第五章 发酵控制510pptConvertor.docx
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第五章发酵控制510pptConvertor
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第五节菌体浓度与基质对发酵的影响
一、菌体浓度对发酵的影响
菌体浓度与菌体生长速率直接相关;
菌体浓度的大小影响产物的得率;
控制培养基中营养物质的含量来控制菌体浓度。
参见P.190
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二、基质对发酵的影响及控制
1、碳源对发酵的影响及控制
不同碳源对毛霉产蛋白酶的影响
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不同浓度麦芽糖对产酶的影响
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2、氮源的种类和浓度对发酵的影响及控制
不同氮源(有机氮)对毛霉产蛋白酶的影响
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不同氮源(无机氮)对毛霉产蛋白酶的影响
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3、磷酸盐对发酵的影响及控制
不同磷盐对毛霉产蛋白酶的影响
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一、CO2对菌体生长及发酵的影响
第六节CO2和呼吸熵
CO2是微生物在生长繁殖过程中产生的代谢产物,同时也是合成某些代谢产物的基质。
CO2可以作为微生物生长和发酵的指标。
发酵液中CO2浓度对微生物生长和合成代谢产物具有刺激或抑制作用。
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1.CO2影响菌体生长
例如:
环状芽孢杆菌等的发芽孢子在开始生长(并非孢子发芽)时就需要CO2,人们将此现象称为CO2效应。
当发酵液中CO2达到1.6×10-2mol时,酵母菌生长就受到严重抑制。
CO2是大肠杆菌和链孢霉变株的生长因子,有时需含30%的CO2气体,菌体才能生长。
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2.CO2影响菌体形态
用扫描电子显微镜观察CO2对产黄青霉生长形态的影响,发现菌丝形态随CO2含量不同而改变,当CO2含量在0~8%时,菌丝主要呈丝状;上升到15~22%时则呈膨胀、粗短的菌丝;CO2分压再提高到0.08x105Pa时,则出现球状或酵母状细胞,使青霉素合成受阻。
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3.CO2影响产物合成
例如:
牛链球菌发酵生产多糖,最重要的条件就是空气中要含有5%的CO2。
精氨酸发酵,也需要有一定的CO2,才能得到最大产量,CO2的最适分压约为0.12×105Pa,高于或低于此分压,产量都会降低。
当排气中CO2浓度高于4%时,菌体的糖代谢和呼吸速率都下降。
当发酵液中CO2达到一定浓度时,则对发酵产生不利的影响。
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例如:
青霉素生产,排气中CO2含量大于4%时,即使溶解氧在临界氧浓度以上,青霉素合成和菌体呼吸强度都受到抑制,在空气中的CO2分压达0.081×105Pa时,青霉素的比生产速率下降50%。
CO2对红霉素合成也产生明显抑制作用,从发酵起15h起,按进气量的11%开始导入CO2,红霉素产量减少60%,而对菌体生长并无影响。
CO2对发酵能产生抑制作用。
如对肌苷、异亮氨酸和组氨酸发酵,特别对抗生素发酵,影响尤为明显。
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4.CO2响影培养液的pH值
过多CO2的积累导致发酵液pH的明显降低。
CO2影响菌体细胞的机制?
参见P.194
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二、排气中CO2浓度与菌体量、pH值、排气氧的关系
1.检测菌体的生长
分析尾气中CO2的含量,可测定、计算菌体量。
对数期CO2释放率与菌体生长速率成正比。
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2.补料与排气CO2、pH值变化的关系
补糖会增加排气中的CO2浓度和降低培养液的pH。
因为补加的糖用于菌体生长、维持菌体代谢和产物合成三方面,它们都产生CO2,使CO2释放量增加;溶解的CO2和代谢产生的有机酸又使培养液pH下降。
因此,补糖、CO2浓度和pH三者之间具有相关性。
根据CO2释放率来控制补糖,也是一种较好的控制方法。
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3.呼吸熵与发酵的关系
发酵中的耗氧速率(OUR,亦称摄氧率)可通过热磁氧分析仪或质谱仪测量进气和排气中的氧含量计算而得。
参见P.195
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呼吸熵
呼吸熵(RQ值)随微生物菌种的不同、培养基成分的不同、生长阶段的不同而不同。
RQ值可以反映微生物代谢的状况,如酵母菌RQ=1,糖有氧代谢,仅生成菌体,无产物形成;RQ>1.1,糖经EMP生成乙醇。
P.195
另一方面RQ值也可以指导补料。
CER表示单位体积发酵液单位时间内释放的CO2的量。
P.194
“CRR”
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三、CO2浓度的控制
CO2在发酵液中的浓度受到许多因素的影响,如菌体的呼吸强度、发酵液流变学特性、通气搅拌程度和外界压力大小等因素。
设备规模大小也有影响。
为了控制CO2的影响,必须考虑在培养液中的溶解度、温度和通气情况。
1.根据CO2对发酵影响情况而控制其浓度
如果CO2对产物合成有抑制作用,则应设法降低其浓度;若有促进作用,则应提高其浓度。
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通气和搅拌速率的大小,不但能调节发酵液中的溶解氧,还能调CO2的溶解度,在发酵罐中不断通入空气,既可保持溶解氧在临界值以上,又可随废气排除所产生的CO2,使之低于能产生抑制作用的浓度。
降低和搅拌速率,有利于增加CO2在发酵液中的浓度,反之就减少CO2浓度。
CO2的产生还与补料工艺控制密切相关
如在青霉素发酵中,补糖会增加排气中的CO2浓度和降低培养液的pH。
所以,采用CO2释放率可作为控制补糖的参数。
通气搅拌是控制CO2浓度的一种方法
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第七节泡沫的影响及其控制
一、泡沫的性质
1、泡沫产生
通气搅拌;微生物代谢产生。
2、泡沫的性质
泡沫实际上是气溶胶构成的胶体系统,其分散相是空气和代谢气,连续相是发酵液,泡沫间隔着一层液膜而被彼此分开不相连通。
参见P.196~198
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3、泡沫带来的危害
①减少发酵的有效容积
②液体溢出,增加染菌机会
③降低菌体利用率
④影响通气搅拌
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二、发酵过程泡沫的影响
1、对通气和搅拌的影响
2、对培养基装料系数的影响
3、影响菌体、可能造成染菌等
三、化学消泡
优点:
来源广泛、消泡效果好,作用迅速可靠,用量少,容易实现自动控制
1、化学消泡机理
消泡剂表面张力低,使气泡膜局部的表面张力降低,使得平衡受到破坏。
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2、消泡剂选择的依据及常用的消泡剂种类
(1)选用依据:
①表面活性剂;
②对气-液界面的散布系数必须足够大;
③无毒害性,且不影响发酵菌体;
④不干扰各种测量仪表的使用;
⑤在水中的溶解度较小;
⑥来源方便,成本低。
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(2)消泡剂种类:
①天然油脂;
②高碳醇、脂肪酸和酯类;
③聚醚类;
④硅酮类。
3、消泡剂的应用和增效作用
①消泡剂+载体
②复合消泡剂
③消泡剂+乳化剂
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四、机械消泡
1、消泡机理
靠机械强烈振动、压力的变化,促使气泡破裂,或借机械力将排出气体中的液体加以分离回收。
2、优点
节省原料,减少由于消泡剂所引起的污染机会。
3、缺点
需要一定的设备和消耗一定的动力;
不能从根本上消除引起泡沫温定的因素。
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①动力小;
②结构简单;
③易清洁;
④运行可靠;
⑤维护费用低;
4、机械消泡装置的选择依据
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5、机械消泡方式简介
(1)罐内消泡
①耙式消泡浆的机械消泡
②气体吹入罐内吸引消泡
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(2)罐外消泡
①旋转叶片罐外消泡
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②喷雾消泡
③离心力消泡
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第八节发酵终点的判断
确定合适的微生物发酵终点,
对提高产物的生产能力和经济效益是很重要的。
发酵生产,原材料成本所占比例很大,因此,提高经济效益,就必须提高产率(即生产能力,Kg/m3·h)、得率(即转化率)和发酵系数[产物Kg/(罐容积m3·发酵周期h)]。
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确定一个合理的放罐时间,需要考虑下列几个因素:
1.考虑经济因素
考虑经济因素,就是要以能最大限度地降低成本和最大限度地取得高生产能力的发酵时间为最适发酵时间。
在生产速率较小的情况下,单位体积发酵液每小时产物的增长量很小,如果继续延长发酵时间,则平均生产能力下降;而动力消耗、管理费用支出、设备消耗等费用仍在增加,因而使发酵成本增加。
所以,要从经济学观点确定一个合理的放罐时间。
P.199
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如果发酵时间太短,会残留过多的尚未代谢的营养物质(如可溶性蛋白、脂肪等)残留在发酵液中,会增加提取工段的负担;发酵时间太长,菌体自溶,会释放出菌体蛋白(或酶),增加过滤工序的难度,这不仅使过滤时间延长,甚至使一些不稳定些的产物遭到破坏。
所有这些影响,都可能使产物的质量下降,产物中杂质含量增加,所以,要考虑发酵周期长短对产物提取工序的影响。
2.考虑对产品质量的影响
发酵时间长短对下游工序和产品质量有很大的影响。
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在特殊情况下,如染菌、代谢异常(如糖耗缓慢)等异常发酵时,就应根据不同情况进行适当处理。
为了能够得到尽可能多的产物,应该及时采取措施(如改变温度或补充营养等),并适当提前或拖后放罐时间。
合理的放罐时间由实验来确定,即根据不同发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产力和产品成本,采用生产力高而成本又低的发酵时间,作为放罐时间。
确定放罐的指标有:
产物的产量、过滤速度、氨基氮的含量、菌丝形态、pH值、发酵液的外观和粘度等。
3.特殊因素
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什么是染菌?
发酵过程中除生产菌以外的其它菌侵入了发酵系统并生长繁殖。
发酵过程污染杂菌,会严重影响生产,是发酵工业的致命伤。
第九节发酵生产染菌及其防治
一、染菌的影响
造成大量原材料的浪费,造成巨大的经济损失;
影响产品外观及内在质量;
扰乱生产秩序,破坏生产计划。
参见P.229~237
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1、发酵染菌对不同品种的影响
不同菌
不同产品
放线菌:
由于生长的最适pH为7左右,
因此染细菌为多,
而霉菌生长pH为5左右,
因此染酵母菌为多。
青霉素发酵染菌,
绝大多数杂菌都能直接产生青霉素酶,
而另一些杂菌则可被青霉素诱导而产生青霉素酶。
不论在发酵前期、中期或后期,
染有能产生青霉素酶的杂菌,
都能使青霉素迅速破坏。
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不同产品
链霉素、四环素、红霉素、卡那霉素等虽不象青霉素发酵染菌那样一无所得,但也会造成不同程度的危害。
如消耗营养干扰生产菌的正常代谢;改变pH,降低产量。
灰黄霉素、制霉菌素、克念菌素等抗生素抑制霉菌,对细菌几乎没有抑制和杀灭作用。
疫苗生产危害很大。
现在疫苗多采用深层培养,是一类不加提纯而直接使用的产品,一旦污染杂菌,不论死菌、活菌或内外毒素,都应全部废弃。
因此,发酵罐容积越大,污染杂菌后的损失也越大。
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2、污染不同种类和性质的微生物的影响
噬菌体的感染力很强,传播蔓延迅速,也较防治,故危害极大。
污染噬菌体后,可使发酵产量大幅度下降,严重的造成断种,被迫停产。
有些杂菌会使生产菌自溶、产生大量泡沫,即使添加消泡剂也无法控制逃液,影响发酵过程的通气搅拌。
有的杂菌会使发酵液发臭、发酸,致使pH下降,使不耐酸的产品破坏。
特别是染芽孢杆菌,由于芽孢耐热,不易杀死,往往一次染菌后会反复染菌。
(1)污染噬菌体
(2)污染其它杂菌
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3、不同时间染菌对发酵的影响
污染时间是指用无菌检测方法确定的污染时间,不是杂菌窜入培养液的时间。
杂菌进入培养液后,需有足够的生长、繁殖的时间才能显现出来,显现的时间又与污染菌量有关。
污染的菌量多,显现染菌所需的时间就短,污染菌量少,显现染菌的时间就长。
(1)种子培养期染菌
由于接种量较小,生产菌生长一开始不占优势
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