各工艺条件对发酵的影响(一).doc

各工艺条件对发酵的影响
发酵条件控制的目的就是要为生产菌创造一个最适的环境，使我们所需要的代谢活动得以最充分的表达，积累更多的代谢产物。影响L-苏氨酸产量的因素有很多，如培养基、温度、pH、溶氧等。
1、培养基对发酵的影响：
发酵培养基必需满足微生物的能量、元素及特殊养分的需求：碳源、氮源、无机盐类、生长因子等。
（1）碳、氮、磷的平衡：C/N直接影响菌体的生长和代谢，如果C/N偏小（氮源丰富），会导致菌体生长过剩，易造成菌体提前衰老自溶； C/N过大，菌体繁殖数量少，发酵密度低，细菌代谢不平衡，不利于产物的积累。磷是核酸与磷脂的成分，组成高能磷酸化合物及许多酶的活性基，磷不足影响菌体生长。在代谢方面，适量磷有利于糖代谢的进行；磷酸根在能量代谢中起调节作用。另外，在一定范围内，磷酸盐对培养基pH值的变化起缓冲作用。
（2）基质浓度对发酵的影响：低浓度有诱导作用（迟滞期产生各种酶），高浓度会起分解代谢物阻遏作用；培养基过于丰富，会使菌体生长过盛，发酵液黏稠，影响传质。
（3）碳源的种类和浓度对发酵的影响：
碳源的种类对发酵的影响主要取决于其性质，即快速利用的碳源（速效碳源）和缓慢利用的碳源（迟效碳源）。速效碳源（如葡萄糖）能较快地参与微生物的代谢，合成菌体、产生能量、合成代谢产物等；迟效碳源（如蔗糖）不能被微生物直接吸收利用，需要微生物分泌胞外酶先将其分解成小分子物质，因此菌体利用缓慢。
速效碳源（葡萄糖）的特点：
优点：吸收快，利用快，能迅速参加代谢合成菌体和产生能量。
缺点：有的分解代谢产物对产物的合成会产生阻遏作用。
碳源的浓度对菌体的生长和产物的合成有着明显的影响。以葡糖糖为例，它对糖代谢中的一个关键酶——葡糖糖氧化酶（GOD）的形成具有双重效应，即低浓度下有诱导作用，而高浓度下有分解代谢产物阻遏效应。为避免初始培养基中渗透压过高，一般采用中间补糖的方法控制碳源浓度。
发酵过程中补糖过量，碳代谢流在糖酵解途径中过量，必须分解部分氧化副产物（如乙酸、乳酸、其它氨基酸等）来维持碳代谢流平衡，易造成碳源浪费，糖酸转化率低。同时，因补入糖造成pH下降，为维持平衡补氨量增多，而菌体利用有限，极易造成无机氮升高，对菌体产生不良影响。补糖量不足，菌体生长、产物合成受限。尤其是对数生长期，缺糖还会造成菌体过早衰老，后期活力低，产酸下降。
（4）氮源的种类和浓度对发酵的影响
无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源可以直接被菌体吸收利用，这种氮源叫做速效氮源，反之为迟效氮源。前者包括氨基态氮的氨基酸或者铵盐形式的硫酸铵和玉米浆等，后者包括黄豆饼粉、花生饼粉、棉籽饼粉等。
速效氮源易于被菌体吸收利用，所以有利于菌体生长，却会影响某些产物的的产量；迟效氮源对延长次级代谢产物的分泌期、提高产物产量有好处，但一次性投入容易使养分过早耗竭，导致菌体过早衰老自溶，从而缩短产物分泌期。因此，发酵培养基一般选用含有速效、迟效氮源的混合氮源。
对某些发酵过程来说，培养基中某些氮源的添加有利于该发酵过程中产物的积累，这些主要是培养基中的有机氮源作为菌体生长繁殖的营养外，还能作为产物的前体。无机氮源利用会快于有机氮源，但是常会引pH值的变化，这必须注意随时调整。
2、pH对发酵的影响
发酵过程中发酵液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。
发酵液pH值对发酵的影响
（1）pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响
a）影响酶的活性：酶需在最适的pH值环境中工作；当pH抑制菌体中某些酶的活性时，使菌体的新陈代谢受阻；
b）影响微生物细胞膜所带电荷的状态，从而改变细胞膜的渗透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄，因此影响代谢的正常进行；
c）影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用；
d）pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。
以苏氨酸发酵为例，当pH持续偏低时，菌体生长和产物合成均受到一定抑制。
（2）引起pH下降的因素
a）碳源过量特别是葡萄糖过量，或中间补糖过多，加之溶氧不足，致使有机酸大量积累而使pH下降；b）消泡剂添加过量；c）生理酸性物质的存在（硫酸铵）；d）发酵过程中补氨不足（液氨压力较低，或液氨靠罐阀开度较小，或补氨自控开阀时间和比例设置不合理等）。e）发酵初期、种子罐中后期因代谢旺盛，离线测定pH时会随取样时间长短导致pH不同程度下降。
（3）引起pH上升的因素
a）氮源过多，氨基氮释放；b）生理碱性物质的存在（如硝酸钠）；c）发酵过程中补氨过多（液氨压力较高，或液氨靠罐阀开度较大，或补氨自控开阀时间和比例设置不合理等）；罐中进液氨；d）缺糖；e）菌体自溶。
3、溶氧对发酵的影响
苏氨酸发酵为好气发酵，发酵过程中需要适量的溶解氧以维持其呼吸代谢和产物合成（基因工程菌相对于野生菌需氧量更大）。
（1）溶氧对发酵的影响
a）溶氧不足：基因工程菌质粒体丢失；呼吸受限，菌体量少，活力低；代谢途径改变，产生乙酸、乳酸、其他氨基酸等副产物；
b）溶氧过高：破坏细胞组分；糖趋于完全氧化，糖酸转化率下降。发酵后期溶氧过高可能会造成代谢异常，菌体提前自溶。
（2）发酵过程溶氧的变化
a）发酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不断大幅度增加，此时需氧超过供氧，溶氧明显下降；
b）发酵中后期：溶氧浓度明显受工艺控制手段的影响，如补糖量、风量、罐压等；
c）发酵后期：由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度也会逐步上升，一旦菌体自溶，溶氧就会明显上升。
（3）溶氧的控制
a）调节通风量、罐压与搅拌（有限措施）；
b）限制基础培养基的浓度使发酵罐内的生物体浓度维持于适当水平；并以补料方式供给某些营养成分而控制菌体生长率和呼吸率。
（4）引起溶氧异常下降的可能原因：
a）污染了好气性杂菌，大量的溶氧被消耗，可能在短时间内（一般2～5h内）使溶氧接近到零，并长时间不回升；
b）菌体代谢发生异常现象，需氧量增加，使溶氧下降；
c）某些设备或工艺控制发生故障或变化，如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢，影响供氧能力，使溶氧降低。
d）高温影响。
4、温度对发酵的影响
微生物的生长和产物的合成都是在各种酶催化下进行的，温度是保证酶活性的重要条件，因此在发酵系统中必须保证稳定而合适的温度环境。通常在生物学范围内每升高10℃，生长速度就加快一倍，温度直接影响其生长。菌体的重要组成如蛋白质、核酸等都对温度较敏感，随着温度的增高有可能遭受不可逆的破坏。
（1）影响发酵温度的因素
a）产热因素：生物热和搅拌热。
b）散热因素：蒸发热和辐射热。
（2）温度对发酵的影响
a）影响各种酶的反应速率和蛋白质性质：温度过高，酶容易失活，表现为菌体易衰老，影响产物最终产量；
b）通过影响发酵液的物理性质，间接影响生物合成；
温度对发酵液物理性质的影响：影响氧在发酵液中的溶解度（温度上升，溶氧下降）；影响基质的分解和吸收速率（如：菌体对硫酸盐吸收在25℃时最小）。
c）影响微生物代谢调节及生物合成方向：温度与微生物的代谢调节机制关系密切；微生物的酶的组成和特性也受到温度的控制。
（3）最适温度选择
a）发酵周期：发酵初期选择最适生长温度；OD达到一定程度，选择最适发酵温度；
b）发酵条件：通气条件较差的情况下，最适发酵温度可能比良好通气条件下低一些，这是因为温度低时，氧溶解度相对大些，菌体生长速率相对小些，从而弥补了因通气不足而造成的代谢异常。
（4）苏氨酸前期持续高温影响：
无机氮升高且不容易下降，起泡沫较早，溶氧很低。
控制措施（夏季）：高于41.5℃可适当降糖控制，如果高于42℃可间歇停糖控制，每次停3-5min。（根据具体情况灵活调节）

第 4 页 共 4 页