抗生素工艺学发酵过程的控制.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,第五章,发酵过程控制,第一节 发酵过程主要控制参数,第二节 发酵过程代谢改变,第三节 基质影响及其控制,第四节 温度影响与控制,第五节,pH,影响与控制,第六节 溶氧浓度改变和控制,第七节 补料作用及其控制,第八节 泡沫影响与控制,第九节 发酵终点判断,抗生素工艺学发酵过程的控制,第1页,发酵过程原理,一、发酵基本概念,1,、微生物发酵,利用微生物体来制得产物需氧或厌氧任何过程。,2,、初级代谢产物,关系到微生物新陈代谢过程中能量代谢、细胞生长和细胞结构代谢产物。,3,、次级代谢产物,微生物菌体在生长久不能合成、普通在菌体生长静止期中合成与菌体成长繁殖无显著关系产物。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第2页,抗生素产生菌在一定条件下吸收营养物质，合成其本身菌体细胞，同时产生抗生素,和其它代谢产物过程，称为抗生素发酵。,发酵过程是由各种酶系统作用而发生一系列生化反应，抗生素是这个过程次级代谢产物。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第3页,发酵方法,微生物发酵有三种方式：,分批发酵（,batch fermentation,）,补料分批发酵（,fed-batch fermentation,）,连续发酵（,continuous fermentation,）,工业上预防出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采取分批发酵或补料分批发酵这两种方式。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第4页,1,、分批式发酵,理论基础,把培养液一次性装入发酵罐，灭菌后接入一定量种子液，在最正确条件下进行发酵培养。,是产生菌体经过一定时间不一样级数种子培养，到达一定菌体量后，移种到发酵罐进行纯种和通气搅拌培养，到要求时间即行结束过程。,优缺点：,发酵周期短，产品质量易控制，不易发生杂菌污染，对原料组成要求较粗放。,发酵体系中开始时基质浓度很高，到中后期营养物质浓度很低，这对发酵反应不利。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第5页,2,、,补料分批发酵,理论基础,在分批式操作基础上，开始时投入一定量基础培养基，到发酵过程适当初期，开始连续补加碳源或氮源或其它必需物质，但不取出培养液，直到发酵终点，产率达最大化，停顿补料，最终将发酵液一次全部放出。,。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第6页,优缺点：,优点：在发酵过程中慢慢地加入培养基，使其在发酵液中保持适宜水平，同时又稀释了生成产物浓度，防止了高浓度产物和底物抑制作用，也预防了后期养分不足而限制菌体生长。,缺点：受发酵罐操作容积限制,抗生素工艺学发酵过程的控制,第7页,3,、连续式发酵,理论基础,菌体与培养液一起装入发酵罐，在菌体培养过程中不停补充新培养基，同时取出包含培养液和菌体在内发酵液，发酵体积和菌体浓度等不变，使菌体处于恒定状态发酵条件，促进菌体生长和产物积累。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第8页,优缺点：,连续培养优点：能维持基质浓度，能够提升设备利用率和单位时间产量，节约发酵罐非生产时间，便于自动控制。,但因为培养时间长，难以确保纯种培养。而且菌种变异可能性较大，故在工业规模上极少采取。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第9页,发酵过程控制,微生物发酵生产水平取决于,：,1,）,生产菌种本身特征；,2,）适当环境条件，使它生产能力充分表示出来。,这些环境条件包含培养基、培养温度、,pH,、氧需求等。,为了掌握菌种在代谢过程中代谢改变规律，需要监测一些参数，这些参数包含菌体浓度、糖、,N,消耗及产物浓度，培养温度、,pH,、溶氧等。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第10页,第一节 发酵过程主要控制参数,（一）物理参数,（二）化学参数,（三）生物参数,抗生素工艺学发酵过程的控制,第11页,一、发酵过程主要控制参数,（一）物理参数,1,温度（）,发酵整个过程或不一样阶段中所维持温度。,酶反应速率、氧在培养液中溶解度与传递速率、菌体生长速率和产物合成速率,2,压力（,Pa,）,发酵过程中发酵罐维持压力,普通维持在,0.210,5,0.510,5,Pa,。,确保纯种培养,间接影响菌体代谢。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第12页,3,搅拌转速（,r,min,）,搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中转动速度，通常以每,1min,转数来表示。,它大小与氧在发酵液中传递速率与发酵液均匀性相关。,4,搅拌功率（,kw,）,指搅拌器搅拌时所消耗功率，常指每,1m,3,发酵液所消耗功率（,kw,m,3,）。,它大小与氧容量传递系数相关。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第13页,5,空气流量,V,（,Vmin,），简称,VVM,每,1min,内每单位体积发酵液通入空气体积，也是需氧发酵控制参数。,与氧传递和其它控制参数相关。普通控制在,0.5,1.0V,（,Vmin,）范围内。,6,粘度（,Pas,）,粘度大小能够作为细胞生长或细胞形态一项标志，也能反应发酵罐中菌丝分裂过程情况。,通惯用表观粘度表示之：它大小可改变氧传递阻力，又可表示相对菌体浓度。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第14页,7,浊度（）,浊度是能及时反应单细胞生长情况参数，对一些产品生产是极其主要参数。,8.,料液流量（,L,min,）,这是控制流体进料参数。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第15页,（二）化学参数,1,pH,（酸碱度）,发酵液,pH,是发酵过程中各种产酸和产碱生化反应综合结果。,它是发酵工艺控制主要参数之一。它高低与菌体生长和产物合成有着主要关系。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第16页,2,基质浓度（,g,或,mg,）,这是发酵液中糖、氮、磷等主要营养物质浓度。,它们改变对产生菌生长和产物合成有着主要影响，也是提升代谢产物产量主要控制伎俩。,在发酵过程中，必须定时测定糖（还原糖和总糖）、氮（氨基氮或氨氮）等基质浓度。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第17页,3,溶解氧浓度,10,-6,（,ppm,）或饱和度（）,溶解氧是需氧菌发酵必备条件。,利用溶氧浓度改变，可了解产生菌对氧利用规律，反应发酵异常情况，也可作为发醉中间控制参数及设备供氧能力指标。,溶氧浓度普通用绝对含量（,10,-6,）来表示、有时也用在相同条件下，氧在培养液中饱和浓度表示。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第18页,4,产物浓度,g,（,u,）,ml,这是发酵产物产量高低或合成代谢正常是否主要参数，也是决定发酵周期长短依据。,5,废气中氧浓度（,Pa,）,废气中氧含量与产生菌摄氧率和供氧系数相关。,从废气中,O,2,含量能够算出产生菌摄氧率和发酵罐供氧能力。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第19页,6,废气中,CO,2,浓度（）,废气中,CO,2,就是产生菌呼吸放出,CO,2,。测定它能够算出产生菌呼吸熵，从而了解产生菌呼吸代谢规律。,其它化学参数：,DNA,、,RNA,、生物合成关键酶等。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第20页,（三）生物参数,1,菌丝形态,丝状菌发酵过程中菌丝形态改变是生化代谢改变反应。,普通都以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵过程代谢改变和决定发酵周期依据之一。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第21页,2,菌体浓度,菌体浓度简称菌浓，是控制微生物发酵主要参数之一。,大小和改变速度对菌体生化反应都有影响（表观粘度、溶氧浓度）。,在生产上，经常依据菌体浓度来决定适合补料量和供氧量，以确保生产到达顶期水平。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第22页,（发酵液菌体量和单位时间菌浓、溶氧浓度、糖浓度、氮浓度和产物浓度等改变值）,计算,（菌体比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速率、氮比消耗速率和产物比生产速率）,（控制产生菌代谢、决定补料和供氧工艺条件）,研究,发酵动力学,抗生素工艺学发酵过程的控制,第23页,第二节、发酵过程中代谢改变,1,菌体生长阶段（菌体生长久或发酵前期）,菌体进行合成代谢：菌浓显著增加、摄氧率不停增大，溶氧浓度不停下降。,碳源、氮源进行分解代谢：碳源、氮源和磷酸盐等营养物质不停被消耗，浓度显著降低。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第24页,2,产物合成阶段（产物分泌期或发酵中期）,这个阶段主要是合成抗生素。,以碳源和氮源分解代谢和产物合成代谢为主，还有合成菌体细胞物质代谢存在，但不是主要。,因为存在抗生素合成和菌体合成两条代谢路径，外界环境改变很轻易影响这个阶段代谢，碳源、氮源和磷酸盐等营养物质浓度必须控制在一定范围内，发酵条件也要严格控制，才能促使产物不停地被合成。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第25页,3,菌体自溶阶段（菌体自溶期或发酵后期）,菌体衰老，细胞开始自溶，氨氮含量增加，,pH,上升，产物合成能力衰退，生产速率下降。,发酵到此期必须结束。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第26页,发酵过程三个时期：,1,2,3,1.,停滞期,2.,对数期,3.,稳定时,时间,细胞数目标对数,抗生素工艺学发酵过程的控制,第27页,1,）停滞期 在刚开始接种后一段时间，几乎未见菌体浓度增加。工业上要求尽可能缩短延滞期，这可经过使用适当种龄种子和接种量到达。,2,）对数生长久 微生物在此期内比生长速率最大，细胞数目呈指数生长。,3,）稳定时 因为养分消耗和 微生物产物分泌，生长速率逐步减速直至停顿。生长终止原因可能是因为一些必须养分耗尽和自体毒性代谢物在培养基上积累结果。,在稳定时，许屡次级代谢产物在此期合成，所以也称为生产期。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第28页,第三节 基质影响及其控制,一、碳源浓度改变及其控制,（一）碳源浓度影响,1,、快速利用碳源（如葡萄糖）,能较快速地参加代谢，合成菌体和产生能量，并产生分解产物（如丙酮酸等），有利于菌体生长。,葡萄糖效应（关键：控制浓度，使他们不致产生抑制抗生素合成作用）,抗生素工艺学发酵过程的控制,第29页,应用：,常以较低浓度和慢速利用碳源一起组成基础培养基中混合碳源，供菌体生长用。,也作为发酵过程中中间补糖用。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第30页,2.,慢速利用碳源,为菌体迟缓利用，有利于延长代谢产物合成，尤其有利于延长抗生索分泌期。,需要控制浓度，分批投料。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第31页,（二）碳源浓度控制,补糖数量，应使发酵液中所含糖量能维持菌体正常生理代谢，并能预防抗生素生产能力衰退。,普通控制法,动力学模型控制法,抗生素工艺学发酵过程的控制,第32页,1,、普通控制法：“中间补糖”法。,决定补糖参考参数有：糖消耗速率、,pH,改变、菌体浓度、菌丝形态、发酵液粘度、溶解氧浓度、消沫油使用情况、罐内发酵液实际体积等。,开始补糖时间：依据代谢改变情况来确定。,补糖数量：以控制菌体浓度略增或不增为标准，使产生菌代谢活动有利于抗生素合成。,补糖方式：连续滴加补入、少许屡次间歇补入、大量少次补入等。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第33页,2,、动力学模型控制法：,依据菌体比生长速率、糖比消耗速率以及抗生素比生产速率等动力学参数来控制加糖。,需建立动力学模型，在实际生产上应用较少。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第34页,二、氮源浓度改变及其控制,1,补加有机氮源,依据产生菌代谢情况，可在发酵过程中添加一些含有调整生长代谢作用有机氮源，如酵母粉、玉米浆、尿素等。,2.,补加无机氮源,补加氨水或硫酸铵是工业上惯用方法。,补充方式与补碳源类似，以到达最正确生产为目标。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第35页,三、磷酸盐浓度影响与控制,微生物生长良好所允许磷酸盐浓度为,0.32,300mmol,，但对次级代谢产物合成良好所允许最高平均浓度仅为,1.0mmol,，提升到,10mmol,，就显著地抑制其合成。,磷酸盐浓度控制，普通是在基础培养基中采取适当浓度。,生长亚适量磷酸盐浓度：对菌体生长不是最适合但又不影响生长量。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第36页,四、前体影响与控制,为了抑制抗生素产生菌生物合成方向及增加抗生素产量，在一些抗生素发酵过程中加入化学前体物质。,如为了提升苄青霉素产量在青霉素发酵中加入苯乙酸等。,发酵过程中加入前体数量一次不宜太多，必须采取少许屡次或者连续流加方式加入。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第37页,第四节 温度影响与控制,一、温度对发酵影响,1,、影响各种酶反应速率和蛋白质性质。,（,1,）在一定范围内，伴随温度升高，酶反应速率也增加，但有一个最适温度，超出这个温度，酶催化活力就下降。温度对菌体生长酶反应和代谢产物合成酶反应影响不一样。,如产黄青霉菌体最适生长温度为,30,，青霉素合成最适温度为,24.7,。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第38页,（,2,）温度还能改变菌种代谢产物合成方向，影响多组分次级代谢产物组分百分比。,如在高浓度,Cl,-,和低浓度,Cl,-,培养基中利用金霉素链霉菌,NRRL B-1287,进行四环素发酵，,30,以下时合成金霉素增多，达,35,时就只产四环素，而金霉素合成几乎停顿。,如黄曲霉产生多组分黄曲霉毒素，在,20,、,25,和,30,发酵所产生黄曲霉毒素,G,1,与,B,1,百分比分别为,3,：,1,、,1,：,2,和,1,：,1,。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第39页,2,、影响发酵液物理性质。,发酵液粘度、基质和氧在发酵液中溶解度和传递速率、一些基质分解和吸收速率等。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第40页,二、影响发酵温度改变原因,产热原因：生物热（,Q,生物,）和搅拌热（,Q,搅拌,）；,散热原因：蒸发烧（,Q,蒸发,）、辐射热（,Q,辐射,）和显热（,Q,显,）。,发酵热：,Q,发酵,kJ,（,m,3,h,）,Q,发酵,Q,生物,Q,搅拌,Q,蒸发,Q,辐射,Q,显,。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第41页,1,生物热（,Q,生物,）：产生菌在生长繁殖过程中产生热能。,生物热大小，随菌种和培养基成份不一样而改变。,生物热大小还随培养时间不一样而不一样。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第42页,2,搅拌热（,Q,搅拌,）：搅拌器转动引发液体之间和液体与设备之间摩擦所产生热量。,3,蒸发烧（,Q,蒸发,）：空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引发水分蒸发所需热能。,4,辐射热（,Q,辐射,）：因为罐外壁和大气间温度差异而使发酵液中部分热能经过罐体向大气辐射热量。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第43页,三、温度控制,1,最适温度选择,最适发酵温度是既适合菌体生长、又适合代谢产物合成温度。,最适生长温度与最适生产温度往往是不一致。,理论上，整个发醉过程中不应只选一个培养温度，而应该依据发酵不一样阶段，选择不一样培养温度。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第44页,最适发酵温度还随菌种、培养基成份、培养条件和菌体生长阶段而改变。,如，在较差通气条件下，因为氧溶解度是随温度下降而升高，所以降低发酵温度对发酵是有利，因为低温能够提升氧溶解度、降低菌体生长速率，降低氧消耗，从而可填补通气条件差所带来不足。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第45页,2,、温度控制,因为发酵过程中释放大量发酵热，需要冷却情况较多。,普通情况下，将冷却水通入发酵罐夹层或蛇形管中，进行热交换降温。,假如气温较高，冷却水温度又高，可采取冷冻盐水进行循环式降温。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第46页,第五节,pH,影响与控制,一、发酵,pH,影响,在发酵过程中，,pH,改变决定于所用菌种特征、培养基配比和发酵条件。,pH,改变会引发各种酶活力改变，影响菌对基质代谢速度，甚至改变菌代谢路径及细胞结构。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第47页,一、微生物细胞生长和代谢需要适合,pH,值,不一样微生物对,pH,值要求不一样，大多数细菌最适,pH,值为,6.5-7.5,霉菌最适,pH,值为,4.0-8.0,酵母菌最适,pH,值为,3.8-6.0,放线菌最适,pH,值为,6.5-8.0,。,发酵过程中控制一定,pH,值，是确保微生物正常生长主要条件之一，也是预防杂菌污染一个主要办法。,pH,值不但影响微生物生长，还会影响到代谢产物形成。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第48页,而且微生物生长最适,pH,值和发酵产物形成最适,pH,值往往不一样。如青霉素产生菌生长最适,pH,值为,6.5-7.2,而青霉素合成最适,pH,值为,6.2-6.3,。链霉素产生菌生长最适,pH,值为,6.3-6.9,而链霉素合成最适,pH,值为,6.7-7.3,。,所以，充分了解微生物生长和产物形成最适,pH,值，并依据不一样微生物特征，在发酵过程中有效地控制适当,pH,值是非常主要。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第49页,二、,pH,对微生物影响原因,1,、,pH,值会影响到微生物细胞原生质膜电荷，使细胞原生质膜发生改变，引发原生质膜对个别离子渗透性改变，从而影响到微生物对培养基中一些营养物质吸收利用以及代谢产物渗漏，进而影响到微生物生长和新陈代谢正常进行。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第50页,2,、,pH,值会直接影响到微生物细胞内酶活性，在适当,pH,值下，微生物细胞中酶才能发挥最大活性。,3,、,pH,值会影响到培养基中一些主要营养物质和中间代谢产物解离，从而影响微生物对这些物质吸收和利用。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第51页,三、发酵过程中,pH,值改变情况,发酵过程中因为微生物细胞在一定温度及通气条件下，伴随微生物对培养基中营养物质利用及一些物质积累，发酵液,pH,值会发生一定改变。,普通在正常情况下，在适合微生物生长及产物合成情况下，微生物本身含有一定调整,pH,值能力，会使,pH,值处于比较适宜状态。所以发酵过程中,pH,值改变是有一定规律。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第52页,1,、在微生物细胞生长阶段，相对于接种后起始,pH,值来说，发酵液,pH,值有上升或下降趋势。,2,、在生产阶段，普通发酵液,pH,值趋于稳定，维持在最适产物形成,pH,范围。,3,、在微生物细胞自溶阶段，伴随培养基中营养物质耗尽，微生物细胞内蛋白酶积累和活跃，微生物趋于自溶，引发培养液中氨基氮等增加，致使,pH,上升。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第53页,引发发酵液,pH,值下降主要原因有：,1,）培养基中,C/N,百分比不妥，,C,源过多，如葡萄糖过量或中间补糖过多或溶解氧不足，使糖氧化不完全，培养液有机酸大量积累，使,pH,值下降；,2,）消泡油加得过多；,3,）生理酸性物质存在，使,pH,值下降。,引发发酵液,pH,值上升主要原因有：,1,）培养基中,C/N,百分比不妥，氮源过多，氨基氮释放会使,pH,值上升；,2,）生理碱性物质存在；,3,）中间补料液中氨水或尿素等碱性物质加入过多。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第54页,二、发酵过程,pH,控制,抗生素工艺学发酵过程的控制,第55页,四、发酵过程中,pH,控制,1,、调整培养基原始,pH,值，或加入缓冲溶液制成缓冲能力强、,pH,值改变不大培养基，或使盐类和碳源配比平衡，如磷酸缓冲液。,2,、可在发酵过程中加入弱酸或弱碱进行,pH,值调整，进而合理地控制发酵条件。,无机酸碱调整,pH,最方便、省事，但也是最无奈方法。生理酸碱性物质调整,pH,最困难，不易把握，但只要对症，效果最正确。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第56页,3,、假如仅用酸或碱调整,pH,值不能改进发酵情况时，进行补料是一个很好方法，既调整了,pH,值，又可补充营养，也深入提升发酵产率。经过补料调整,pH,值来提升发酵产率方法已在工业发酵过程中取得了显著效果。,比如，在青霉素发酵中，依据产生菌代谢需要用改变加糖率来控制,pH,，比固定加糖率而以酸或碱来调整,pH,可增产青霉素,25,。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第57页,4,、生理酸性铵盐作为氮源时，引发,pH,下降，可在培养液中加入,CaCO,3,来调整,pH,值。,但需要注意是，,CaCO,3,加入量普通都很大，在操作上轻易引发染菌。所以，此方法在发酵过程中应用不是太广。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第58页,5,、在发酵过程中依据,pH,值改变可用流加氨水方法来调整，同时又把氨水作为氮源供给。因为氨水作用快，对发酵液,pH,值波动影响大，应采取少许屡次流加方法进行流加，以免造成,pH,值过高，抑制微生物生长。,6,、以尿素作为氮源进行流加调整,pH,值。,尿素流加引发,pH,值改变有一定规律性，易于操作控制。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第59页,在抗生素生产有氧发酵中,确保足量溶解氧浓度是发酵控制主要原因之一。所以必须不停地向培养液供给足够氧，以满足微生物生长代谢需求。,氧在水中溶解度很小，在,25,和,110,5,Pa,时，空气中氧在水中溶解度仅,0.25mol/m,3,左右,能维持微生物菌体,1520s,正常呼吸，随之就会耗尽。,第六节 溶氧浓度改变和控制,抗生素工艺学发酵过程的控制,第60页,在试验室中，经过摇瓶机往复运动对摇瓶中微生物供养，而中间试验规模和生产规模培养装置则需采取通入无菌空气并同时进行搅拌方式对微生物供养。,通气和搅拌目标就是提供微生物生长和代谢所需氧，并使微生物在培养液中处于悬浮状态以及提升代谢产物传递速度。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第61页,一、发酵过程溶解氧浓度改变,对多数发酵来说，氧不足会造成代谢异常，产量降低。溶解氧最易变为发酵中主要矛盾。,只有了解发酵过程中溶解氧浓度改变，才能有效地控制发酵进行。,如金霉素发酵，在生长久中短时间停顿通气，就可能影响菌体在生产期糖代谢路径，由磷酸戊糖路径转向糖酵解路径，使金霉素合成产量降低。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第62页,1,、临界氧浓度,临界溶氧浓度：当培养基中不存在其它限制性基质时，不影响好氧性微生物生长繁殖最低溶解氧浓度称为临界氧浓度。,而微生物发酵最适氧浓度与临界氧浓度是不一样。,最适氧浓度：溶解氧浓度对生长或产物合成最适浓度范围。,为了防止发酵处于限氧条件下，需要考查每一个发酵产物临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵保持在最适氧浓度范围。这么便可降低批次之间波动和更有效地利用空气动力。,需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧较高即使有利菌体生长和产物合成，但当溶氧水平太大,有时会抑制产物形成。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第63页,2,、溶解氧浓度改变规律,在设备和工艺条件不变情况下，发酵过程中溶解氧改变有一定规律。,1,）在发酵前期：因为产生菌大量繁殖，需氧量不停大幅度增加，此时需氧超出供养，溶氧显著下降，溶氧曲线出现一个低谷。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第64页,2,）过了生长阶段，普通需氧量略有降低，溶氧随之上升，次级代谢产物开始形成。,发酵中后期，溶氧浓度显著受工艺控制伎俩影响，如补料数量、时机和方式等。如，在补糖后，菌体需氧量增加，引发溶氧下降，其下降幅度与菌龄、补糖量及补糖前溶氧浓度都相关系。如工艺控制不适当，不停地大量补糖，会使溶氧浓度低于临界氧浓度，此时溶解氧就会成为生产限制原因。,3,）在发酵后期，因为菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会显著地上升。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第65页,3,、发酵异常时溶氧改变,发酵过程中若有染菌、污染噬菌体、菌体代谢异常、加油器失灵等异常情况出现，都可能引发溶氧浓度异常改变。,1,）发酵液中污染好气性杂菌，溶氧浓度会在短时间内跌到零值附近，且长时间不能回升，这比用无菌试验来反应杂菌情况要快,48h,。,2,）但不是一染菌溶氧就会有大幅度下跌，要看所染杂菌种类和数量，还要看杂菌和产生菌谁占优势。有时染菌也会出现溶氧反而升高现象，这是因为生产菌受到杂菌抑制，而杂菌本身又非十分好气。这么生产菌呼吸大为减弱而使溶氧上升。这种情况在污染噬菌体发酵液中更为灵敏，更早地发出预报。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第66页,3,）补料或加油在供氧不良罐内也会引发溶氧快速降低,若溶氧原来就较低就轻易降至零。普通,13h,溶氧回升，这可与染菌时溶氧改变相区分。,4,）一些设备故障也会引发溶氧改变。比如自动加油器失灵，大量漏油，会引发溶氧快速下降。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第67页,二、溶解氧浓度控制,要控制发酵液中溶氧浓度，从供养与需氧两方面着手。,影响氧传递系数一些原因,1,、搅拌,搅拌作用是把通入气体打坏，强化湍流程度，使空气与发酵液充分混合，气、液、固三相更加好地接触，增加了溶氧速率，使微生物悬浮混合均匀，促进代谢产物传质速率。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第68页,它能从以下几个方面改进溶氧速率：,1,）搅拌能把大空气泡打坏成为微小气泡，增加了氧与液体 接触面积，而且小气泡上升速度要比大气泡慢，对应地氧与液体接触时间也就增加；,2,）搅拌使液体作涡流运动，使气泡不是直线上升而是作螺旋运动上升，延长了气泡运动路线，增加了气液接触时间；,3,）搅拌使发酵液呈湍流运动，从而降低气泡周围液膜厚度，降低液膜阻力，因而增大了,K,La,值；,4,）搅拌使菌体分散，防止结团，有利于固液传递中接触面积增加，使推进力均一，同时也降低了菌体表面液膜厚度，有利于氧传递。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第69页,2,、空气线速度,当增加通风量时，空气线速度也就对应地增大，从而增加了溶氧，氧传递系数,K,la,对应地也增大。当然过大空气线速度会使搅拌桨叶不能打散空气，气流形成大气泡在轴周围逸出，使搅拌效率和溶氧速率都大大降低。,3,、空气分布管,空气分布管型式、喷口直径及管口与罐底距离相对位置对氧溶解速率有较打影响。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第70页,4,、培养液性质,在发酵过程中，因为微生物生命活动，分解并利用培养液中基质，大量繁殖菌体，积累代谢产物等都引发培养液性质改变。,5,、表面活性剂,培养液中消泡用油脂等含有亲水端和疏水端表面活性物质分布在气液界面，增大了传递阻力，使氧传递系数,K,la,降低。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第71页,需氧控制：,在一定供氧能力下能控制需氧量，既做到满足生产菌生长和产物合成对氧需要，又不超出设备供氧能力，使生产菌在这一条件下发挥最大生产能力。,控制方法：如控制补料速度、温度调整，中间补水，控制菌体浓度。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第72页,第七节 补料作用及其控制,一、补料分批培养作用,补料分批培养对微生物发酵有以下几作用：,1,、能够控制营养物浓度,在许多发酵过程中，微生物生长是受到基质浓度影响。要想得到高密度生物量，需要投入几倍基质。补料可增加微生物生长和发酵过程。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第73页,2,、能够解除或减弱分解代谢产物阻遏,在微生物合成初级或次级代谢产物中，有些合成酶受到易利用碳源或氮源阻遏，尤其是葡萄糖，它能够阻抑各种酶或产物合成，如青霉素、赤霉素等。这种阻遏作用不是葡萄糖直接作用，而是由葡萄糖分解代谢产物引发。经过补料来限制基质浓度，就可解除酶或其代谢产物合成受阻，提升产量。,3,、能够使发酵过程最正确化 利用补料分批培养技术，能够使菌种保持在最大生产力状态。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第74页,二、补料分批培养补料方式和控制,补料方式：连续流加、不连续流加、多周期流加。,每次流加方式：快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加。,三、补料内容,1,、基础培养基,2,、碳源 补糖（葡萄糖）,3,、氮源 补充有机氮源、通氨、尿素,4,、微量元素,5,、补水,抗生素工艺学发酵过程的控制,第75页,四、流加补料内容和标准,标准：控制微生物中间代谢，使之向着有利于产物积累方向发展。为此，要依据微生物生长代谢、生物合成规律，利用流加补料办法给予生产菌适当调整，让它能在生物合成阶段有足够而又不过多营养物质供其维持正常代谢和合成产物需要。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第76页,第八节 泡沫影响与控制,一、泡沫性质及对发酵影响,泡沫性质：,发酵液液面上泡沫，气相所占百分比尤其大，与液体有较显著界限，如发酵前期泡沫；,发酵液中泡沫，又称流态泡沫，分散在发酵液中，比较稳定，与液体之间无显著界限。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第77页,泡沫对发酵影响：,起泡：发酵罐装料系数减小，氧传递系数减小等。,泡沫过多：造成大量逃液，发酵液从排气管路或轴封逃出而增加染菌机会等。,严重时：通气搅拌也无法进行，菌体呼吸受到妨碍，造成代谢异常或菌体自溶。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第78页,二、影响泡沫消长原因,（一）与通气搅拌猛烈程度，尤其是高速搅拌及大空气流量相关,（二）与培养基配比及原材料组成相关,（三）与菌种、种子质量、菌丝阶段和接种量相关,抗生素工艺学发酵过程的控制,第79页,三、泡沫消除,（一）机械消沫,靠机械引发强烈振动或压力改变促使气泡破裂。,罐内消沫法：在搅拌轴上方装消沫桨，经过消沫,桨转动打坏泡沫。,罐外消沫法：将泡沫引出罐外，经过喷嘴加速,作用或利用离心力来消除泡沫。,优点：不需加入外界物料，可节约原料，降低污染,杂菌机会。,缺点：消沫效果不理想，仅可作为辅助消沫方,法。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第80页,（二）消沫剂消沫（化学消沫）,消沫机理：,（,1,）当泡沫表层存在着极性表面活性物质而形成双电层时，加入另一个含有相反电荷表面活性剂，以降低其机械强度，进而促使泡沫破裂。,（,2,）当泡沫液膜含有较大表面粘度时，可加入一些分子内聚力较小物质，以降低液膜表面粘度，从而促使液膜液体流失而使泡沫破裂。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第81页,理想消沫剂，应具备以下条件：,（,1,）必须是表面活性物质，且含有较低表面张力。,（,2,）在气,液界面上含有足够大铺展系数，才能快速发挥消泡作用。（一定亲水性）,（,3,）在水中溶解度极小，以保持其含有持久消泡或抑泡性能。,（,4,）无毒、能耐高温灭菌、对设备无腐蚀性、不干扰其它参数测定、不妨碍氧传递、对发酵、提炼及抗生素质量和产量无影响。,（,5,）成本低、起源广。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第82页,惯用消沫剂，主要有天然油脂类，高碳醇、脂肪酸和酯类，聚醚类，硅酮类,4,大类。,（,1,）天然油脂类：玉米油、米糠油、豆油、松子油、菜子油、鱼油、猪油等。,优点：起源比较丰富，价格比较低廉，在发酵中不但用于消沫，还能够作为供产生菌利用碳源和中间控制伎俩。,缺点：分子中无亲水基，在发泡介质中难铺展，消泡活性差。而且油成本和折粮单耗都比较高且用量大，已逐步被合成消沫剂取代。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第83页,（,2,）高碳醇和酯类：十八醇、聚乙二醇、苯乙酸酯类（苯乙酸乙酯、苯乙酸丁酯、苯乙酸月桂醇酯）、苯乙醇、苯乙醇油酸酯等。,多适合用于丝状真菌发酵。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第84页,（,3,）聚醚类。,优点：性能稳定、使用简便、易控制、用量少、成本低。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第85页,聚氧丙烯甘油：亲水性差，在发沫介质中溶解度小。抑泡性能优于消泡性能。适合用于稀薄发酵液，添加于培养基中。,聚氧乙烯氧丙烯甘油：亲水性好，在发沫介质中易铺展，消沫能力强。对应溶解度大，消沫活性连续时间短。适合用于粘稠发酵液消沫。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第86页,（,4,）硅酮类：聚二甲基硅氧烷及其衍生物。,适合用于微碱性细菌发酵。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第87页,消沫剂消沫优缺点：,优点：效果好，较机械消沫作用快速，尤其是化学合成消沫剂用量少。,缺点：消沫剂使用不妥时对菌生长代谢有干扰；发酵过程中经常添加消沫剂增加原材料单耗；设备不严密时增加染菌机会；残留消沫剂可能造成提炼上麻烦。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第88页,消沫剂增效：,（,1,）加载体增效，即用载体（如矿物油、植物油等）将消沫剂溶解分散，到达增效目标。,（,2,）消沫剂并用增效，取各个消沫剂优点进行互补，到达增效。,（,3,）乳化消沫剂增效。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第89页,四、泡沫控制,1,、降低泡沫形成机会。,调整培养基中成份；,改变一些物理化学参数；,改变发酵工艺。,2,、消除已形成泡沫。,机械消沫；,消沫剂消沫。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第90页,第九节 发酵终点判断与发酵异常处理,一、微生物发酵终点判断,既要追求高生产力，又要顾及产品成本，必须把二者结合起来，既要有高产量，又要是低成本。,二、确定合理放罐时间考虑原因,1,、经济原因,发酵产物生产能力是实际发酵时间和发酵准备时间综合反应。实际发酵时间，以最低成原来取得最大生产能力时间为最适发酵时间。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第91页,假如发酵时生产速率很高，就要尽可能延长抗生素分泌期，提升抗生素单位产量。不过在生产速率较小或停顿情况下，假如继续延长时间，使平均生产能力下降，而动力消耗、管理费用支出、设备消耗等费用仍在增加，因而产物成本增加，就应该即时放罐。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第92页,2,、产品质量原因,发酵时间长短对后提取工序与产品质量有很大关系。假如发酵时间太短，有过多还未代谢营养物质残留在发酵液中。给提取带来不利影响。不过假如发酵时间太长，菌体会自溶，释放菌体蛋白或酶，发酵液变粘稠，增加过滤工序难度，使不稳定产物降解。全部这些影响，都会使抗生素产量下降，产物杂质含量增加。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第93页,3,、特殊原因,对老品种来说，放罐时间都已掌握，在正常情况下可依据作业计划，按时放罐。,但在异常情况下，如染菌、代谢异常，就应依据不一样情况及时处理。,发酵终点判断，要综合这些原因来确定。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第94页,二、发酵异常处理,1,发酵液较稀：补天然丰富氮源,2,发酵液过浓：补水进行稀释。,3,糖耗过慢：补,P,，补,N,源，升温，补种等。,4,pH,异常：补生理酸碱性物质。,抗生素工艺学发酵过程的控制,第95页,第五章 思索题,1,、,发酵过程工艺控制包含哪些内容？,2,、,为何要严格控制发酵温度、,pH,？,3,、,怎样调整发酵,pH,？,4,、影响需氧和供氧原因有哪些？,5,、泡沫生成原因有哪些？怎样控制？,抗生素工艺学发酵过程的控制,第96页,