co2對(duì)發(fā)酵影響

1、6.2.7 二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響 及其控制,（1） 二氧化碳對(duì)發(fā)酵的影響,CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時(shí)也是某些合成代謝的一種基質(zhì)，它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。CO2的抑制作用 影響菌體生長(zhǎng)、形態(tài)及產(chǎn)物合成 高濃度的CO2會(huì)影響產(chǎn)黃青霉的菌絲形態(tài)。 大多數(shù)微生物適應(yīng)低CO2濃度（0.02~0.04%體積分?jǐn)?shù)）

2、。當(dāng)尾氣CO2濃度高于4%時(shí)微生物的糖代謝與呼吸速率下降。,,CO2對(duì)細(xì)胞的作用機(jī)制：CO2 ——主要作用在細(xì)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(xì)胞膜表面上的蛋白質(zhì),,當(dāng)細(xì)胞膜的脂質(zhì)相中CO2濃度達(dá)到一臨界值時(shí)，膜的流動(dòng)性及表面電荷密度發(fā)生變化。這將導(dǎo)致膜對(duì)許多基質(zhì)的運(yùn)輸受阻，影響了細(xì)胞膜的運(yùn)輸效率，使細(xì)胞處于“麻醉”狀態(tài)，生長(zhǎng)受抑制，形態(tài)發(fā)生變化。,（2） 呼吸商與發(fā)酵的關(guān)系,呼吸商：,

3、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(zhǎng)、無(wú)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(dāng)作基質(zhì)再利用。,★ 菌體在利用不同基質(zhì)時(shí)，其RQ值也不同；★ 在抗生素發(fā)酵中在生長(zhǎng)、維持和產(chǎn)物形成階段的RQ值也不一樣。,（3） 二氧

4、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(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣攪拌程度、罐壓大小和設(shè)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(duì)發(fā)酵的促進(jìn)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。,6.2.8 加糖、補(bǔ)料對(duì)發(fā)酵的影響 及其控制,分批發(fā)酵常因配方中的糖量過多造成細(xì)胞生長(zhǎng)

5、過旺，供氧不足。解決這個(gè)問題可在發(fā)酵過程中加糖和補(bǔ)料。補(bǔ)料的作用是及時(shí)供給菌合成產(chǎn)物的需要。通過補(bǔ)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,補(bǔ)料的策略：,一次性大量：操作簡(jiǎn)便，但會(huì)造成發(fā)酵液瞬時(shí)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。,流加操作控制系統(tǒng)又分為有反

6、饋控制和無(wú)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(yíng)養(yǎng)物的濃度（氮源、碳 源、碳氮比） （由于缺乏直接測(cè)量的傳感器，此法受限制）,,補(bǔ)料應(yīng)注意的問題,１、料液配比要適當(dāng)２、加強(qiáng)無(wú)菌觀念３、經(jīng)濟(jì)核算，節(jié)約糧食４、培養(yǎng)基的碳、氮要平

7、衡,必須選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)，以及了解這些參數(shù)對(duì)微生物代謝、菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系。　　采用最優(yōu)的補(bǔ)料程序也是依賴于比生長(zhǎng)曲線、形態(tài)、產(chǎn)物形成速率及發(fā)酵的初始條件等情況。,優(yōu)化補(bǔ)料速度也是補(bǔ)料控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因?yàn)轲B(yǎng)分和前體需要維持適當(dāng)?shù)臐舛?，而它們則以不同速被消耗，所以，補(bǔ)料速度要根據(jù)微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)等的消耗速度及所設(shè)定的培養(yǎng)液中最低維持濃度而定。,補(bǔ)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

8、向發(fā)展?！　⊙a(bǔ)料的內(nèi)容和補(bǔ)料時(shí)機(jī)，都是根據(jù)菌的生長(zhǎng)代謝、生物合成規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，但大多數(shù)都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行?！　〗?jīng)驗(yàn)表明，在最適補(bǔ)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(duì)發(fā)酵的影響及控制,6.3.1 發(fā)酵過程中泡沫的產(chǎn)生,（1）由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（2）由發(fā)酵過程產(chǎn)生的氣體聚結(jié)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(qiáng)或穩(wěn)定泡沫的作用,泡沫產(chǎn)生的原因,（1）

9、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(shí)間也會(huì)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(zhǎng)的影響因素：,6.3.2 泡沫對(duì)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(dǎo)致產(chǎn)物損失（3）增加了染

10、菌的機(jī)會(huì)（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,6.3.3 發(fā)酵過程中泡沫的控制,★機(jī)械消沫★化學(xué)消沫（消沫劑消沫）,（1）機(jī)械消沫,原理：利用物理作用，靠機(jī)械的強(qiáng)烈振動(dòng)或壓力的變化促使泡沫破碎。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省原材料，不會(huì)增加下游工段的負(fù)擔(dān)，減少染雜菌。缺點(diǎn)：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(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(dòng)來打碎泡沫，

11、起到消泡的作用。,罐內(nèi)機(jī)械消沫,罐內(nèi)機(jī)械消沫,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(jī)械消沫,（2）化學(xué)消沫,★化學(xué)消沫的機(jī)理：化學(xué)消沫劑是表面活性劑。一般好的消沫劑應(yīng)同時(shí)具備降低液膜的機(jī)械強(qiáng)度和表面粘度這兩種性能。★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(jí)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（“

12、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,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(shí)，要考慮如何降低它的黏度和提高它的分散性，來增強(qiáng)它們的消泡效果。使用的增效方法有: a) 機(jī)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(qiáng)消沫劑的消沫作用,（2）化學(xué)消沫,6.4 發(fā)酵染菌的防治及處理,染菌是發(fā)酵生產(chǎn)中的一

13、個(gè)致命弱點(diǎn)，輕者影響了生產(chǎn)產(chǎn)品的收率和產(chǎn)品質(zhì)量，重者會(huì)導(dǎo)致“倒罐”，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。,目前：提高生產(chǎn)技術(shù)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(yīng)的有效措施，把發(fā)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(jìn)罐前菌種室階段出問題● 培養(yǎng)基的配制和滅菌不徹底● 設(shè)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

14、無(wú)菌空氣、排放多余空氣★ 多次添加消沫劑、補(bǔ)充培養(yǎng)基★ 定時(shí)取樣分析,6.4.2 染菌的判斷和防治,◆ 鏡檢◆ 無(wú)菌試驗(yàn)◆ 一些狀態(tài)參數(shù)，如溶氧變化、排氣中的CO2含量等◆ 異?，F(xiàn)象，如菌體生長(zhǎng)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(zhǎng)、發(fā)酵液的粘度異常增加等,▲造成發(fā)酵染菌的原因有很多，且常因工廠不

15、同而有所不同，但設(shè)備滲漏、空氣中有雜菌、種子帶菌、滅菌不徹底和技術(shù)管理不善等是造成各廠污染雜菌的普遍原因?！话悖瑥娜揪姆N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(shí)間分析▲對(duì)抗生素發(fā)酵染菌： 前期——原則上可適當(dāng)改變生長(zhǎng)參數(shù)，使有利于生產(chǎn)菌而不利于雜菌的生長(zhǎng)，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(huì)那么

16、嚴(yán)重。,,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(yīng)經(jīng)滅菌后棄之，并對(duì)種子罐、管道等進(jìn)行仔細(xì)檢查和徹底滅菌。同時(shí)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(shí)，終止發(fā)酵，將培養(yǎng)基重新進(jìn)行滅菌處理后再用；否則，補(bǔ)充新鮮培養(yǎng)基，再進(jìn)行滅菌處理。 也可采取降溫培養(yǎng)、調(diào)節(jié)pH值、調(diào)整補(bǔ)料量、補(bǔ)加培養(yǎng)基等措施。,（3）發(fā)酵中、后期染菌

17、的處理 加入適當(dāng)?shù)臍⒕鷦┗蚩股兀砸种齐s菌的生長(zhǎng)，也可采取降低培養(yǎng)溫度、降低通風(fēng)量、停止攪拌、少量補(bǔ)糖等其他措施。 若產(chǎn)物含量已達(dá)一定值，也可放罐。 廢液應(yīng)加熱滅菌后才能排放。（4）染菌后對(duì)設(shè)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(jìn)行處理。,6.4.3 染菌的挽救或處理,6.4.4 噬

18、菌體污染及其防治,利用細(xì)菌或放線菌進(jìn)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(qiáng)，傳播蔓延迅速，且較難防治，對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)有很大的威脅。噬菌體是一種感染細(xì)菌或放線菌的病毒。,噬菌體有兩類：,烈性噬菌體：感染宿主細(xì)胞后，立即引起細(xì)胞裂解溫和性噬菌體：感染細(xì)胞后，并不馬上引起細(xì)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。,原噬菌體不同于營(yíng)養(yǎng)期的噬菌體，它沒有感染性，對(duì)宿

19、主一般無(wú)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(shí)，少數(shù)會(huì)自發(fā)脫離染色體，導(dǎo)致細(xì)菌裂解。而在某些物理化學(xué)因素（UV，X射線，氮芥等）刺激下，原噬菌體會(huì)脫離染色體，開始復(fù)制，從而導(dǎo)致溶原性菌株裂解，產(chǎn)生大量的噬菌體?！顚?duì)同一類型噬菌體具有免疫性：溶原性菌株對(duì)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(jìn)入溶原性菌株，但不能增殖，也不能導(dǎo)致溶原性菌株裂解。,噬菌體的污染途徑:

20、可以通過環(huán)境污染、設(shè)備的滲漏或”死角” 、空氣系統(tǒng)、培養(yǎng)基滅菌不徹底、補(bǔ)料過程及操作失誤、菌種帶進(jìn)噬菌體或本身是病原性菌株等途徑使發(fā)酵染菌。,,噬菌體的危害：可引起發(fā)酵中噬菌體污染的實(shí)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,發(fā)酵前期污染噬菌體后的異?，F(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(shí)以下。 （2）pH值

21、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?，F(xiàn)象。 （3）耗糖緩慢或停止，發(fā)酵緩慢，周期長(zhǎng)，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。,（5）谷氨酸產(chǎn)量甚少，或增長(zhǎng)極為緩慢，或不產(chǎn)酸；也會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)酸反而偏高或一段時(shí)間內(nèi)忽好忽壞。（6）鏡檢時(shí)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；

22、細(xì)胞核染色，部分細(xì)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。,噬菌體的防治：1）嚴(yán)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。,6.5 發(fā)酵終點(diǎn)的判斷,要確定一個(gè)合理的放罐時(shí)間，需要考慮下列幾個(gè)因素一.經(jīng)濟(jì)因素 二.產(chǎn)品質(zhì)量因素 三

23、.特殊因素,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(shí)放罐?！?放罐時(shí)間對(duì)下游工序有很大的影響。放罐過早，會(huì)殘留過多養(yǎng)分，增加提取工段的負(fù)擔(dān)；如放罐過晚，菌絲自溶，不僅會(huì)延長(zhǎng)過濾時(shí)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?！?臨近放罐時(shí)加糖、補(bǔ)料或消沫劑要慎重。,發(fā)酵類型不同，要求達(dá)到的目標(biāo)也不同，因而對(duì)發(fā)酵終點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)有所不同。,判斷放罐的指標(biāo)主要有：

24、 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。,6.6 發(fā)酵過程參數(shù)監(jiān)測(cè)的研究概況,發(fā)酵過程參數(shù)檢測(cè)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(dá)出來。為此，必須通過各種研究方法了解生產(chǎn)菌種對(duì)環(huán)境條件的要求，如培養(yǎng)

25、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(jī)制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計(jì)合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。,同時(shí)，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(cè)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(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行必要的控制，需要對(duì)有關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行定期取樣測(cè)定或進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，參數(shù)如下：,,,,,,,★　常規(guī)在線測(cè)

26、量和控制發(fā)酵過程的設(shè)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(cè)量 現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)狀態(tài)參數(shù)的傳感器必須耐高溫蒸汽反復(fù)滅菌，而且探頭表面易被微生物堵塞，從而導(dǎo)致測(cè)量失敗。特別是pH和溶氧電極有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)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(fā)明了探頭可伸縮的適合于大規(guī)模生產(chǎn)的裝置。這樣，探頭可以隨時(shí)拉出，重新校正和滅菌，然后再推進(jìn)去而不會(huì)影響發(fā)酵罐的無(wú)菌狀況。尾氣分析：紅外和順

27、磁氧分析儀可分別測(cè)定尾氣CO2和O2含量，也可用質(zhì)譜儀測(cè)定。,★　離線分析對(duì)于培養(yǎng)基成分和代謝產(chǎn)物，沒有可就地監(jiān)測(cè)的傳感器，這是由于開發(fā)可滅菌的探頭或建立一種能無(wú)菌取樣系統(tǒng)有一定困難。所以，發(fā)酵液中的基質(zhì)（糖、脂質(zhì)、鹽、氨基酸），前體和代謝產(chǎn)物（抗生素、酶、有機(jī)酸和氨基酸）以及菌量的監(jiān)測(cè)目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(shí)間內(nèi)離散取樣，采用常規(guī)的化學(xué)分析和自動(dòng)的分析系統(tǒng)，在發(fā)酵罐外進(jìn)行樣品的處理和分析測(cè)量。,離線

28、分析的特點(diǎn)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(wěn)定性和可靠性問題）,（1）插入發(fā)酵罐內(nèi)的傳感器必須能耐受高溫滅菌；（2）菌體及其他固體物質(zhì)附在傳感器表面，會(huì)影響傳感器的使用性能；（3）罐內(nèi)氣泡對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾；（4）傳感器結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生滅菌死角；（5）化學(xué)成分分析是重要的檢測(cè)內(nèi)容，但電信號(hào)轉(zhuǎn)換困難。,由于微生物純種培養(yǎng)的需要，培養(yǎng)前的高溫滅菌和培養(yǎng)過程的嚴(yán)密性，增加了參數(shù)檢測(cè)的難度和復(fù)雜性：,