生物制药发酵过程控制.ppt

1、,发酵工艺过程的检测与控制,发酵罐的结构,发酵过程的主要控制参数与检测,一：杂菌检测与污染控制 染菌的危害： 1）分解产物 2）污染产品 3）抑制生产菌的生长和代谢的产生 4）影响产物的提取率,污染杂菌的途径和染菌的判断,一、染菌的途径 原料方面 种子方面 无菌空气 设备方面,杂菌的检查方法,1.显微镜检查：染色 镜检 多在染菌程度较深时，用于判断杂菌的种类，靠显微镜无法发现染菌初期的杂菌。 2.平板划线检查或斜面培养检查： 倒平板 空培养 待测样品划线 培养观察 3.通过发酵的生理生化指标检查,在实际生产中可以根据以下参数的异常变化来判断是否染菌。结合计算机控制，建模后，可以及早发现与预测是

2、否染菌。 降糖速度 产酸速度， pH值 溶解氧 光密度 排气中CO2含量 产物含量 O2的消耗,原因：一方面，蒸汽压力不足、灭菌时间不够；另一方面，设备制作或安装不当，蒸汽不能到达，造成灭菌死角。 措施： 对于液体原料：采用连消方式 对颗粒状淀粉质原料或者小发酵罐，采用实消为好。而且升温时需搅拌。,原料染菌的防治,泡沫问题,培养基中含有较多量的黄豆饼粉、花生粉或蛋白胨等成分时，在灭菌时这种培养基就容易产生泡沫。泡沫严重时会上升到罐顶甚至逃液，此时操作就比较困难。实践证明：灭菌时泡沫严重的，就不易灭透。所以在发生泡沫时应加以清除(加消泡剂和在操作上予以控制)。,种子带菌的原因及防止,带菌的原因

3、无菌室的无菌条件不符合要求 培养基灭菌不彻底 操作不当 种子带杂菌是发酵前期染菌的原因之一。在每次接种后应留取少量的种子悬浮液进行平板、肉汤培养，检查种子中是否带杂菌。,对种子培养基染菌的处理,一般均应灭菌后坚决弃去，并对接触过的设备，管道全部灭菌，加长灭菌时间等。,空气带菌及其控制,空气过滤器效能下降：过滤介质松动、老化、吸潮 肉汤平板检测无菌空气质量 通过定期检查管件，更换过滤介质和加强检修,发酵设备、管件的渗漏、死角,对于设备的灭菌主要是为了避免“死角”和渗漏。 常见的“死角” A、法兰连接的死角 发酵工厂的管路要保持光滑、通畅、密封性好，以避免和减少管道染菌的机会。,B、 罐底与环式空

4、气分布管所形成的死角,C、不锈钢衬里的死角,操作时要注意避免罐内发生真空现象。采用复合钢板(将两种不同材质的钢板轧合为一体的钢板)制造发酵罐，因为两层钢板紧密结合在一起，中间没有空隙，所以不会产生上述问题，是一种理想的材料。,D、接种管路的死角 E、排气管的死角,菌龄、接种量与菌浓的控制,种子培养期应取菌种的对数生长期为宜，菌种过嫩或过老，不但延长发酵周期，而且会降低产量。 接种量的大小直接影响发酵周期。,温度对发酵过程的影响及控制,任何微生物的生长都需要有最适的生长温度，在此温度范围内微生物生长繁殖最快。 如果所培养的微生物能承受稍高一些的温度进行生长和繁殖，这对生产有很大的好处，即可减少污

5、染杂菌的机会，也可以减少夏季培养所需降温的辅助设备，因此培养耐高温的菌种有一定的生产现实意义。,发酵过程温度的控制,最适发酵温度的选择变温发酵 在生产上，为了使发酵温度控制在一定的范围，常在发酵设备上装有热交换设备，例如采用夹套、排管或蛇管进行调温，冬季发酵时空气还需要进行加热。,发酵过程pH的调控,微生物的生长繁殖或产物的合成往往需要一定的pH环境，在最适pH值下有利于加快各种酶的反应。因此在整个发酵过程中应使培养基的pH适合于微生物生长或产物合成所需。,pH值的控制方法,1. 在配制培养基时考虑所用营养物质的组成成分，使其pH值适合该微生物生长或合成代谢产物的需要。 2. 在发酵过程中根据

6、pH值的变化可用流加氨水的方法来解决。同时又把氨水作为氮源来供给。,3. 控制pH最常用的方法是在培养基中添加具有一定缓冲能力的物质作为营养物，如以磷酸盐作为磷的成分；避免使用容易产生生理酸性或碱性物质，如生理酸性铵盐作为氮源，由于NH4+被利用后剩余大量酸根，引起发酵液的pH值下降。,4、以尿素作为氮源进行流加控制pH值，是目前国内味精厂普遍采用的方法。当流加尿素后，尿素被微生物的脲酶分解放出氨，使pH上升，氨被微生物利用和形成代谢产物后，使pH下降，再次反复流加就可维持一定的pH值。 5、提高通气量，加速脂肪酸代谢也可以补偿pH值变化。,发酵过程中溶解氧的控制,由于依赖获得能量的代谢方面的

7、差异，微生物对氧的需要也存在不同。好气菌主要是有氧呼吸，厌气菌为厌气发酵，兼性厌气菌则两者兼而有之。 不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对溶解氧的要求也不相同。,溶解氧的控制,（1）增加氧推动力： 改变通气速率，加大通气流量 通入纯氧 提高罐压,（2）控制搅拌 搅拌能使氧气更好地与培养液混合，保证氧的最大限度溶解; 搅拌有利于热交换，使培养液的温度一致; 还有利于营养物质和代谢物的分散; 此外，挡板则有助于搅拌，使其效果更好。,一般来说，若发酵罐深，搅拌转速大，通气管开孔小，气泡在培养液内停留时间就长，氧的溶解速度就大，而且在这些因素确定的情况下，培养基的粘度越小，氧的溶解速度也越大。 搅拌

8、可以提高通气效果，但是过度地剧烈搅拌会导致培养液大量涌泡，容易增加杂菌污染的机会，微生物细胞也不宜剧烈搅拌。,（3）增加传氧中间介质 如烃类石蜡、甲苯基含氟碳化物 近年来，有将细菌的血红蛋白基因转入微生物中，及时增加了菌体内对低浓度氧的利用 （4）控制菌体浓度 如菌体浓度过高，超出设备的供氧能力，可降低发酵温度，抑制微生物的呼吸和生长，减少对氧的需求,（5）流加培养基 某些菌种培养过程中，如需控制溶解氧上升，可适当补充培养基，使菌体生长代谢，加大氧消耗。,CO2的影响及其控制,CO2能刺激和抑制菌体生长，是大肠杆菌某些突变株的生长因子。 高浓度的CO2会使菌体细胞变形，CO2浓度从8%提高到1

9、5%-22%，产黄青霉菌丝由丝状变成膨大的短粗状，CO2浓度进一步提高时，菌丝变成球状，青霉素合成受阻。 高浓度CO2抑制菌体的糖代谢和呼吸速率 CO2对次级代谢产物的合成可能具有调控作用,影响培养基的pH值 与金属离子如钙、镁等反应生成盐沉淀 尾气分析-呼吸熵（Respiratory quotient, RQ） 正常情况下，呼吸熵为1 低通气量和搅拌速率能增加CO2溶解度 CO2溶解度随罐压增加而加大,发酵过程泡沫的影响及控制,发酵过程对泡沫的控制,机械法：靠机械强烈振动和压力的变化，促使气泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以分离回收，达到消泡作用。 优点：不需在发酵液中加入其它物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后继分离工艺的影响。 缺点：效果不如化学消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起稳定泡沫的因素，同时它还需要设备和消耗动力。,化学法：发酵工业常用的消泡剂，有各种天然的动植物油及来自石油化工生产的矿物油、改性油、表面活性剂等。而新型的有机硅聚合物如硅油、硅树脂等，具有效率高、用量省、无毒性、无代谢性是一类有发展前途的消泡剂。 泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分也是相辅相成的一个重要方面。,化学消泡剂