Co2對發(fā)酵的影響實用

會計學1Co2對發(fā)酵的影響實用第1頁/共55頁第2頁/共55頁CO2對細胞的作用機制：CO2——主要作用在細胞膜的脂肪酸核心部位

——影響磷脂的親水頭部帶電荷的表面及細胞膜表面上的蛋白質(zhì)

當細胞膜的脂質(zhì)相中CO2濃度達到一臨界值時，膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生變化。這將導致膜對許多基質(zhì)的運輸受阻，影響了細胞膜的運輸效率，使細胞處于“麻醉”狀態(tài)，生長受抑制，形態(tài)發(fā)生變化。第3頁/共55頁（2）呼吸商與發(fā)酵的關系呼吸商：RQ值可以反映菌體的代謝情況，例如酵母培養(yǎng)過程：

RQ=1糖代謝走有氧分解代謝途徑，僅供生長、無產(chǎn)物形成；

RQ>1.1走EMP途徑，生成乙醇；

RQ=0.93生成檸檬酸；

RQ<0.7生成的乙醇被當作基質(zhì)再利用。第4頁/共55頁★菌體在利用不同基質(zhì)時，其RQ值也不同；★在抗生素發(fā)酵中在生長、維持和產(chǎn)物形成階段的RQ值也不一樣。第5頁/共55頁（3）二氧化碳濃度的控制

發(fā)酵液中CO2濃度受到許多因素的影響，如細胞的呼吸強度、發(fā)酵液的流變學特性、通氣攪拌程度、罐壓大小和設備規(guī)模等。值得注意的是，罐內(nèi)的CO2分壓是液體深度的函數(shù)。CO2濃度的控制：根據(jù)其對發(fā)酵的促進或抑制作用，通過調(diào)節(jié)通氣量和攪拌速率，提高或降低其濃度。第6頁/共55頁6.2.8加糖、補料對發(fā)酵的影響及其控制第7頁/共55頁

分批發(fā)酵常因配方中的糖量過多造成細胞生長過旺，供氧不足。解決這個問題可在發(fā)酵過程中加糖和補料。補料的作用是及時供給菌合成產(chǎn)物的需要。通過補料控制可解除抑制：基質(zhì)過濃的抑制、產(chǎn)物的反饋抑制以及Ｇ分解代謝物的抑制。從而調(diào)節(jié)菌體的呼吸，以免培養(yǎng)過程受氧的限制。P185第8頁/共55頁補料的策略：一次性大量：操作簡便，但會造成發(fā)酵液瞬時大量稀釋，擾亂菌的生理代謝，難于將過程控制在最適合于生產(chǎn)的狀態(tài)；多次少量：麻煩些，但更合理；連續(xù)流加：快速、恒速、指數(shù)和變速流加。第9頁/共55頁流加操作控制系統(tǒng)又分為有反饋控制和無反饋控制兩類在反饋控制操作中：

非直接法：溶氧、ＰＨ、呼吸商、排氣中的CO2、代謝產(chǎn)物的濃度；

直接法：限制性營養(yǎng)物的濃度（氮源、碳源、碳氮比）（由于缺乏直接測量的傳感器，此法受限制）

第10頁/共55頁補料應注意的問題１、料液配比要適當２、加強無菌觀念３、經(jīng)濟核算，節(jié)約糧食４、培養(yǎng)基的碳、氮要平衡

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必須選擇恰當?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)對微生物代謝、菌體生長、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間的關系。采用最優(yōu)的補料程序也是依賴于比生長曲線、形態(tài)、產(chǎn)物形成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。第12頁/共55頁

優(yōu)化補料速度也是補料控制的一個重要環(huán)節(jié)。因為養(yǎng)分和前體需要維持適當?shù)臐舛?，而它們則以不同速被消耗，所以，補料速度要根據(jù)微生物對營養(yǎng)等的消耗速度及所設定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。第13頁/共55頁

補料的原則：就在于控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。補料的內(nèi)容和補料時機，都是根據(jù)菌的生長代謝、生物合成規(guī)律進行調(diào)節(jié)控制，但大多數(shù)都根據(jù)經(jīng)驗進行。經(jīng)驗表明，在最適補料條件下，能正確控制菌體量的增加和糖的消耗，獲得較好的效果。第14頁/共55頁6.3

泡沫對發(fā)酵的影響及控制第15頁/共55頁6.3.1發(fā)酵過程中泡沫的產(chǎn)生（1）由外界引進的氣流被機械地分散形成（2）由發(fā)酵過程產(chǎn)生的氣體聚結生成的發(fā)酵泡沫（3）發(fā)酵液中糖、蛋白質(zhì)和代謝物等的存在起到加強或穩(wěn)定泡沫的作用泡沫產(chǎn)生的原因第16頁/共55頁（1）通氣、攪拌的劇烈程度（2）培養(yǎng)基所用原材料性質(zhì)：蛋白質(zhì)原料如蛋白胨、玉米漿、花生餅粉、黃豆餅干粉、酵母粉和糖蜜等是主要的發(fā)泡物質(zhì)。培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)含量越多，發(fā)酵液的粘度也越大，越容易起泡，泡沫多而且持久穩(wěn)定。另外，培養(yǎng)基的滅菌方法、滅菌溫度和時間也會影響到培養(yǎng)基成分的變化，從而影響培養(yǎng)基的起泡能力。泡沫消長的影響因素：第17頁/共55頁6.3.2泡沫對發(fā)酵的危害（1）使發(fā)酵罐的裝填系數(shù)減少（2）造成大量逃液，導致產(chǎn)物損失（3）增加了染菌的機會（4）增加了菌群的非均一性（5）消泡劑的加入給提取工序帶來困難第18頁/共55頁6.3.3發(fā)酵過程中泡沫的控制★機械消沫★化學消沫（消沫劑消沫）第19頁/共55頁（1）機械消沫原理：利用物理作用，靠機械的強烈振動或壓力的變化促使泡沫破碎。優(yōu)點：節(jié)省原材料，不會增加下游工段的負擔，減少染雜菌。缺點：效率不高（作為消沫的輔助方法），不能從根本上消除泡沫成因。第20頁/共55頁例如：耙式消泡槳裝在發(fā)酵罐的攪拌軸上，槳上的齒面略高于液面，靠軸的旋轉(zhuǎn)帶動來打碎泡沫，起到消泡的作用。罐內(nèi)機械消沫第21頁/共55頁罐內(nèi)機械消沫第22頁/共55頁

通過噴頭將含氣泡的培養(yǎng)液噴向轉(zhuǎn)向板，使其破裂，然后再流回發(fā)酵罐。罐外機械消沫第23頁/共55頁（2）化學消沫★化學消沫的機理：化學消沫劑是表面活性劑。一般好的消沫劑應同時具備降低液膜的機械強度和表面粘度這兩種性能?！锍Ｓ玫南瓌ㄈ芙舛容^小、分散性較差的高分子化合物）：a)天然油脂類：玉米油、豆油、菜油及豬油等b)高級醇類：十八醇、聚二醇等c)聚醚類：聚氧丙烯甘油(GP)、聚氧乙烯氧丙烯甘油（“泡敵”）(GPE)等P187d)硅酮類：聚二甲基硅氧烷及其衍生物e)氟化烷烴第24頁/共55頁

消泡劑多數(shù)是溶解度小、分散性不十分好的高分子化合物，所以在使用時，要考慮如何降低它的黏度和提高它的分散性，來增強它們的消泡效果。使用的增效方法有:a)機械分散、或借助分散劑

b)與載體一起使用

c)多種消沫劑并用

d)利用乳化劑增強消沫劑的消沫作用（2）化學消沫第25頁/共55頁6.4發(fā)酵染菌的防治及處理第26頁/共55頁

染菌是發(fā)酵生產(chǎn)中的一個致命弱點，輕者影響了生產(chǎn)產(chǎn)品的收率和產(chǎn)品質(zhì)量，重者會導致“倒罐”，造成嚴重的經(jīng)濟損失。目前：提高生產(chǎn)技術水平，盡可能防止發(fā)酵染菌的發(fā)生，而且一旦發(fā)生染菌，要能盡快找出其污染的原因，并采取相應的有效措施，把發(fā)酵染菌造成的損失降低到最小。第27頁/共55頁6.4.1染菌的途徑分析●種子包括進罐前菌種室階段出問題●培養(yǎng)基的配制和滅菌不徹底●設備上特別是空氣除菌不徹底和過程控制操作上的疏漏★連續(xù)攪拌★供給無菌空氣、排放多余空氣★多次添加消沫劑、補充培養(yǎng)基★定時取樣分析第28頁/共55頁6.4.2染菌的判斷和防治◆鏡檢◆無菌試驗◆一些狀態(tài)參數(shù)，如溶氧變化、排氣中的CO2含量等◆異常現(xiàn)象，如菌體生長不良、耗糖慢、pH值異常變化、發(fā)酵過程中泡沫的異常增多、發(fā)酵液的顏色異常變化、代謝產(chǎn)物含量的異常下跌、發(fā)酵周期的異常延長、發(fā)酵液的粘度異常增加等第29頁/共55頁▲造成發(fā)酵染菌的原因有很多，且常因工廠不同而有所不同，但設備滲漏、空氣中有雜菌、種子帶菌、滅菌不徹底和技術管理不善等是造成各廠污染雜菌的普遍原因?！话?，從染菌的種類可大致判斷其來源P208

從發(fā)酵染菌的規(guī)模分析不同染菌時間分析▲對抗生素發(fā)酵染菌：前期——原則上可適當改變生長參數(shù)，使有利于生產(chǎn)菌而不利于雜菌的生長，或加入某些抑制雜菌的化合物。中后期——除非是噬菌體通常后果不會那么嚴重。第30頁/共55頁6.4.3染菌的挽救或處理（1）種子培養(yǎng)期染菌的處理

種子受到雜菌污染后，應經(jīng)滅菌后棄之，并對種子罐、管道等進行仔細檢查和徹底滅菌。同時采用備用種子。（2）發(fā)酵前期染菌的處理

如培養(yǎng)基中的碳、氮源含量還比較高時，終止發(fā)酵，將培養(yǎng)基重新進行滅菌處理后再用；否則，補充新鮮培養(yǎng)基，再進行滅菌處理。也可采取降溫培養(yǎng)、調(diào)節(jié)pH值、調(diào)整補料量、補加培養(yǎng)基等措施。第31頁/共55頁（3）發(fā)酵中、后期染菌的處理加入適當?shù)臍⒕鷦┗蚩股?，以抑制雜菌的生長，也可采取降低培養(yǎng)溫度、降低通風量、停止攪拌、少量補糖等其他措施。若產(chǎn)物含量已達一定值，也可放罐。廢液應加熱滅菌后才能排放。（4）染菌后對設備的處理

徹底清洗發(fā)酵罐，并加熱滅菌后才能使用。也可用甲醛熏蒸或甲醛溶液浸泡12h以上等方法進行處理。6.4.3染菌的挽救或處理第32頁/共55頁6.4.4噬菌體污染及其防治

利用細菌或放線菌進行的發(fā)酵容易受噬菌體的污染，由于噬菌體的感染力非常強，傳播蔓延迅速，且較難防治，對發(fā)酵生產(chǎn)有很大的威脅。噬菌體是一種感染細菌或放線菌的病毒。第33頁/共55頁噬菌體有兩類：烈性噬菌體：感染宿主細胞后，立即引起細胞裂解溫和性噬菌體：感染細胞后，并不馬上引起細胞裂解，而是以“原噬菌體”方式整合在宿主的DNA中，隨寄主繁殖而延續(xù)傳代。帶有原噬菌體的菌株稱為溶原性菌株。第34頁/共55頁原噬菌體不同于營養(yǎng)期的噬菌體，它沒有感染性，對宿主一般無不良影響，但是：☆溶原性菌株具有產(chǎn)生噬菌體的潛在能力：溶原性菌株培養(yǎng)時，少數(shù)會自發(fā)脫離染色體，導致細菌裂解。而在某些物理化學因素（UV，X射線，氮芥等）刺激下，原噬菌體會脫離染色體，開始復制，從而導致溶原性菌株裂解，產(chǎn)生大量的噬菌體?！顚ν活愋褪删w具有免疫性：溶原性菌株對其本身產(chǎn)生的噬菌體或外來的同源噬菌體不敏感，這些噬菌體雖然可以進入溶原性菌株，但不能增殖，也不能導致溶原性菌株裂解。第35頁/共55頁

噬菌體的污染途徑:

可以通過環(huán)境污染、設備的滲漏或”死角”、空氣系統(tǒng)、培養(yǎng)基滅菌不徹底、補料過程及操作失誤、菌種帶進噬菌體或本身是病原性菌株等途徑使發(fā)酵染菌。第36頁/共55頁第37頁/共55頁噬菌體的危害：可引起發(fā)酵中噬菌體污染的實例：

丙酮、丁醇發(fā)酵中的噬菌體污染抗生素發(fā)酵中的噬菌體污染

谷氨酸發(fā)酵的噬菌體污染第38頁/共55頁發(fā)酵前期污染噬菌體后的異常現(xiàn)象：（1）光密度開始上升后下降、不升或回降，甚至下降到零小時以下。（2）pH值逐漸上升，升到8.0以上，不再下降，排氣C02一反常態(tài)，CO2迅速下降，相繼出現(xiàn)OD值下跌，PH上升、耗糖慢等異常現(xiàn)象。（3）耗糖緩慢或停止，發(fā)酵緩慢，周期長，提取困難。（4）產(chǎn)生大量泡沫；發(fā)酵液粘度大，甚至呈現(xiàn)粘膠狀，可拔絲，發(fā)酵液發(fā)紅、發(fā)灰；有刺激氣味。

第39頁/共55頁（5）谷氨酸產(chǎn)量甚少，或增長極為緩慢，或不產(chǎn)酸；也會出現(xiàn)產(chǎn)酸反而偏高或一段時間內(nèi)忽好忽壞。（6）鏡檢時可發(fā)現(xiàn)菌體數(shù)量顯著減少，菌體不規(guī)則，缺乏八字排列，發(fā)圓；細胞核染色，部分細胞核消失；革蘭氏染色后，呈現(xiàn)紅色碎片，完整菌體很少。（7）平板檢查有噬菌斑，搖瓶檢查發(fā)酵液清稀。第40頁/共55頁噬菌體的防治：1）嚴格控制活菌體排放，切斷噬菌體的“糧源”。

2）注意環(huán)境衛(wèi)生，消滅噬菌體與雜菌。3）選育抗性生產(chǎn)菌株。4）生產(chǎn)中輪換使用菌種。5）藥物防治例如用金霉素、四環(huán)素等。第41頁/共55頁6.5發(fā)酵終點的判斷第42頁/共55頁

要確定一個合理的放罐時間，需要考慮下列幾個因素一.經(jīng)濟因素

二.產(chǎn)品質(zhì)量因素

三.特殊因素

第43頁/共55頁產(chǎn)率、得率、發(fā)酵系數(shù)、高的產(chǎn)物濃度◆如要提高總產(chǎn)率，則必須縮短發(fā)酵周期。即在產(chǎn)率降低時放罐。◆放罐時間對下游工序有很大的影響。放罐過早，會殘留過多養(yǎng)分，增加提取工段的負擔；如放罐過晚，菌絲自溶，不僅會延長過濾時間，還可能使一些不穩(wěn)定的產(chǎn)物濃度下跌，擾亂提取工段?！襞R近放罐時加糖、補料或消沫劑要慎重。發(fā)酵類型不同，要求達到的目標也不同，因而對發(fā)酵終點的判斷標準也應有所不同。第44頁/共55頁判斷放罐的指標主要有：產(chǎn)物濃度、過濾速度、菌絲形態(tài)、氨基氮、pH、DO、發(fā)酵液的粘度和外觀等絕大多數(shù)抗生素發(fā)酵掌握在菌絲自溶前，極少數(shù)品種在菌絲部分自溶后放罐，以便胞內(nèi)抗生素釋放出來。第45頁/共55頁6.6發(fā)酵過程參數(shù)監(jiān)測的研究概況第46頁/共55頁

發(fā)酵過程參數(shù)檢測的研究概況

微生物發(fā)酵的生產(chǎn)水平不僅取決于生產(chǎn)菌種本身的性能，而且要賦以合適的環(huán)境條件，才能使它的生產(chǎn)能力充分表達出來。為此，必須通過各種研究方法了解生產(chǎn)菌種對環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)基、溫度、pH、溶氧等，并深入了解生產(chǎn)菌在合成產(chǎn)物過程中的代謝調(diào)控機制以及可能的代謝途徑，為設計合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎。第47頁/共55頁

同時，為了掌握菌種在發(fā)酵過程的代謝變化規(guī)律，可以通過檢測手段，給予有效的控制，使生產(chǎn)菌處于產(chǎn)物合成的優(yōu)化環(huán)境中。由于發(fā)酵受許多因素的影響和工藝條件制約。因此，發(fā)酵過程中，為了能對生產(chǎn)過程進行必要的控制，需要對有關工藝參數(shù)進行定期取樣測定或進行連續(xù)測量，參數(shù)如下：第48頁/共55頁

第49頁/共55頁第50頁/共55頁★常規(guī)在線測量和控制發(fā)酵過程的設定參數(shù)：罐溫、罐壓、通氣量、攪拌轉(zhuǎn)速等★狀態(tài)參數(shù)的測量

現(xiàn)有的監(jiān)測狀態(tài)參數(shù)的傳感器必須耐高