抗生素工艺学第六章发酵过程的控制.ppt

第五章发酵过程控制 第一节发酵过程的主要控制参数第二节发酵过程的代谢变化第三节基质的影响及其控制第四节温度的影响与控制第五节pH的影响与控制第六节溶氧浓度的变化和控制第七节补料的作用及其控制第八节泡沫的影响与控制第九节发酵终点判断 发酵过程原理一 发酵的基本概念1 微生物发酵利用微生物体来制得产物的需氧或厌氧的任何过程 2 初级代谢产物关系到微生物新陈代谢过程中的能量代谢 细胞生长和细胞结构的代谢产物 3 次级代谢产物微生物菌体在生长期不能合成的 一般在菌体生长静止期中合成的与菌体成长繁殖无明显关系的产物 抗生素产生菌在一定条件下吸取营养物质 合成其自身菌体细胞 同时产生抗生素和其它代谢产物的过程 称为抗生素发酵 发酵过程是由各种酶系统的作用而发生的一系列生化反应 抗生素是这个过程的次级代谢产物 发酵方法 微生物发酵有三种方式 分批发酵 batchfermentation 补料分批发酵 fed batchfermentation 连续发酵 continuousfermentation 工业上防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题 大都采用分批发酵或补料分批发酵这两种方式 1 分批式发酵 理论基础把培养液一次性装入发酵罐 灭菌后接入一定量的种子液 在最佳条件下进行发酵培养 是产生菌体经过一定时间不同级数的种子培养 达到一定菌体量后 移种到发酵罐进行纯种和通气搅拌培养 到规定时间即行结束的过程 优缺点 发酵周期短 产品质量易控制 不易发生杂菌污染 对原料组成要求较粗放 发酵体系中开始时基质浓度很高 到中后期营养物质浓度很低 这对发酵反应不利 2 补料分批发酵 理论基础在分批式操作的基础上 开始时投入一定量的基础培养基 到发酵过程适当时期 开始连续补加碳源或氮源或其他必需物质 但不取出培养液 直到发酵终点 产率达最大化 停止补料 最后将发酵液一次全部放出 优缺点 优点 在发酵过程中慢慢地加入培养基 使其在发酵液中保持适宜水平 同时又稀释了生成的产物浓度 避免了高浓度产物和底物的抑制作用 也防止了后期养分不足而限制菌体生长 缺点 受发酵罐操作容积的限制 3 连续式发酵 理论基础菌体与培养液一起装入发酵罐 在菌体培养过程中不断补充新培养基 同时取出包括培养液和菌体在内的发酵液 发酵体积和菌体浓度等不变 使菌体处于恒定状态的发酵条件 促进菌体的生长和产物的积累 优缺点 连续培养优点 能维持基质浓度 可以提高设备的利用率和单位时间的产量 节省发酵罐的非生产时间 便于自动控制 但由于培养时间长 难以保证纯种培养 并且菌种变异可能性较大 故在工业规模上很少采用 发酵过程控制 微生物发酵的生产水平取决于 1 生产菌种本身的特性 2 合适的环境条件 使它的生产能力充分表达出来 这些环境条件包括培养基 培养温度 pH 氧的需求等 为了掌握菌种在代谢过程中的代谢变化规律 需要监测一些参数 这些参数包括菌体浓度 糖 N消耗及产物浓度 培养温度 pH 溶氧等 第一节发酵过程的主要控制参数 一 物理参数 二 化学参数 三 生物参数 一 发酵过程的主要控制参数 一 物理参数1 温度 发酵整个过程或不同阶段中所维持的温度 酶反应速率 氧在培养液中的溶解度与传递速率 菌体生长速率和产物合成速率2 压力 Pa 发酵过程中发酵罐维持的压力 一般维持在0 2 105 0 5 105Pa 保证纯种的培养 间接影响菌体代谢 3 搅拌转速 r min 搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度 通常以每1min的转数来表示 它的大小与氧在发酵液中的传递速率与发酵液的均匀性有关 4 搅拌功率 kw 指搅拌器搅拌时所消耗的功率 常指每1m3发酵液所消耗的功率 kw m3 它的大小与氧容量传递系数有关 5 空气流量 V V min 简称VVM 每1min内每单位体积发酵液通入空气的体积 也是需氧发酵的控制参数 与氧的传递和其他控制参数有关 一般控制在0 5 1 0V V min 范围内 6 粘度 Pa s 粘度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项标志 也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况 通常用表观粘度表示之 它的大小可改变氧传递的阻力 又可表示相对菌体浓度 7 浊度 浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数 对某些产品的生产是极其重要的参数 8 料液流量 L min 这是控制流体进料的参数 二 化学参数 1 pH 酸碱度 发酵液的pH是发酵过程中各种产酸和产碱的生化反应的综合结果 它是发酵工艺控制的重要参数之一 它的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系 2 基质浓度 g或mg 这是发酵液中糖 氮 磷等重要营养物质的浓度 它们的变化对产生菌的生长和产物的合成有着重要的影响 也是提高代谢产物产量的重要控制手段 在发酵过程中 必须定时测定糖 还原糖和总糖 氮 氨基氮或氨氮 等基质的浓度 3 溶解氧浓度 10 6 ppm 或饱和度 溶解氧是需氧菌发酵的必备条件 利用溶氧浓度的变化 可了解产生菌对氧利用的规律 反映发酵的异常情况 也可作为发醉中间控制的参数及设备供氧能力的指标 溶氧浓度一般用绝对含量 10 6 来表示 有时也用在相同条件下 氧在培养液中饱和浓度表示 4 产物的浓度 g u ml 这是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的重要参数 也是决定发酵周期长短的根据 5 废气中的氧浓度 Pa 废气中的氧含量与产生菌的摄氧率和供氧系数有关 从废气中的O2的含量可以算出产生菌的摄氧率和发酵罐的供氧能力 6 废气中的CO2浓度 废气中的CO2就是产生菌呼吸放出的CO2 测定它可以算出产生菌的呼吸熵 从而了解产生菌的呼吸代谢规律 其他化学参数 DNA RNA 生物合成的关键酶等 三 生物参数 1 菌丝形态丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映 一般都以菌丝形态作为衡量种子质量 区分发酵阶段 控制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之一 2 菌体浓度菌体浓度简称菌浓 是控制微生物发酵的重要参数之一 大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响 表观粘度 溶氧浓度 在生产上 常常根据菌体浓度来决定适合的补料量和供氧量 以保证生产达到顶期的水平 发酵液的菌体量和单位时间的菌浓 溶氧浓度 糖浓度 氮浓度和产物浓度等的变化值 计算 菌体的比生长速率 氧比消耗速率 糖比消耗速率 氮比消耗速率和产物比生产速率 控制产生菌的代谢 决定补料和供氧工艺条件 研究发酵动力学 第二节 发酵过程中的代谢变化 1 菌体生长阶段 菌体生长期或发酵前期 菌体进行合成代谢 菌浓明显增加 摄氧率不断增大 溶氧浓度不断下降 碳源 氮源进行分解代谢 碳源 氮源和磷酸盐等营养物质不断被消耗 浓度明显减少 2 产物合成阶段 产物分泌期或发酵中期 这个阶段主要是合成抗生素 以碳源和氮源的分解代谢和产物的合成代谢为主 尚有合成菌体细胞物质的代谢存在 但不是主要的 由于存在抗生素合成和菌体合成两条代谢途径 外界环境的变化很容易影响这个阶段的代谢 碳源 氮源和磷酸盐等营养物质的浓度必须控制在一定的范围内 发酵条件也要严格控制 才能促使产物不断地被合成 3 菌体自溶阶段 菌体自溶期或发酵后期 菌体衰老 细胞开始自溶 氨氮含量增加 pH上升 产物合成能力衰退 生产速率下降 发酵到此期必须结束 发酵过程的三个时期 1 2 3 1 停滞期2 对数期3 稳定期 时间 细胞数目的对数 1 停滞期在刚开始接种后的一段时间 几乎未见菌体浓度的增加 工业上要求尽可能缩短延滞期 这可通过使用适当种龄的种子和接种量达到 2 对数生长期微生物在此期内的比生长速率最大 细胞数目呈指数生长 3 稳定期由于养分的消耗和微生物产物的分泌 生长速率逐渐减速直至停止 生长终止原因可能是由于某些必须养分的耗尽和自体毒性代谢物在培养基上积累的结果 在稳定期 许多次级代谢产物在此期合成 因此也称为生产期 第三节基质的影响及其控制 一 碳源浓度变化及其控制 一 碳源浓度的影响1 快速利用碳源 如葡萄糖 能较迅速地参与代谢 合成菌体和产生能量 并产生分解产物 如丙酮酸等 有利于菌体生长 葡萄糖效应 关键 控制浓度 使他们不致产生抑制抗生素合成的作用 应用 常以较低的浓度和慢速利用碳源一起组成基础培养基中的混合碳源 供菌体生长用 也作为发酵过程中的中间补糖用 2 慢速利用碳源为菌体缓慢利用 有利于延长代谢产物的合成 特别有利于延长抗生索的分泌期 需要控制浓度 分批投料 二 碳源浓度的控制补糖的数量 应使发酵液中所含的糖量能维持菌体的正常生理代谢 并能防止抗生素的生产能力衰退 一般控制法动力学模型控制法 1 一般控制法 中间补糖 法 决定补糖的参考参数有 糖的消耗速率 pH变化 菌体浓度 菌丝形态 发酵液粘度 溶解氧浓度 消沫油使用情况 罐内发酵液实际体积等 开始补糖时间 根据代谢变化的情况来确定 补糖数量 以控制菌体浓度略增或不增为原则 使产生菌的代谢活动有利于抗生素的合成 补糖方式 连续滴加补入 少量多次间歇补入 大量少次补入等 2 动力学模型控制法 根据菌体比生长速率 糖比消耗速率以及抗生素比生产速率等动力学参数来控制加糖 需建立动力学模型 在实际生产上应用较少 二 氮源浓度变化及其控制 1 补加有机氮源根据产生菌的代谢情况 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 2 补加无机氮源补加氨水或硫酸铵是工业上的常用方法 补充方式与补碳源类似 以达到最佳生产为目标 三 磷酸盐浓度的影响与控制 微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0 32 300mmol 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 提高到10mmol 就明显地抑制其合成 磷酸盐浓度的控制 一般是在基础培养基中采取适当的浓度 生长亚适量的磷酸盐浓度 对菌体生长不是最适合但又不影响生长的量 四 前体的影响与控制 为了抑制抗生素产生菌的生物合成方向及增加抗生素产量 在一些抗生素发酵过程中加入化学前体物质 如为了提高苄青霉素的产量在青霉素发酵中加入苯乙酸等 发酵过程中加入的前体数量一次不宜太多 必须采用少量多次或者连续流加的方式加入 第四节温度的影响与控制 一 温度对发酵的影响1 影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质 1 在一定范围内 随着温度的升高 酶反应速率也增加 但有一个最适温度 超过这个温度 酶的催化活力就下降 温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响不同 如产黄青霉菌体的最适生长温度为30 青霉素合成的最适温度为24 7 2 温度还能改变菌种代谢产物的合成方向 影响多组分次级代谢产物的组分比例 如在高浓度Cl 和低浓度Cl 的培养基中利用金霉素链霉菌NRRLB 1287进行四环素发酵 30 以下时合成的金霉素增多 达35 时就只产四环素 而金霉素合成几乎停止 如黄曲霉产生的多组分黄曲霉毒素 在20 25 和30 发酵所产生的黄曲霉毒素G1与B1比例分别为3 1 1 2和1 1 2 影响发酵液的物理性质 发酵液的粘度 基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率 某些基质的分解和吸收速率等 二 影响发酵温度变化的因素 产热的因素 生物热 Q生物 和搅拌热 Q搅拌 散热的因素 蒸发热 Q蒸发 辐射热 Q辐射 和显热 Q显 发酵热 Q发酵 kJ m3 h Q发酵 Q生物 Q搅拌 Q蒸发 Q辐射 Q显 1 生物热 Q生物 产生菌在生长繁殖过程中产生的热能 生物热的大小 随菌种和培养基成分不同而变化 生物热的大小还随培养时间不同而不同 2 搅拌热 Q搅拌 搅拌器转动引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的热量 3 蒸发热 Q蒸发 空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后 引起水分蒸发所需的热能 4 辐射热 Q辐射 由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的热量 三 温度的控制 1 最适温度的选择最适发酵温度是既适合菌体的生长 又适合代谢产物合成的温度 最适生长温度与最适生产温度往往是不一致的 理论上 整个发醉过程中不应只选一个培养温度 而应该根据发酵的不同阶段 选择不同的培养温度 最适发酵温度还随菌种 培养基成分 培养条件和菌体生长阶段而改变 如 在较差的通气条件下 由于氧的溶解度是随温度下降而升高 因此降低发酵温度对发酵是有利的 因为低温可以提高氧的溶解度 降低菌体生长速率 减少氧的消耗 从而可弥补通气条件差所带来的不足 2 温度的控制由于发酵过程中释放大量发酵热 需要冷却情况较多 一般情况下 将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇形管中 进行热交换降温 如果气温较高 冷却水的温度又高 可采用冷冻盐水进行循环式降温 第五节pH的影响与控制 一 发酵pH的影响在发酵过程中 pH变化决定于所用菌种的特性 培养基配比和发酵条件 pH的变化会引起各种酶活力的改变 影响菌对基质的代谢速度 甚至改变菌的代谢途径及细胞结构 一 微生物细胞生长和代谢需要适合pH值不同微生物对pH值的要求不同 大多数细菌的最适pH值为6 5 7 5 霉菌的最适pH值为4 0 8 0 酵母菌的最适pH值为3 8 6 0 放线菌的最适pH值为6 5 8 0 发酵过程中控制一定的pH值 是保证微生物正常生长的重要的条件之一 也是防止杂菌污染的一个重要措施 pH值不仅影响微生物的生长 还会影响到代谢产物的形成 并且微生物生长的最适pH值和发酵产物形成的最适pH值往往不同 如青霉素产生菌生长的最适pH值为6 5 7 2 而青霉素合成的最适pH值为6 2 6 3 链霉素产生菌生长的最适pH值为6 3 6 9 而链霉素合成的最适pH值为6 7 7 3 因此 充分了解微生物生长和产物形成的最适pH值 并根据不同微生物的特性 在发酵过程中有效地控制合适的pH值是非常重要的 二 pH对微生物影响原因1 pH值会影响到微生物细胞原生质膜的电荷 使细胞原生质膜发生变化 引起原生质膜对个别离子渗透性的改变 从而影响到微生物对培养基中一些营养物质的吸收利用以及代谢产物的渗漏 进而影响到微生物的生长和新陈代谢的正常进行 2 pH值会直接影响到微生物细胞内的酶活性 在合适的pH值下 微生物细胞中的酶才能发挥最大的活性 3 pH值会影响到培养基中某些重要的营养物质和中间代谢产物的解离 从而影响微生物对这些物质的吸收和利用 三 发酵过程中pH值的变化情况发酵过程中由于微生物细胞在一定的温度及通气条件下 随着微生物对培养基中的营养物质的利用及某些物质的积累 发酵液的pH值会发生一定的变化 一般在正常情况下 在适合微生物生长及产物合成的情况下 微生物本身具有一定的调节pH值的能力 会使pH值处于比较适宜的状态 因此发酵过程中pH值的变化是有一定规律的 1 在微生物细胞的生长阶段 相对于接种后的起始pH值来说 发酵液的pH值有上升或下降的趋势 2 在生产阶段 一般发酵液的pH值趋于稳定 维持在最适产物形成的pH范围 3 在微生物细胞的自溶阶段 随着培养基中营养物质的耗尽 微生物细胞内蛋白酶积累和活跃 微生物趋于自溶 引起培养液中的氨基氮等的增加 致使pH上升 引起发酵液pH值下降的主要原因有 1 培养基中C N比例不当 C源过多 如葡萄糖过量或中间补糖过多或溶解氧不足 使糖的氧化不完全 培养液有机酸大量积累 使pH值下降 2 消泡油加得过多 3 生理酸性物质的存在 使pH值下降 引起发酵液pH值上升的主要原因有 1 培养基中C N比例不当 氮源过多 氨基氮释放会使pH值上升 2 生理碱性物质的存在 3 中间补料液中氨水或尿素等碱性物质加入过多 二 发酵过程pH的控制 四 发酵过程中pH的控制1 调节培养基的原始pH值 或加入缓冲溶液制成缓冲能力强 pH值变化不大的培养基 或使盐类和碳源的配比平衡 如磷酸缓冲液 2 可在发酵过程中加入弱酸或弱碱进行pH值的调节 进而合理地控制发酵条件 无机酸碱调节pH最方便 省事 但也是最无奈的办法 生理酸碱性物质调节pH最困难 不易把握 但只要对症 效果最佳 3 如果仅用酸或碱调节pH值不能改善发酵情况时 进行补料是一个较好的办法 既调节了pH值 又可补充营养 也进一步提高发酵产率 通过补料调节pH值来提高发酵产率的方法已在工业发酵过程中取得了明显的效果 例如 在青霉素发酵中 根据产生菌的代谢需要用改变加糖率来控制pH 比固定加糖率而以酸或碱来调节pH可增产青霉素25 4 生理酸性铵盐作为氮源时 引起pH下降 可在培养液中加入CaCO3来调节pH值 但需要注意的是 CaCO3的加入量一般都很大 在操作上容易引起染菌 因此 此方法在发酵过程中应用不是太广 5 在发酵过程中根据pH值的变化可用流加氨水的方法来调节 同时又把氨水作为氮源供给 由于氨水作用快 对发酵液的pH值波动影响大 应采用少量多次的流加方法进行流加 以免造成pH值过高 抑制微生物的生长 6 以尿素作为氮源进行流加调节pH值 尿素流加引起的pH值变化有一定的规律性 易于操作控制 在抗生素生产的有氧发酵中 保证足量的溶解氧浓度是发酵控制的主要因素之一 因此必须不断地向培养液供给足够的氧 以满足微生物生长代谢的需求 氧在水中的溶解度很小 在25 和1 105Pa时 空气中的氧在水中溶解度仅0 25mol m3左右 能维持微生物菌体15 20s的正常呼吸 随之就会耗尽 第六节溶氧浓度的变化和控制 在实验室中 通过摇瓶机的往复运动对摇瓶中的微生物供养 而中间实验规模和生产规模的培养装置则需采用通入无菌空气并同时进行搅拌的方式对微生物供养 通气和搅拌的目的就是提供微生物生长和代谢所需的氧 并使微生物在培养液中处于悬浮状态以及提高代谢产物的传递速度 一 发酵过程溶解氧浓度的变化对多数发酵来说 氧的不足会造成代谢异常 产量降低 溶解氧最易变为发酵中的主要矛盾 只有了解发酵过程中溶解氧浓度的变化 才能有效地控制发酵的进行 如金霉素发酵 在生长期中短时间停止通气 就可能影响菌体在生产期的糖代谢途径 由磷酸戊糖途径转向糖酵解途径 使金霉素合成的产量减少 1 临界氧浓度临界溶氧浓度 当培养基中不存在其他限制性基质时 不影响好氧性微生物生长繁殖的最低溶解氧浓度称为临界氧浓度 而微生物发酵的最适氧浓度与临界氧浓度是不同的 最适氧浓度 溶解氧浓度对生长或产物合成的最适的浓度范围 为了避免发酵处于限氧条件下 需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度 并使发酵保持在最适氧浓度范围 这样便可减少批次之间的波动和更有效地利用空气动力 需氧发酵并不是溶氧愈大愈好 溶氧较高虽然有利菌体的生长和产物的合成 但当溶氧水平太大 有时会抑制产物的形成 2 溶解氧浓度的变化规律在设备和工艺条件不变的情况下 发酵过程中溶解氧的变化有一定的规律 1 在发酵前期 由于产生菌大量繁殖 需氧量不断大幅度增加 此时需氧超过供养 溶氧明显下降 溶氧曲线出现一个低谷 2 过了生长阶段 一般需氧量略有减少 溶氧随之上升 次级代谢产物开始形成 发酵中后期 溶氧浓度明显受工艺控制手段的影响 如补料的数量 时机和方式等 如 在补糖后 菌体的需氧量增加 引起溶氧下降 其下降幅度与菌龄 补糖量及补糖前的溶氧浓度都有关系 如工艺控制不合适 不断地大量补糖 会使溶氧浓度低于临界氧浓度 此时溶解氧就会成为生产的限制因素 3 在发酵后期 由于菌体衰老 呼吸减弱 溶氧浓度也会逐步上升 一旦菌体自溶 溶氧就会明显地上升 3 发酵异常时的溶氧变化发酵过程中若有染菌 污染噬菌体 菌体代谢异常 加油器失灵等异常情况出现 都可能引起溶氧浓度的异常变化 1 发酵液中污染好气性杂菌 溶氧浓度会在短时间内跌到零值附近 且长时间不能回升 这比用无菌试验来反映杂菌情况要快4 8h 2 但不是一染菌溶氧就会有大幅度的下跌 要看所染杂菌的种类和数量 还要看杂菌和产生菌谁占优势 有时染菌也会出现溶氧反而升高的现象 这是因为生产菌受到杂菌抑制 而杂菌本身又非十分好气 这样生产菌的呼吸大为减弱而使溶氧上升 这种情况在污染噬菌体的发酵液中更为灵敏 更早地发出预报 3 补料或加油在供氧不良的罐内也会引起溶氧迅速降低 若溶氧原来就较低就容易降至零 一般1 3h溶氧回升 这可与染菌时的溶氧变化相区别 4 某些设备故障也会引起溶氧的变化 例如自动加油器失灵 大量漏油 会引起溶氧迅速下降 二 溶解氧浓度的控制要控制发酵液中的溶氧浓度 从供养与需氧两方面着手 影响氧传递系数的一些因素1 搅拌搅拌的作用是把通入的气体打碎 强化湍流程度 使空气与发酵液充分混合 气 液 固三相更好地接触 增加了溶氧速率 使微生物悬浮混合均匀 促进代谢产物的传质速率 它能从以下几个方面改善溶氧速率 1 搅拌能把大的空气泡打碎成为微小气泡 增加了氧与液体的接触面积 而且小气泡的上升速度要比大气泡的慢 相应地氧与液体的接触时间也就增长 2 搅拌使液体作涡流运动 使气泡不是直线上升而是作螺旋运动上升 延长了气泡的运动路线 增加了气液的接触时间 3 搅拌使发酵液呈湍流运动 从而减少气泡周围液膜的厚度 减少液膜阻力 因而增大了KLa值 4 搅拌使菌体分散 避免结团 有利于固液传递中的接触面积的增加 使推动力均一 同时也减少了菌体表面液膜的厚度 有利于氧的传递 2 空气的线速度当增加通风量时 空气的线速度也就相应地增大 从而增加了溶氧 氧传递系数Kla相应地也增大 当然过大的空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气 气流形成大气泡在轴的周围逸出 使搅拌效率和溶氧速率都大大降低 3 空气分布管空气分布管的型式 喷口直径及管口与罐底距离的相对位置对氧溶解速率有较打影响 4 培养液的性质在发酵过程中 由于微生物的生命活动 分解并利用培养液中的基质 大量繁殖菌体 积累代谢产物等都引起培养液的性质改变 5 表面活性剂培养液中消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的表面活性物质分布在气液界面 增大了传递的阻力 使氧传递系数Kla降低 需氧的控制 在一定的供氧能力下能控制需氧量 既做到满足生产菌的生长和产物合成对氧的需要 又不超过设备的供氧能力 使生产菌在这一条件下发挥最大的生产能力 控制办法 如控制补料速度 温度的调节 中间补水 控制菌体浓度 第七节补料的作用及其控制一 补料分批培养作用补料分批培养对微生物发酵有下列几作用 1 可以控制营养物的浓度在许多发酵过程中 微生物的生长是受到基质浓度的影响 要想得到高密度的生物量 需要投入几倍的基质 补料可增加微生物的生长和发酵过程 2 可以解除或减弱分解代谢产物阻遏在微生物合成初级或次级代谢产物中 有些合成酶受到易利用碳源或氮源的阻遏 特别是葡萄糖 它能够阻抑多种酶或产物的合成 如青霉素 赤霉素等 这种阻遏作用不是葡萄糖的直接作用 而是由葡萄糖的分解代谢产物引起的 通过补料来限制基质的浓度 就可解除酶或其代谢产物合成受阻 提高产量 3 可以使发酵过程最佳化利用补料分批培养技术 可以使菌种保持在最大生产力的状态 二 补料分批培养的补料方式和控制补料方式 连续流加 不连续流加 多周期流加 每次流加方式 快速流加 恒速流加 指数速率流加 变速流加 三 补料内容1 基础培养基2 碳源补糖 葡萄糖 3 氮源补充有机氮源 通氨 尿素4 微量元素5 补水 四 流加补料的内容和原则原则 控制微生物的中间代谢 使之向着有利于产物积累的方向发展 为此 要根据微生物的生长代谢 生物合成规律 利用流加补料的措施给予生产菌适当的调节 让它能在生物合成阶段有足够而又不过多的营养物质供其维持正常代谢和合成产物的需要 第八节泡沫的影响与控制 一 泡沫的性质及对发酵的影响泡沫的性质 发酵液液面上的泡沫 气相所占的比例特别大 与液体有较明显的界限 如发酵前期的泡沫 发酵液中的泡沫 又称流态泡沫 分散在发酵液中 比较稳定 与液体之间无明显的界限 泡沫对发酵的影响 起泡 发酵罐的装料系数减小 氧传递系数减小等 泡沫过多 造成大量逃液 发酵液从排气管路或轴封逃出而增加染菌机会等 严重时 通气搅拌也无法进行 菌体呼吸受到阻碍 导致代谢异常或菌体自溶 二 影响泡沫消长的因素 一 与通气搅拌的剧烈程度 特别是高速的搅拌及大空气流量有关 二 与培养基配比及原材料组成有关 三 与菌种 种子质量 菌丝阶段和接种量有关 三 泡沫的消除 一 机械消沫靠机械引起的强烈振动或压力的变化促使气泡破裂 罐内消沫法 在搅拌轴上方装消沫桨 通过消沫桨转动打碎泡沫 罐外消沫法 将泡沫引出罐外 通过喷嘴的加速作用或利用离心力来消除泡沫 优点 不需加入外界物料 可节省原料 减少污染杂菌的机会 缺点 消沫效果不理想 仅可作为辅助的消沫方法 二 消沫剂消沫 化学消沫 消沫机理 1 当泡沫的表层存在着极性的表面活性物质而形成双电层时 加入另一种具有相反电荷的表面活性剂 以降低其机械强度 进而促使泡沫破裂 2 当泡沫的液膜具有较大的表面粘度时 可加入某些分子内聚力较小的物质 以降低液膜的表面粘度 从而促使液膜的液体流失而使泡沫破裂 理想的消沫剂 应具备下列条件 1 必须是表面活性物质 且具有较低的表面张力 2 在气 液界面上具有足够大的铺展系数 才能迅速发挥消泡作用 一定的亲水性 3 在水中溶解度极小 以保持其具有持久的消泡或抑泡性能 4 无毒 能耐高温灭菌 对设备无腐蚀性 不干扰其他参数的测定 不妨碍氧的传递 对发酵 提炼及抗生素的质量和产量无影响 5 成本低 来源广 常用的消沫剂 主要有天然油脂类 高碳醇 脂肪酸和酯类 聚醚类 硅酮类4大类 1 天然油脂类 玉米油 米糠油 豆油 松子油 菜子油 鱼油 猪油等 优点 来源比较丰富 价格比较低廉 在发酵中不仅用于消沫 还可以作为供产生菌利用的碳源和中间控制的手段 缺点 分子中无亲水基 在发泡介质中难铺展 消泡活性差 并且油的成本和折粮单耗都比较高且用量大 已逐渐被合成消沫剂取代 2