co2對發(fā)酵影響

1、6.2.7 二氧化碳對發(fā)酵的影響 及其控制,（1） 二氧化碳對發(fā)酵的影響,CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時也是某些合成代謝的一種基質(zhì)，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(tài)及產(chǎn)物合成 高濃度的CO2會影響產(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%體積分數(shù)）

2、。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(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。,（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、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。,★ 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。,（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(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。,6.2.8 加糖、補料對發(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胞生長

5、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,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。,流加操作控制系統(tǒng)又分為有反

6、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）,,補料應(yīng)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

7、衡,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(guān)系?！　〔捎米顑?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。,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)臐舛龋鼈儎t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(shè)定的培養(yǎng)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(chǎn)物積累的方

8、向發(fā)展?！　⊙a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?！　〗?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。,6.3 泡沫對發(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(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：,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

10、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,6.3.3 發(fā)酵過程中泡沫的控制,★機械消沫★化學消沫（消沫劑消沫）,（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。,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，

11、起到消泡的作用。,罐內(nèi)機械消沫,罐內(nèi)機械消沫,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(yīng)同時具備降低液膜的機械強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，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(fā)酵染菌的防治及處理,染菌是發(fā)酵生產(chǎn)中的一

13、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(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,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?，F(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,▲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?，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

16、嚴重。,,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。,（3）發(fā)酵中、后期染菌

17、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(yīng)加熱滅菌后才能排放。（4）染菌后對設(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。,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。,原噬菌體不同于營養(yǎng)期的噬菌體，它沒有感染性，對宿

19、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。,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。,,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,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。,（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；

22、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。,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。,6.5 發(fā)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(jīng)濟因素 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。◆ 臨近放罐時加糖、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(yīng)有所不同。,判斷放罐的指標主要有：

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)測的研究概況,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)

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)控機制以及可能的代謝途徑，為設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)。,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(guān)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：,,,,,,,★　常規(guī)在線測

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)的測量 現(xiàn)有的監(jiān)測狀態(tài)參數(shù)的傳感器必須耐高溫蒸汽反復滅菌，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(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，探頭可以隨時拉出，重新校正和滅菌，然后再推進去而不會影響發(fā)酵罐的無菌狀況。尾氣分析：紅外和順

27、磁氧分析儀可分別測定尾氣CO2和O2含量，也可用質(zhì)譜儀測定。,★　離線分析對于培養(yǎng)基成分和代謝產(chǎn)物，沒有可就地監(jiān)測的傳感器，這是由于開發(fā)可滅菌的探頭或建立一種能無菌取樣系統(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、有機酸和氨基酸）以及菌量的監(jiān)測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間內(nèi)離散取樣，采用常規(guī)的化學分析和自動的分析系統(tǒng)，在發(fā)酵罐外進行樣品的處理和分析測量。,離線

28、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(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，會影響傳感器的使用性能；（3）罐內(nèi)氣泡對測量產(chǎn)生干擾；（4）傳感器結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生滅菌死角；（5）化學成分分析是重要的檢測內(nèi)容，但電信號轉(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)過程的嚴密性，增加了參數(shù)檢測的難度和復雜性：,