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发酵工艺的控制
点击次数:7722 发布日期:2009-3-30  来源:生物技术

     发酵过程中,为了能对生产过程进行必要的控制,需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。

     反映发酵过程变化的参数可以分为两类:一类是可以直接采用特定的传感器检测的参数。它们包括反映物理环境和化学环境变化的参数,如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解氧、基质浓度等,称为直接参数。另一类是至今尚难于用传感器来检测的参数,包括细胞生长速率、产物合成速率和呼吸嫡等。这些参数需要根据一些直接检测出来的参数,借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到。因此这类参数被称为间接参数。上述参数中,对发酵过程影响较大的有温度、pH、溶解氧浓度等。

1、温度


    温度对发酵过程的影响是多方面的,它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。除这些直接影响外,温度还对发酵液的理化性质产生影响,如发酵液的粘度、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,进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
   

     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,它随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。理论上,整个发酵过程中不应只选一个培养温度,而应根据发酵的不同阶段,选择不同的培养温度。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。但实际生产中,由于发酵液的体积很大,升降温度都比较困难,所以在整个发酵过程中,往往采用一个比较适合的培养温度,使得到的产物产量最高,或者在可能的条件下进行适当的调整。发酵温度可通过温度计或自动记录仪表进行检测,通过向发酵罐的夹套或蛇形管中通人冷水、热水或蒸汽进行调节。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,在这种情况下通常还需要加以冷却,利用自动控制或手动调整的阀门,将冷却水通人夹套或蛇形管中,通过热交换来降温,保持恒温发酵。

2、pH值


    pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面:
①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;
②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质的吸收及代谢产物的排泄;
③影响培养基中某些组分和中间代谢产物的离解,从而影响微生物对这些物质的利用;
④PH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。
    另外,pH值还会影响某些霉菌的形态。
    发酵过程中,pH值的变化取决于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。培养基中的营养物质的代谢,是引起pH值变化的重要原因,发酵液的pH值变化乃是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果。每一类微生物都有其最适的和能耐受的pH值范围,大多数细菌生长的最适pH值为6.3~7.5,霉菌和酵母菌为3~6,放线菌为7~8。而且微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH值往往不一样,需要根据实验结果来确定。

     为了确保发酵的顺利进行,必须使其各个阶段经常处于最适pH值范围之内,这就需要在发酵过程中不断地调节和控制pH值的变化。首先需要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。如果达不到要求,还可在发酵过程中补加酸或碱。过去是直接加人酸(如H2SO4)或碱(如 NaOH)来控制,现在常用的是以生理酸性物质(NH) 4SO4和生理碱性物质氨水来控制,它们不仅可以调节pH值,还可以补充氮源。当发酵液的pH值和氨氮含量都偏低时,补加氨水,就可达到调节pH和补充氨氮的目的;反之,pH值较高,氨氮含量又低时,就补加(NH) 4SO4。此外,用补料的方式来调节pH值也比较有效。这种方法,既可以达到稳定pH值的目的,又可以不断补充营养物质。最成功的例子就是青霉素发酵的补料工艺,利用控制葡萄糖的补加速率来控制pH值的变化,其青霉素产量比用恒定的加糖速率和加酸或碱来控制pH值的产量高25%。目前已试制成功适合于发酵过程监测pH值的电极,能连续测定并记录pH值的变化,将信号输人pH值控制器来指令加糖、加酸或加碱,使发酵液的pH值控制在预定的数值。

3、溶解氧浓度


    对于好氧发酵,溶解氧浓度是最重要的参数之一。微生物深层培养时,需要适量的溶解氧以维持其呼吸代谢和某些产物的合成,氧的不足会造成代谢异常,产量降低。微生物发酵的最适氧浓度与临界氧浓度是不同的。前者是指溶解氧浓度对生长或合成有一最适的浓度范围,后者一般指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度。为了避免生物合成处在氧限制的条件下,需要考察每一发酵过程的临界氧浓度和最适氧浓度,并使其保持在最适氧浓度范围。

     现在已可采用复膜氧电极来检测发酵液中的溶解氧浓度。要维持一定的溶氧水平,需从供氧和需氧两方面着手。在供氧方面,主要是设法提高氧传递的推动力和氧传递系数,可以通过调节搅拌转速或通气速率来控制。同时要有适当的工艺条件来控制需氧量,使菌体的生长和产物形成对氧的需求量不超过设备的供氧能力。已知发酵液的需氧量,受菌体浓度、基质的种类和浓度以及培养条件等因素的影响,其中以菌浓的影响最为明显。发酵液的摄氧率随菌浓增大而增大,但氧的传递速率随菌浓的对数关系减少。因此可以控制菌的比生长速率比临界值略高一点,达到最适菌体浓度。这样既能保证产物的比生产速率维持在最大值,又不会使需氧大于供氧。这可以通过控制基质的浓度来实现,如控制补糖速率。除控制补料速度外,在工业上,还可采用调节温度(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。 
   

     发酵过程中各参数的控制很重要,目前发酵工艺控制的方向是转向自动化控制,因而希望能开发出更多更有效的传感器用于过程参数的检测。此外,对于发酵终点的判断也同样重要。生产不能只单纯追求高生产力,而不顾及产品的成本,必须把二者结合起来。合理的放罐时间是由实验来确定的,就是根据不同的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。发酵终点的确定,需要综合考虑这些因素。


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