌体生长和养分过早耗尽，以致菌体早衰自溶，缩短产物的生产期。生产上采用的方法：v 设计发酵培养基：选用含有快速利用和慢速利用的混合氮源。如：氨基酸发酵用铵盐(硫酸铵或醋酸铵)和麸皮水解液、玉米浆； 链霉素发酵采用硫酸铵和黄豆饼粉。v 补加有机氮源 酵母粉、玉米浆、尿素等。 如：土霉素发酵，补加酵母粉可提高发酵单位； 青霉素发酵，后期出现糖利用缓慢、菌浓变稀、pH值下降的现象，补加尿素可改善这种状况并提高发酵单位； 氨基酸发酵补加作为氮源和pH值调节剂的尿素。 v 补加无机氮源：氨水或硫酸铵 氨水：既可作为无机氮源，又可调节pH值。在抗生素发酵工业中，通氨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。 硫酸铵：生理酸性，当pH值偏高而又需补氮时补加，以达到提高氮含量和调节pH值的双重目的。 根据发酵控制的要求选择其他无机氮源。3 磷酸盐浓度的控制适当的浓度：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实验确定。抗生素发酵：生长亚适量(对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量)的磷酸盐浓度。 举例：四环素发酵：菌体生长最适的磷浓度为6570 gmL，而四环素合成最适磷浓度为2530 gmL。青霉素发酵：0.01的磷酸二氢钾为好。代谢缓慢：补加磷酸盐。 举例：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。 其他成分：金属离子，微量元素等。如：Cu2+能促进醋酸转化为谷氨酸；Mn2+浓度足够才能促进杆菌肽的合成营养条件的选择1）种类的选择v 生长阶段：营养物要全面v 产物生成阶段：给予发酵所需的各种营养，前体、促进剂v 混合氮源和混合碳源