co2對發酵的影響

《co2對發酵的影響》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《co2對發酵的影響（56頁珍藏版）》請在技術文庫上搜索。

1、6.2.7 二氧化碳對發酵的影響 及其控制 （1） 二氧化碳對發酵的影響 CO2是微生物的代謝產物，同時也是某些合成代謝 的一種基質，它是細胞代謝的重要指標。 CO2的抑制作用 影響菌體生長、形態及產物合成 高濃度的CO2會影響產黃青霉的菌絲形態。 大多數微生物適應低CO2濃度（0.020.04%體積分數 ）。當尾氣CO2濃度高于4%時微生物的糖代謝與呼吸速 率下降。 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 當細胞膜的脂質相中CO2濃度達到一臨界 值時，膜的流動性及表面電荷密度發生變化。 這將導致膜對許多基質的

2、運輸受阻，影響了細 胞膜的運輸效率，使細胞處于“麻醉”狀態，生 長受抑制，形態發生變化。 （2） 呼吸商與發酵的關系 呼吸商： RQ值可以反映菌體的代謝情況，例如酵母培養過程： RQ=1 糖代謝走有氧分解代謝途徑，僅供生長、無產物形成 ； RQ1.1 走EMP途徑，生成乙醇； RQ=0.93 生成檸檬酸； RQ0.7 生成的乙醇被當作基質再利用。 菌體在利用不同基質時，其RQ值也不 同； 在抗生素發酵中在生長、維持和產物 形成階段的RQ值也不一樣。 （3） 二氧化碳濃度的控制 發酵液中CO2濃度受到許多因素的影響， 如細胞的呼吸強度、發酵液的流變學特性、 通氣攪拌程度、罐壓大小和設備規模等。值

3、 得注意的是，罐內的CO2分壓是液體深度的函 數。 CO2濃度的控制：根據其對發酵的促進或 抑制作用，通過調節通氣量和攪拌速率，提 高或降低其濃度。 6.2.8 加糖、補料對發酵的影響 及其控制 分批發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酵過程 中加糖和補料。補料的作用是及時供給菌合成產 物的需要。通過補料控制可解除抑制：基質過濃 的抑制、產物的反饋抑制以及分解代謝物的抑 制。從而調節菌體的呼吸，以免培養過程受氧的 限制。P185 補料的策略： 一次性大量：操作簡便，但會造成發酵液瞬時大 量稀釋，擾亂菌的生理代謝，難于將過程控制在最 適合于生產的狀態； 多次少

4、量：麻煩些，但更合理； 連續流加：快速、恒速、指數和變速流加。 流加操作控制系統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、呼吸商、排氣 中的CO2、代謝產物的濃度； 直接法：限制性營養物的濃度（氮源、碳 源、碳氮比） （由于缺乏直接測量的傳感器，此法受限制） 補料應注意的問題 、料液配比要適當 、加強無菌觀念 、經濟核算，節約糧食 、培養基的碳、氮要平衡 必須選擇恰當的反饋控制參數，以及了解這 些參數對微生物代謝、菌體生長、基質利用以及 產物形成之間的關系。 采用最優的補料程序也是依賴于比生長曲線 、形態、產物形成速率及發酵的初始條件等情況 。 優化補料速度也是補料

5、控制的一個重要環節。 因為養分和前體需要維持適當的濃度，而它們則以 不同速被消耗，所以，補料速度要根據微生物對營 養等的消耗速度及所設定的培養液中最低維持濃度 而定。 補料的原則：就在于控制微生物的中間代謝 ，使之向著有利于產物積累的方向發展。 補料的內容和補料時機，都是根據菌的生長代 謝、生物合成規律進行調節控制，但大多數都根據 經驗進行。 經驗表明，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。 6.3 泡沫對發酵的影響及控制 6.3.1 發酵過程中泡沫的產生 （1）由外界引進的氣流被機械地分散形成 （2）由發酵過程產生的氣體聚結生成的發酵泡沫 （3）發酵液中糖、蛋

6、白質和代謝物等的存在起到 加強或穩定泡沫的作用 泡沫產生的原因 （1）通氣、攪拌的劇烈程度 （2）培養基所用原材料性質： 蛋白質原料如蛋白胨、玉米漿、花生 餅粉、黃豆餅干粉、酵母粉和糖蜜等 是主要的發泡物質。培養基中蛋白質 含量越多，發酵液的粘度也越大，越 容易起泡，泡沫多而且持久穩定。 另外 ，培養基的滅菌方法、滅菌溫度 和時間也會影響到培養基成分的變化 ，從而影響培養基的起泡能力。 泡沫消長的影響因素： 6.3.2 泡沫對發酵的危害 （1）使發酵罐的裝填系數減少 （2）造成大量逃液，導致產物損失 （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 6.

7、3.3 發酵過程中泡沫的控制 機械消沫 化學消沫（消沫劑消沫） （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。 優點：節省原材料，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。 例如：耙式消泡槳裝在發酵罐的攪拌軸上，槳上的齒面 略高于液面，靠軸的旋轉帶動來打碎泡沫，起到消泡的 作用。 罐內機械消沫 罐內機械消沫 通過噴頭將含氣泡的 培養液噴向轉向板， 使其破裂，然后再流 回發酵罐。 罐外機械消沫 （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

8、面粘度這兩種性能。 常用的消沫劑（溶解度較小、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P187 d)硅酮類：聚二甲基硅氧烷及其衍生物 e)氟化烷烴 消泡劑多數是溶解度小、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 6.4 發酵染菌的防治及

9、處理 染菌是發酵生產中的一個致命弱點，輕者 影響了生產產品的收率和產品質量，重者會導 致“倒罐”，造成嚴重的經濟損失。 目前：提高生產技術水平，盡可能防止發酵染菌的 發生，而且一旦發生染菌，要能盡快找出其污染的 原因，并采取相應的有效措施，把發酵染菌造成的 損失降低到最小。 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、補充培養基 定時取樣分析 6.4.2 染菌的判斷和防治 鏡檢 無菌試驗 一些狀態參數，如溶氧變化、排氣中的CO2含 量等 異?，F象，

10、如菌體生長不良、耗糖慢、pH值 異常變化、發酵過程中泡沫的異常增多、發酵液的 顏色異常變化、代謝產物含量的異常下跌、發酵周 期的異常延長、發酵液的粘度異常增加等 造成發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。 一般，從染菌的種類可大致判斷其來源P208 從發酵染菌的規模分析 不同染菌時間分析 對抗生素發酵染菌： 前期原則上可適當改變生長參數，使有利于 生產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 。 6.4.3 染菌的挽救或處理 （1）種子

11、培養期染菌的處理 種子受到雜菌污染后，應經滅菌后棄之，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）發酵前期染菌的處理 如培養基中的碳、氮源含量還比較高時，終止發酵，將培 養基重新進行滅菌處理后再用；否則，補充新鮮培養基，再進行 滅菌處理。 也可采取降溫培養、調節pH值、調整補料量、補加培養基 等措施。 （3）發酵中、后期染菌的處理 加入適當的殺菌劑或抗生素，以抑制雜菌的生長，也可采取 降低培養溫度、降低通風量、停止攪拌、少量補糖等其他措施。 若產物含量已達一定值，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 徹底清洗發酵罐，并加熱滅菌后才能使用。

12、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 6.4.4 噬菌體污染及其防治 利用細菌或放線菌進行的發酵容易受噬菌 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，對發酵生產有很大的威脅 。噬菌體是一種感染細菌或放線菌的病毒。 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 寄主繁殖而延續傳代。 帶有原噬菌體的菌株稱為溶原性菌株。 原噬菌體不同于營養期的噬菌體，它沒有感染性，對 宿主一般無不良影響，但是： 溶原性菌株具有產生噬菌

13、體的潛在能力：溶原性菌株 培養時，少數會自發脫離染色體，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，產生大量的噬菌體。 對同一類型噬菌體具有免疫性：溶原性菌株對其本身 產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。 噬菌體的污染途徑: 可以通過環境污染、設備的滲漏或”死角” 、空 氣系統、培養基滅菌不徹底、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酵染 菌。 噬菌體的危害： 可引起發酵中噬菌體污染的實例： 丙酮、丁醇發酵中

14、的噬菌體污染 抗生素發酵中的噬菌體污染 谷氨酸發酵的噬菌體污染 發酵前期污染噬菌體后的異?，F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，CO2迅速下降，相繼出現OD值下跌，PH上升 、耗糖慢等異?，F象。 （3）耗糖緩慢或停止，發酵緩慢，周期長，提取困難 。 （4）產生大量泡沫；發酵液粘度大，甚至呈現粘膠狀 ，可拔絲，發酵液發紅、發灰；有刺激氣味。 （5）谷氨酸產量甚少，或增長極為緩慢，或不產酸；也 會出現產酸反而偏高或一段時間內忽好忽壞。 （6）鏡檢時可發現菌體數量顯著減少，菌體不規則，缺 乏八字

15、排列，發圓；細胞核染色，部分細胞核消失； 革蘭氏染色后，呈現紅色碎片，完整菌體很少。 （7）平板檢查有噬菌斑，搖瓶檢查發酵液清稀。 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）注意環境衛生，消滅噬菌體與雜菌。 3）選育抗性生產菌株。 4）生產中輪換使用菌種。 5）藥物防治例如用金霉素、四環素等。 6.5 發酵終點的判斷 要確定一個合理的放罐時間，需要考慮下列幾個 因素 一.經濟因素 二.產品質量因素 三.特殊因素 產率、得率、發酵系數、高的產物濃度 如要提高總產率，則必須縮短發酵周期。即在產率 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 殘留過多養分，增

16、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 定的產物濃度下跌，擾亂提取工段。 臨近放罐時加糖、補料或消沫劑要慎重。 發酵類型不同，要求達到的目標也不同，因而對 發酵終點的判斷標準也應有所不同。 判斷放罐的指標主要有： 產物濃度、過濾速度、菌絲形態、氨基氮、 pH、DO、發酵液的粘度和外觀等 絕大多數抗生素發酵掌握在菌絲自溶前，極 少數品種在菌絲部分自溶后放罐，以便胞內抗生 素釋放出來。 6.6 發酵過程參數監測的研究概況 發酵過程參數檢測的研究概況 微生物發酵的生產水平不僅取決于生產菌種本身的 性能，而且要賦以合適的環境條件，才能使它的生產能 力充分表達出來

17、。為此，必須通過各種研究方法了解生 產菌種對環境條件的要求，如培養基、溫度、pH、溶氧 等，并深入了解生產菌在合成產物過程中的代謝調控機 制以及可能的代謝途徑，為設計合理的生產工藝提供理 論基礎。 同時，為了掌握菌種在發酵過程的代謝變化規律， 可以通過檢測手段，給予有效的控制，使生產菌處于產 物合成的優化環境中。 由于發酵受許多因素的影響和工藝條件制約。 因此，發酵過程中，為了能對生產過程進行必要的控 制，需要對有關工藝參數進行定期取樣測定或進行連續 測量，參數如下： 常規在線測量和控制發酵過程的設定參數： 罐溫、罐壓、通氣量、攪拌轉速等 狀態參數的測量 現有的監測狀態參數的傳感器必須耐高溫蒸

18、汽反復滅 菌，而且探頭表面易被微生物堵塞，從而導致測量失敗。 特別是pH和溶氧電極有時還會出現失效和顯著漂移的問題 ，為了克服漂移和潛在的探頭失效問題，發明了探頭可伸 縮的適合于大規模生產的裝置。這樣，探頭可以隨時拉出 ，重新校正和滅菌，然后再推進去而不會影響發酵罐的無 菌狀況。 尾氣分析：紅外和順磁氧分析儀可分別測定尾氣CO2和O2 含量，也可用質譜儀測定。 離線分析 對于培養基成分和代謝產物，沒有可就地監測的傳感 器，這是由于開發可滅菌的探頭或建立一種能無菌取 樣系統有一定困難。 所以，發酵液中的基質（糖、脂質、鹽、氨基酸）， 前體和代謝產物（抗生素、酶、有機酸和氨基酸）以 及菌量的監測目

19、前還是依賴人工取樣和離線分析。 離線分析是指在一定的時間內離散取樣，采用常規的 化學分析和自動的分析系統，在發酵罐外進行樣品的 處理和分析測量。 離線分析的特點是所得的過程信息是不連貫的和遲 緩的。 在線生物傳感器、基于酶的傳感器（滅菌、穩定性 和可靠性問題） （1）插入發酵罐內的傳感器必須能耐受高溫滅菌 ； （2）菌體及其他固體物質附在傳感器表面，會影 響傳感器的使用性能； （3）罐內氣泡對測量產生干擾； （4）傳感器結構容易產生滅菌死角； （5）化學成分分析是重要的檢測內容，但電信號 轉換困難。 由于微生物純種培養的需要，培養前的高溫滅菌和培養 過程的嚴密性，增加了參數檢測的難度和復雜性： 主要在滅菌或取樣方式上采取補救方法。