发酵过程及控制(微生物工程工艺原理）

微生物工程工艺原理之发酵过程控制知识总结，包括泡沫的形成与控制、培养基成分、浓度、溶解氧与控制、发酵温度及其控制等内容。

发酵过程控制

• 调控原理
  • 理论基础
    • 决定因素：①优秀的gene②合适的外界条件
    • 影响发酵的环境条件：培养基、pH、温度、 氧气、泡沫、杂菌、噬菌体污染等
    • 调控的理论基础：①微生物学技术②化学化工技术③自动控制技术
• 发酵控制参数
  • 物理、工程参数：如温度、罐压、搅拌转速、粘度、密度等
  • 生化参数：
    • 1.反映菌体生长参数：①菌体浓度②菌体DNA含量③菌体RNA含量
    • 2.反映菌体代谢活力：①菌体中ATP含量②ADP③AMP
    • 3.反映细胞合成：①NADH2（还原力）
    • 4.反映氧的供应、消耗：①溶氧量②排气中氧气浓度 ③菌摄氧率④呼吸强度⑤氧化还原电位
    • 5.反映菌代谢：①pH
    • 6.反映目标物产量①效价②前体
• 发酵设备
  • 发酵反应器：为发酵菌体生长及目的产物合成提供：“可调控环境”
  • 成套发酵系统包括：种子罐、发酵罐、控制系统、空气处理系统、专用管阀、补料系统、操作平台、公用配套工程等
• pH的变化与控制
  • pH影响发酵的机理
    • 影响酶活性
    • 影响细胞膜的电荷状况
    • 影响培养基中营养物质的溶解和微生物中代谢产物的分离
    • 改变培养基的氧化还原电位Eh
    • pH影响某些微生物的形态
  • 影响pH的因素
    • 1.微生物的代谢特性
    • 2.培养基的成分
    • 3.发酵条件：通气和搅拌，通气不足时产生乳酸
  • pH的调节
    • 1.调节配方：①调整碳氮比②调整生理酸、 碱性物质比例③加入缓冲物质：CaCO3
    • 2.补料中和：①加酸、碱：NaOH等 ②流加无机氮源：尿素、硝酸铵等③流加C源：加糖调节
• 发酵温度及其控制
  • 温度影响发酵
    • 1.影响酶活性、核酸活性：高温破坏 酶蛋白和核酸分子结构中的H键、S—S键
    • 2.温度对微生物生长及产物形成的影响：①温度影响酶促反应②温度影响细胞对养分的吸收③温度影响代谢产物合成速率④温度影响目标产物合成方向⑤影响代谢调控⑥如：金色链霉菌：＜30℃合成金霉素，＞35℃合成四环素
    • 温度影响因素
      • ①因微生物菌种而异
      • ②因发酵时期而异
      • ③菌龄：敏感期：分裂期对温度敏感；迟钝期：发酵后期敏感性下降
    • 最适温度
      • 参考因素①菌种②培养条件③酶促反应类型④生长阶段差异
      • 实例：①通气较差：降温②使用速效养分时：降温
  • 发酵升温和控制
    • 发酵升温的原因：生物热（分解产热时散失的热量）
    • 影响发酵温度的因素
      • ①菌体利用底物时产生生物热
      • ②搅拌产生摩擦热
      • ③蒸发吸热，水带走热
      • ④气体带走热量
      • ⑤发酵罐罐壁散热
    • 发酵温度控制
      • ①外部调控
      • ②培养基成分调整
• 溶解氧与控制
  • 概念
    • 1.溶解氧对发酵过程影响：①微生物生长发育②代谢途径和产物形成
    • 2.临界溶氧浓度：发酵液中满足微生物呼吸的最低溶氧浓度。
    • 3.溶氧谷
    • 4.增加溶氧量的方法
      • ①加大通气量
      • ②提高搅拌速度
      • ③降低Medium浓度
  • 影响微生物需氧量的因素
    • ①菌种
    • ②菌体浓度
    • ③菌龄
    • ④培养基
  • 影响氧气传递的因子
    • 1.搅拌（4种有利，3不利）
      • ①将空气打成小泡
      • ②增加液体湍动
      • ③形成涡流
      • ④减少菌丝结块
      • 不利：①耗能多②改变菌体形态③剪切损伤细胞
    • 2通气量与空气流速
      • ①通气量增加有利于减少菌体周围液膜厚度
      • ②通气量过大溶氧效率不再增加
    • 3培养液影响氧气溶解因素
      • ①粘度
      • ②菌丝浓度
      • ③表面张力
      • ④离子浓度
    • 增加溶氧措施
      • ①增加搅拌功率
      • ②补水稀释培养液
      • ③降低温度
      • ④提高罐压
      • ⑤增加通气量
      • ⑥通入纯氧
• 培养基成分、浓度
  • 1.质：所有原料组分和性质要稳定
  • 2.量
    • 控制底物浓度①防止产生阻遏效应②控制微生物处于适当发育阶段
    • 补料应满足需要但不过量
• 泡沫的形成与控制
  • 产生与危害
    • 产生：多糖、寡糖+蛋白质+小气泡
    • 危害①灭菌不彻底②溢出造成污染③降低发酵罐利用率
  • 影响泡沫消长的因素
    • ①通气
    • ②培养基组成与配比：蛋白质、多糖多，泡沫多；培养基破坏
    • ③菌体生长快泡沫少
    • ④培养液：发酵初期泡沫稳定；发酵中 期泡沫寿命缩短；发酵后期，泡沫增加
    • ⑤染菌泡沫发生
    • ⑥噬菌体感染泡沫增加
  • 泡沫消除
    • ①机械消泡
    • ②化学消泡：电荷中和；降低液膜表面粘度；改变表面张力
  • 消沫剂
    • 天然油脂类：菜籽油、玉米油、豆油等（消沫、碳源、能源）
    • 化学合成消沫剂：如“泡敌”，硅树脂等
• 发酵终点
  • 确定原则
    • ①产品质量、数量
    • ②三率：生产率、产品得率及发酵系数
    • ③异常因素：尽早放罐，减少损失
  • 放罐的判断指标
    • ①产物浓度达到高峰
    • ②过滤速度下降
    • ③氨基上升
    • ④菌体碎片增加
    • ⑤pH升高
    • ⑥培养液粘度上升
  • 注意事项：①大多数产品在菌丝自溶开始前放罐②少数在菌丝发生部分自溶后放罐③发酵异常及时放罐