发酵工艺优化方法与思路---现代发酵调控策略

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发酵工艺优化方法与思路---现代发酵调控策略

发酵是细胞大规模培养技术中最早被人们认识和利用的。发酵技术在医药、轻工、食品、农业、环保等领域的广泛应用，使这一技术在国民经济发展中发挥着越来越重要的作用。
　　为了提高发酵生产水平，人们首先考虑的是菌种的选育或基因工程的构建。而实际上，发酵工艺的优化，包括生物反应器中的工程问题，也同样非常重要。
　　发酵环境条件的优化
  发酵环境条件的优化是发酵过程中最基本的要求，也是最重要、最难掌握的技术指标。

温度、pH值、溶氧、搅拌转速、氨离子、金属离子、营养物浓度等的优化控制

，依据不同的发酵而有所不同。同时，微生物在生长的不同阶段、生产目的代谢产物的不同时期，对环境条件可能会有不同的要求。因此，应该在生物反应器内，使温度、pH值、溶氧、搅拌转速等不断变换，始终为其提供最佳的环境条件，以提高目的产物的得率。
　　在发酵放大实验中，一般都很注重寻找最佳的培养基配方和最佳的温度、pH值、溶氧等参数，但往往忽视了细胞代谢流的变化。例如：在溶解氧浓度的测量与控制时，关心的是最佳氧浓度或其临界值，而不注意细胞代谢时的摄氧率；用氨水调节pH值时，关心的是最佳pH值，却不注意添加氨水时的动态变化及其与其他发酵过程的参数的关系，而这些变化对细胞的生长代谢却非常重要。
　　基于此，华东理工大学的张嗣良提出了“以细胞代谢流分析与控制为核心的发酵工程学”的观点。他认为，必须高度重视细胞代谢流分布变化的有关现象，研究细胞代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性，高度重视细胞的生长变化，尽可能多地从生长变化中做出有实际价值的分析，进一步建立细胞生长变量与生物反应器的操作变量及环境变量三者之间的关系，以便有效控制细胞的代谢流，实现发酵过程的优化。
　　补料分批发酵技术该技术可以有效地减少发酵过程中培养基黏度升高引起的传质效率降低、降解物的阻遏和底物的反馈抑制的现象，很好地控制代谢方向，延长产物合成期和增加代谢物的积累。
　　所需营养物限量的补加，常用来控制营养缺陷型突变菌种，使代谢产物积累到最大。氨基酸发酵中采用这种补料分批技术最普遍，实现了准确的代谢调控。
　　超声波的应用超声波有很强的生物学效应。可应用于发酵过程的上、中、下游三个阶段。其在发酵工艺上的应用，可增加细胞膜的通透性和选择性，促进酶的变性或分泌，增强细胞代谢过程，从而缩短发酵时间，改善生物反应条件，提高生物产品的质量和产量。
　　超声波的作用机制分为热作用、空化作用和机械传质作用。热作用是超声波在介质内传播过程中，能量不断被介质吸收而使介质的温度升高的一种现象，可用于杀菌或使酶失活。空化作用是超声波在介质中传播时，液体中分子的平均距离随着分子的振动而变化。当其超过保持液体作用的临界分子间距，就形成空化（空泡）。空泡内可产生瞬间高温高压并伴有强大的冲击波或射线流等，这足以改变细胞的壁膜结构，使细胞内外发生物质交换。机械传质作用是超声波在介质中传播时，可使介质质点进入振动状态，加速发酵液的质量传递，提高发酵过程的反应速度。
　　超声波可广泛应用于生物发酵工程。不同频率和强度的超声波对发酵过程的作用是不同的，使用时应视具体的发酵工艺和使用条件进行选择。
　　增加前体物的合成增加目的产物的前体物的合成或是直接添加前体物，均有利于目的产物的大量积累。如：在氨基酸的发酵中，通常在微生物的培养中加入前体，生产氨基酸；在花生四烯酸的发酵中，通过增加前体物或是加强糖代谢的途径，增加其前体物的合成，均有助于提高花生四烯酸的产量。
　　去除代谢终产物改变细胞膜的通透性，把属于反馈控制因子的终产物迅速不断地排出细胞外，不使终产物积累到可引起反馈调节的浓度，即可以预防反馈控制。
　　发酵工艺优化的方法有很多，它们之间不是孤立的，而是相互联系的。在一种发酵中，往往是多种优化方法的结合，其目的就是要控制发酵，按照自己的设计，生产出更多、更好的产品

1.   PH工艺的优化
A.配料中的PH很重要,其中有配前PH,配后PH,消前PH,消后PH,接种前PH,工艺控制PH等,配前PH,配后PH,可以用来检测厡材料的质量,初步估计配料的情况,如果出了错误,有时候可以从PH中的变化看出来,能够减少错误的发生.
B.另外,每次有新的配方我们总是要用PH方法检测其中的每种厡材料是否会和其他的发生反应,可以互相两两混合,检测PH的变化,也可以用来作为配微量元素的检测.
C.消前PH可以用来减少消毒过程对培养基的破坏,因为培养基在消毒中会有PH的变化,在不同的PH条件下对培养基破坏也不一样,因此可以在消毒的时候选择合适的PH,消毒完后可以调节过来,这样一来可以对PH敏感的一些原材料减少破坏,这种方法在生产中已经取得了初步的成绩,提高了指标.
D.工艺控制的PH,在发酵的产抗期间,通过在不同的发酵时间调整不同的PH,可以减少杂质的产生,同时还可以缓解溶氧,比如在头孢发酵中,通过在后期调整PH可以减少DCPC的含量,给提取工序带来很大的好处,
E.补料罐通过PH的调节可以更好的通过流加物料而不影响发酵.(部分发酵在不同时期的PH有所不同,所以通过补料罐的调整可以对发酵指标有所提高)
F.发酵过程中的PH调节可以通过各种方法,不一定要添加氨水和氢氧化钠,可以添加玉米桨等其他的物料来进行调节.
G.控制放罐时的PH可以对后面的过滤有所影响,所以一定要控制好放罐前的PH
H.绘制种子瓶和种子罐以及发酵罐等整个发酵过程的PH生长曲线,可以用来参考控制工艺,检测无菌情况的发生

溶氧工艺的优化
A.影响溶氧的条件有：温度、通气量、发酵液性质、物料的性质、补料的情况、压力、搅拌的形式、设备的各种参数、菌丝本身的情况、染菌等等
b. 控制好的溶氧要从各个方面分析入手，比如说，在不同的周期要调整各种影响溶氧的条件顺序就不一样，前期可以调整通气量，罐压然后温度，经搅拌等对生产指标影响不大，但是在发酵后期则要注意：如果你的军种和产物的生产对温度敏感的话，则需要最后调整温度，如果对压力或者二氧化碳敏感的话则最后再调整压力。其他的情况一样。也可以通过顺序调整来节省成本。
c. 搅拌的形式很多，我们试过很多的形式，根据设备的不同选型有所不同，但是必须要根据你的发酵液的性质和电机的功率等进行选择。这方面在发酵设备这本书上有详细的描述。注意一点是：搅拌的选择要注意它的接口和缝隙，避免染菌。
d. 空气分布器可以根据设备的情况进行设计，保证它和物料的混合度达到最大当然最好。不过一定要考虑它对染菌的影响。以及对其进行清洗的方便和消毒的方便，不易杜塞等 。
e. 通过补料可以缓解溶氧，尤其是你的部料成分对发酵后其有很大影响的时候，通过合适的补料时间和补料量的控制可达到提高发酵指标的效果。具体问题具体分析了！
f. 通气量的控制可以根据菌丝的ph 的变化和溶氧计的测量进行控制，同时可以根据补料量 的多少进行控制，这些均可以作为调整溶氧的参考依据。

pH的控制及优化
要根据试验结构来确定菌体生长最适pH和产物生产最适pH，分不同阶段分别控制pH，已达到最佳生产。
（1）培养基配方考虑。含有产酸物质如葡萄糖和硫酸铵、产碱物质如尿素和硝酸铵均衡使用及缓冲剂如碳酸钙和磷酸盐缓冲液等，碳氮比平衡。碳酸钙与酮酸反应起到了缓冲作用，因此碳酸钙的用量很重要，在分批培养中，常用碳酸钙控制pH变化。然而这种调节能力非常有限，有时达不到要求。
（2）酸碱调节。以前常用加酸如硫酸和碱氢氧化钠来控制，虽然效果好，但对菌体的伤害很大，因此现在常用生理酸性物质如硫酸铵和生理碱性物质氨水来控制，不仅调节了pH，还补充了氮源。当pH和氮含量低时，补充氨水；pH较高和氮含量低时，补充硫酸铵。一般用压缩氨气或工业氨水（浓度20％左右）进行通氨，采用少量间歇或少量自动流加，避免一次加入过量造成局部偏碱。
（3）补料流加控制。目前采用补料方法调节pH是成功的，一种是直接补加酸碱物质，如在氨基酸和抗生素发酵中，补加尿素。另一种方法是通过控制代谢途径的策略实现pH控制，在青霉素的发酵中，通过控制加糖率来控制pH在的补料工艺中成功应用，提高产量25％。优越于衡速度加糖，酸碱控制pH。
（4）提高通气量。加速脂肪酸代谢也可以补偿pH变化。

pH的影响   pH的影响   pH对微生物生长的影响很明显，pH不当，将严重影响菌体生长和产物合成。   不同生物的最适生长pH和最适生产pH不同。大多数抗生素生产的微生物生长的pH为3－6，最大生长速率的pH变化范围为0.5－1.0。   生物对p   pH对生长代谢和产物生成的影响在于：（1）改变了细胞膜的透性，影响了物质的吸收和产物的分泌；(2)改变了H有一定的忍耐性，超出一定范围，则死亡。酵母的下限为2.5，其他生物上限为8.5。   生长范围与忍耐限度：放线菌和细菌分别为6.5－7.5和5－8.5；酵母为4－5和3.5－7.5；霉菌为5－7和3－8.5。   生长与生产阶段不同，链霉素和红霉素为中性偏碱，6.8－7.3；金霉素和四环素，5.9－6.3；青霉素6.5－6.8。细胞形态结构，影响了酶的电荷性和结构，进而影响酶的活性，影响了产物的稳定性。pH对菌体和产物合成影响很大，维持最适pH已成为生产成败的关键因素之一。      pH的变化   发酵液的pH变化是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果，它与菌种、培养基和发酵条件有关。菌种本身对pH有一定的自我调节能力，培养基成分利用后，往往产生有机酸，如丙酮酸、乳酸、乙酸等积累，使pH下降。   培养过程中菌体对碳源、氮源物质的利用也是造成培养体系pH变化的重要原因。   当培养基中不添加糖类物质时，细菌会以水解酪蛋白，即氨基酸或者短肽为碳源，该过程包括氨基酸的脱氨过程和脂肪酸的吸收利用过程。   由于脂肪酸的利用速度大于氨的吸收速度，而脂肪酸的吸收伴随质子的吸收，氨的吸收伴随质子的释放，所以以水解酪蛋白为碳源的发酵过程必然伴随着培养基的碱化。   若培养基添加糖类物质，糖和水解酪蛋白成为竞争性碳源，菌体优先利用糖类，从而抑制水解酪蛋白的碳源作用。   糖类的吸收利用不引起pH的升高，甚至在缺氧条件下的无氧呼吸还可以引起pH的下降，因此糖类物质的存在抑制了吸收利用水解酪蛋白时引起的培养液pH升高，甚至出现酸化现象。   在碳源竞争吸收过程中，糖类物质越容易被菌体吸收，对培养液碱化的抑制作用就越强。补加糖的培养基，在发酵结束时pH都比不添加糖的培养液低，甚至出现酸化现象。