发酵工艺过程控制

第七章发酵工艺过程控制 微生物发酵的生产水平不仅取决于生产菌种本身的性能 而且要赋以合适的环境条件才能使它的生产能力充分表达出来 必须了解有关生产菌种对环境条件的要求 如培养基 培养温度 pH 氧的需求等 并深入了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径 为设计合理的生产工艺提供理论基础 通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度 糖 氮消耗及产物 以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度 pH 溶解氧等参数情况 并予以有效地控制 使生产菌种处于产物合成的优化环境中 第一节发酵过程中的代谢变化与控制参数 一 发酵工艺过程控制的重要性 从产物形成来说 代谢变化就是反映发酵中的菌体生长 发酵参数的变化 培养基和培养条件 和产物形成速率这三者之间的关系 二 发酵过程的代谢变化规律 这里介绍分批发酵 补料分批发酵 半连续发酵及连续发酵四种类型的操作方式下的代谢特征 1 分批发酵 指在一个封闭的培养系统内含有初始限制量的基质的发酵方式 即一次性投料 一次性收获产品的发酵方式 延滞期 指数期 稳定期 衰亡期 时间 t 菌体浓度 分批培养条件下的典型生长曲线 在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系 将微生物产物形成动力学分为 生长关联型和 非生长关联型 A 葡萄糖异构酶 B 菌体浓度 B 菌体浓度 A 杀念珠菌素 生长关联型 非生长关联型 产物的生成速率与菌体生长速率成正比 这种产物通常是微生物分解基质的直接产物 如酒精 但也有某些酶类 如脂肪酶和葡萄糖异构酶 产物的生成速率与菌体生长速率成无关 而与菌体量的多少有关 对于生长关联型产品 可采用有利于细胞生长的培养条件 延长与产物合成有关的对数生长期 对于非生长关联型产品 则宜缩短菌体的对数生长期 并迅速获得足够量的菌体细胞后 延长稳定期 从而提高产量 2 补料 分批发酵 是指分批培养过程中 间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法 与传统的分批发酵相比 优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度 低基质浓度的优点 可以除去快速利用碳源的阻遏效应 并维持适当的菌体浓度 使不至于加剧供氧的矛盾 克服养分的不足 避免发酵过早结束 半连续发酵 是指在补料 分批发酵的基础上 间歇地放掉部分发酵液的培养方法 优点 可以除去快速利用碳源的阻遏效应 并维持适当的菌体浓度 使不至于加剧供氧的矛盾 克服养分的不足 避免发酵过早结束 缓解有害代谢产物的积累 连续发酵 又称连续流动培养或开放型培养 即培养基料液连续输入发酵罐 并同时放出含有产品的发酵液的培养方法 在这样的环境中培养 所提供的基质对菌的生长就受到限制 培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态 与传统的分批发酵相比 连续培养有以下优点 维持低基质浓度 可以除去快速利用碳源的阻遏效应 并维持适当的菌体浓度 使不至于加剧供氧的矛盾 避免培养基积累有毒代谢物 可以提高设备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 但连续培养也有缺点 长时间的连续培养难以保证纯种培养 并且菌种发生变异的可能性较大 故在工业规模上很少采用 生产上只有丙酮丁醇厌氧发酵 纸浆液生产饲料酵母 以及活性污泥处理各种废水等才使用连续培养工艺 此方法多数用于实验室以研究微生物的生理特性 三 发酵过程的主要控制参数 pH值 酸碱度 温度 溶解氧浓度基质含量空气流量压力搅拌转速搅拌功率粘度 浊度料液流量产物浓度氧化还原电位废气中的氧含量废气中的CO2含量菌丝形态菌体浓度 第二节温度对发酵的影响及其控制 一 温度对发酵的影响 微生物发酵所用的菌体绝大多数是中温菌 如霉菌 放线菌和一般细菌 它们的最适生长温度一般在20 40 温度会影响各种酶反应的速率 改变菌体代谢产物的合成方向 影响微生物的代谢调控机制 影响发酵液的理化性质 进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成 在发酵过程中 需要维持适当的温度 才能使菌体生长和代谢产物的合成顺利进行 二 影响发酵温度变化的因素 产热因素 生物热 Q生物 搅拌热 Q搅拌 散热因素 蒸发热 Q蒸发 辐射热 Q辐射 显热 Q显 发酵热 Q发酵 是发酵温度变化的主要因素 Q发酵 Q生物 Q搅拌 Q蒸发 Q辐射 Q显 为了使发酵能在一定温度下进行 要设法进行控制 由于Q生物 Q蒸发和Q显 特别是Q生物在发酵过程中随时间变化 因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化 引起发酵温度发生波动 三 温度的控制 最适温度的选择温度的控制 在生长阶段 应选择最适生长温度 在产物分泌阶段 应选择最适生产温度 发酵温度可根据不同菌种 不同产品进行选择 工业生产上 所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热 因发酵中释放了大量的发酵热 需要冷却的情况较多 利用自动控制或手动调整的阀门 将冷却水通入发酵罐的夹层或蛇行管中 通过热交换来降温 保持恒温发酵 如果气温较高 特别是我国南方的夏季气温 冷却水的温度又高 致使冷却效果很差 达不到预定的温度 就可采用冷冻盐水进行循环式降温 以迅速降到最适温度 因此大工厂需要建立冷冻站 提高冷却能力 以保证在正常温度下进行发酵 第三节pH值对发酵的影响及其控制 一 pH值对发酵的影响 影响酶的活性 当pH值抑制菌体中某些酶的活性时 会阻碍菌体的新陈代谢 影响微生物细胞膜所带电荷的状态 改变细胞膜的通透性 影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄 影响培养基中某些组分的解离 进而微生物对这些成分的吸收 pH值不同 往往引起菌体代谢过程的不同 使代谢产物的质量和比例发生改变 二 发酵过程pH值的变化 在发酵过程中 随着菌种对培养基种碳 氮源的利用 随着有机酸和氨基酸的积累 会使pH值产生一定的变化 1 生长阶段 菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质 生成铵离子 使pH上升至碱性 随着菌体量增多 铵离子的消耗也增多 另外糖利用过程中有机酸的积累使pH值下降 2 生产阶段 这个阶段pH值趋于稳定 3 自溶阶段 随着养分的耗尽 菌体蛋白酶的活跃 培养液中氨基氮增加 致使pH又上升 此时菌体趋于自溶而代谢活动终止 pH值 培养时间 培养过程中培养液pH值的大致变化趋势 由此可见 在适合于菌生长及合成产物的环境条件下 菌体本身具有一定的调节pH的能力 但是当外界条件变化过于剧烈 菌体就失去了调节能力 培养液的pH就会波动 三 引起发酵液pH值异常波动的因素 pH值的变化决定于所用的菌种 培养基的成分和培养条件 1 pH下降 培养基中碳 氮比例不当 碳源过多 特别是葡萄糖过量 或者中间补糖过多加上溶氧不足 致使有机酸大量积累而pH下降 消泡剂加得过多 生理酸性物质的存在 铵被利用 pH下降 2 pH上升 培养基中碳 氮比例不当 氮源过多 氨基氮释放 使pH上升 生理碱性物质存在 中间补料氨水活尿素等碱性物质加入过多 四 发酵pH值的确定和控制 1 发酵pH值的确定 微生物发酵的最适pH值范围一般是在5 8之间 最适pH值是根据实验结果来确定的 将发酵培养基调节成不同的出发pH值 进行发酵 在发酵过程中 定时测定和调节pH值 以分别维持出发pH值 或者利用缓冲液来配制培养基来维持 到时观察菌体的生长情况 以菌体生长达到最高值的pH值为菌体生长的合适pH值 用同样的方法 可测得产物合成的合适pH值 同一产品的合适pH值 与所用的菌种 培养基组成和培养条件有关 在确定合适发酵pH值时 不定期要考虑培养温度的影响 若温度提供或降低 合适pH值也可能发生变动 2 pH值的控制 首先考虑和试验发酵培养基的基础配方 使它们有个适当的配比 使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内 在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制 补充生理酸性物质 如 NH4 2SO4 和生理碱性物质 如NaNO3 来控制 第四节溶解氧对发酵的影响及其控制 一 溶解氧对发酵的影响 在发酵过程中 影响耗氧的因素有以下几方面 1 培养基的成分和浓度 2 菌龄 3 发酵条件 二 溶解氧浓度的控制 在供氧方面 主要是设法提高氧传递的推动力和液相体积氧传递系数 调节搅拌转速或通气速率来控制供氧 控制补料速度来控制基质的浓度 从而达到最适的菌体浓度 保证产物的比生长速率维持在最大值 又不会使需氧大于供氧 采用调节温度 降低培养温度可提高溶氧浓度 液化培养基 中间补水 添加表面活性剂等工艺措施 来改善溶氧水平 第五节菌体浓度和基质对发酵的影响及其控制 一 菌体浓度对发酵的影响及控制 菌体 细胞 浓度 简称菌浓 是指单位体积培养液中菌体的含量 菌浓的大小 在一定条件下 不仅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 依靠调节培养基的浓度来控制菌浓 首先确定基础培养基配方中有个适当的配比 避免产生过浓 或过稀 的菌体量 然后通过中间补料来控制 如当菌体生长缓慢 菌浓太稀时 则可补加一部分磷酸盐 促进生长 提高菌浓 但补加过多 则会使菌体过分生长 超过临界浓度 对产物合成产生抑制作用 利用菌体代谢产生的CO2量来控制生产过程的补糖量 以控制菌体的生长和浓度 二 基质对发酵的影响及控制 基质即培养微生物的营养物质 1 碳源对发酵的影响及控制 迅速利用的碳源缓慢利用的碳源 葡萄糖 蔗糖等迅速参与代谢 合成菌体和产生能量 并产生分解产物 有利于菌体生长 但有的分解代谢产物对产物的合成可能产生阻遏作用 多数为聚合物 淀粉等为菌体缓慢利用 有利于延长代谢产物的合成 特别有利于延长抗生素的分泌期 也有许多微生物药物的发酵所采用 在工业上 发酵培养基中常采用含迅速和缓慢利用的混合碳源 2 氮源对发酵的影响及控制 迅速利用的氮源缓慢利用的氮源 氨基 或铵 态氮的氨基酸 或硫酸铵等 玉米浆容易被菌体利用 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 延长代谢产物的分泌期 提高产物的产量 但一次投入也容易促进菌体生长和养分过早耗尽 以致菌体过早衰老而自溶 缩短产物的分泌期 发酵培养基一般选用含有快速和慢速利用的混合氮源 还要在发酵过程中补加氮源来控制浓度 补加有机氮源 如酵母汁 玉米浆 尿素补加无机氮源 如氨水或硫酸铵 3 磷酸盐对发酵的影响及控制 磷是微生物菌体生长繁殖所必需的成分 也是合成代谢产物所必需的 微生物生长良好所允许的磷酸盐浓度为0 32 300mmol L 次级代谢产物合成良好所允许的最高平均浓度仅为1 0mmol L 磷酸盐浓度的控制 一般是在基础培养基中采用适当的浓度 第六节补料的控制 补料分批培养 fed batchculture 简称FBC 是指在分批培养过程中 间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法 是分批培养和连续培养之间的一种过渡培养方式 是一种控制发酵的好方法 现已广泛用于发酵工业 可以解除底物抑制 产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引起的影响 改善发酵流变学的性质 可用作控制细胞质量的手段 以提高发芽孢子的比例 可作为理论研究的手段 为自动控制和最优控制提供实验基础 一 补料分批培养 FBC 的优点 二 补料方式及控制 连续流加 不连续流加 多周期流加快速流加 恒速流加 指数速率流加 变速流加单组分流加 多组分流加 补料方式 流加操作控制系统 直接以限制性营养物浓度作为反馈参数 如控制氮源 碳源 C N比等 由于目前缺乏能直接测量重要参数的传感器 因此直接方法的使用受到了限制 第七节泡沫对发酵的影响及其控制 一 泡沫的形成及其对发酵的影响 在大多数微生物发酵过程中 通气 搅拌以及代谢气体的逸出 再加上培养基中糖 蛋白质 代谢物等表面活性剂的存在 培养液中就形成了泡沫 泡沫的多少与搅拌 通风 培养基性质有关 蛋白质原料如蛋白胨 玉米浆 黄豆粉 酵母粉等是主要的发泡剂 糊精含量多也引起泡沫的形成 当发酵感染杂菌和噬菌体时 泡沫异常多 少量泡沫的作用 一定数量的泡沫是正常现象 可以增加气液接触面积 导致氧传递速率增加 大量的泡沫引起许多负作用 发酵罐的装料系数减少 氧传递系统减小 增加了菌群的非均一性 造成大量逃液 增加染菌机会 严重时通气搅拌无法进行 菌体呼吸受到阻碍 导致代谢异常或菌体自溶 消泡剂的添加将给提取工序带来困难 二 泡沫的消除 调整培养基中的成分 如少加或缓加易起泡的原料 或改变某些物理化学参数 如pH值 温度 通气和搅拌 或者改变发酵工艺 如采用分次投料 来控制 以减少泡沫形成的机会 采用菌种选育的方法 筛选不产生流态泡沫的菌种 来消除起泡的内在因素 采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫 1 机械消泡 物理消泡方法 利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂 优点 节省原料 减少染菌机会 缺点 消泡效果不理想 仅可作为消泡的辅助方法 2 消泡剂消泡 A 消泡剂的作用 降低泡沫液膜的机械强度 降低液膜的表面黏度 兼有两者的作用 达到破裂泡沫的目的 B 作为生物工业理想的消泡剂 应具备下列条件 应该在气 液界面上具有足够大的铺展系数 才能迅速发挥消泡作用 这就要求消泡剂有一定的亲水性 应该在低浓度时具有消泡活性 应该具有持久的消泡或抑泡性能 以防止形成新的泡沫 应该对微生物 人类和动物无毒性 应该对产物的提取不产生影响 不会在使用 运输中引起任何危害 来源方便 成本低 应该对氧传递不产生影响 能耐高温灭菌 C 常用的消泡剂有4大类 天然油脂类脂肪酸和酯类聚醚类硅酮类以天然油脂类和聚醚类在生物发酵中最为常用 豆油 玉米油 棉籽油 菜籽油和猪油等 油不仅用作消泡剂 还可作为碳源和发酵控制的手段 在发酵中 要控制油的质量 新鲜程度 并要进行发酵试验检验 聚醚类消泡剂品种很多 它们是氧化丙稀或氧化丙稀和环氧乙烷与甘油聚合而成的聚合物 聚氧丙稀甘油 GP型 氧化丙稀和甘油聚合 亲水性差 在发泡介质中的溶解度小 所以用于稀薄发酵液中要比用于粘稠发酵液中的效果好 抑泡性能比消泡性能好 适宜用于基础培养基中 以抑制泡沫的产生 聚氧乙烯氧丙稀甘油 GPE型 泡敌 氧化丙稀 环氧乙烷与甘油聚合 亲水性好 在发泡介质中易铺展 消泡能力强 作用快 溶解度大 消泡活性维持时间短 用于粘稠发酵液的效果比用于稀薄的好 D 应用消泡剂时的增效方法 加载体增效 即用惰性载体 如矿物油 植物油等 使消泡剂溶解分散 达到增效的目的 消泡剂并用增效 取各种消泡剂的优点进行互补 达到增效 乳化消泡剂增效 用乳化剂 或分散剂 将消泡剂制成乳剂 以提高分散能力 增强消泡效力 一般只适用于亲水性差的消泡剂 GP和GPE1 1混合使用于土霉素发酵 结果比单独使用GP的效力提高2倍 用吐温 80制成的乳剂 用于庆大霉素发酵 效力提高1 2倍 在生产过程中 消泡的效果除了与消泡剂的种类 性质 分子量大小 消泡剂亲油亲