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【摘要】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。本文探讨了发酵条件的优化控制。
【关键词】发酵工艺;优化
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。
一. PH工艺的优化
1.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.
2.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.
3.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.
4.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。
5.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)
6.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.
7.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PHH.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.
二. 溶氧工艺的优化
1.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
2. 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。
3. 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。
4. 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,不易堵塞等 。
5. 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。
6. 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。
三.消毒(灭菌)工艺的优化
1、发酵液经过消毒会遭到很大的破坏,所以首先需要控制消毒前的PH,而后控制消毒时的温度和时间(非常重要,有时候对发酵指标又很大的影响),在VB12发酵中,消毒的质量可以直接影响发酵的水平,从消后的指标就几乎能得出放罐时的指标。所以必须控制消毒的温度和时间。
2、消毒的方式的不同对发酵影响也很大,一般分实消(间断消毒)和连消两种,连消的发酵液质量较好,但是对设备仪器要求恨严格。实消操作简单,但是控制也不容易,对发酵液破坏较大,因为它的升降温时间很长。对设备破坏较大。
3、采用螺旋板换热器连续消毒,很方便也很经济。它的原理和连消鞳相似,只是它靠板式换热,不和蒸汽直接接触,而且它的消毒蒸汽冷凝水可以回流到原培养基进口处加热培养基,可以节约成本。而且可以控制培养基的体积。但是对设备的要求很严格(为了保证无菌要求),很少的设备公司能够做好这样的设备。
4、发酵的补料消毒可以通过调节好PH的几种料一起进行消毒,节约成本,如果部分的发酵中对几种物料的利用按比例进行,而且这些物料不发生任何反应,这样消毒既可以调节浓度控制蒸发量,又可以节约能源,一举两得。
5、部分补料可以加入某种不溶物质,消毒后再分开。保证设备的干净和无菌等,例如油里面可以加入其他的易溶于水的物质等,消毒后分水时可以把它分开。
6、消毒在保证无菌的前提下,还要考虑经济、对培养基破坏情况、操作方便(节省维修时间人员等)、工艺改进等等。
四、补料分批培养(fed—batch culture简称FBC)
在分批培养过程中、间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法、与传统的分批集中补料培养相比、它有以下优点:
1.可以避免在分批发酵中因—次投料过多造成发酵液环境突变,造成菌丝大量生长等问题,改善发酵液流变等性质,使得发酵过程泡沫得以控制,节省消泡剂,并提高了装罐系数。
2.可以控制细胞质量,以提高芽抱的比例,并使pH得以稳定。
3.可以解除底物抑制,产物反馈抑制和分解阻遏。
4.可以使“放料和补料”方法得以实施。该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后,在发酵液体积测量监控下,放出一部分发酵液,同时连续补充部分新鲜营养液,实现连续带放、既有利于提高产物产量.又可降低成本,使得发酵指数得以大幅度提高。
5.利用FBC技术、可以使菌种保持最大的生产力状态.随着传感技术以及对发酵过程动力学理沦深入研究、用模拟复杂的数学模型使在线方式实最优控制成为可能。
五、种子罐工艺的优化
在采用种子罐和发酵罐二级发酵工艺生产过程中,由于种子罐装量系数较高,故移种时种子液无法被培养基有效地稀释,导致粘度高、移种时间长、菌丝长时间缺氧,極大地影响了菌丝的生长繁殖以及青霉素发酵生产.为有效地降低种子液的粘度,缩短移种时间,我们对种子罐发酵工艺进行了优化. 种子液为非牛顿液体,粘度主要取决于种子液的物质组成和菌丝形态.而种子液的物质组成取决于工艺,难以进一步优化.故只有通过有效地控制菌丝形态来降低种子液的粘度.我们通过优化搅拌工艺和通气工艺,控制了菌丝团直径,达到了降低种子液粘度和缩短50%移种时间的目的.
结束语;综上所述,为了提高产率,降低成本,必须不断进行发酵工艺的优化,同时,通过优化工艺过程,提高产物的纯净度。发酵工艺是古老的,又是年轻的,更是大有发展前途的。
【关键词】发酵工艺;优化
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。
一. PH工艺的优化
1.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.
2.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.
3.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.
4.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。
5.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)
6.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.
7.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PHH.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.
二. 溶氧工艺的优化
1.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
2. 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。
3. 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。
4. 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,不易堵塞等 。
5. 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。
6. 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。
三.消毒(灭菌)工艺的优化
1、发酵液经过消毒会遭到很大的破坏,所以首先需要控制消毒前的PH,而后控制消毒时的温度和时间(非常重要,有时候对发酵指标又很大的影响),在VB12发酵中,消毒的质量可以直接影响发酵的水平,从消后的指标就几乎能得出放罐时的指标。所以必须控制消毒的温度和时间。
2、消毒的方式的不同对发酵影响也很大,一般分实消(间断消毒)和连消两种,连消的发酵液质量较好,但是对设备仪器要求恨严格。实消操作简单,但是控制也不容易,对发酵液破坏较大,因为它的升降温时间很长。对设备破坏较大。
3、采用螺旋板换热器连续消毒,很方便也很经济。它的原理和连消鞳相似,只是它靠板式换热,不和蒸汽直接接触,而且它的消毒蒸汽冷凝水可以回流到原培养基进口处加热培养基,可以节约成本。而且可以控制培养基的体积。但是对设备的要求很严格(为了保证无菌要求),很少的设备公司能够做好这样的设备。
4、发酵的补料消毒可以通过调节好PH的几种料一起进行消毒,节约成本,如果部分的发酵中对几种物料的利用按比例进行,而且这些物料不发生任何反应,这样消毒既可以调节浓度控制蒸发量,又可以节约能源,一举两得。
5、部分补料可以加入某种不溶物质,消毒后再分开。保证设备的干净和无菌等,例如油里面可以加入其他的易溶于水的物质等,消毒后分水时可以把它分开。
6、消毒在保证无菌的前提下,还要考虑经济、对培养基破坏情况、操作方便(节省维修时间人员等)、工艺改进等等。
四、补料分批培养(fed—batch culture简称FBC)
在分批培养过程中、间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法、与传统的分批集中补料培养相比、它有以下优点:
1.可以避免在分批发酵中因—次投料过多造成发酵液环境突变,造成菌丝大量生长等问题,改善发酵液流变等性质,使得发酵过程泡沫得以控制,节省消泡剂,并提高了装罐系数。
2.可以控制细胞质量,以提高芽抱的比例,并使pH得以稳定。
3.可以解除底物抑制,产物反馈抑制和分解阻遏。
4.可以使“放料和补料”方法得以实施。该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后,在发酵液体积测量监控下,放出一部分发酵液,同时连续补充部分新鲜营养液,实现连续带放、既有利于提高产物产量.又可降低成本,使得发酵指数得以大幅度提高。
5.利用FBC技术、可以使菌种保持最大的生产力状态.随着传感技术以及对发酵过程动力学理沦深入研究、用模拟复杂的数学模型使在线方式实最优控制成为可能。
五、种子罐工艺的优化
在采用种子罐和发酵罐二级发酵工艺生产过程中,由于种子罐装量系数较高,故移种时种子液无法被培养基有效地稀释,导致粘度高、移种时间长、菌丝长时间缺氧,極大地影响了菌丝的生长繁殖以及青霉素发酵生产.为有效地降低种子液的粘度,缩短移种时间,我们对种子罐发酵工艺进行了优化. 种子液为非牛顿液体,粘度主要取决于种子液的物质组成和菌丝形态.而种子液的物质组成取决于工艺,难以进一步优化.故只有通过有效地控制菌丝形态来降低种子液的粘度.我们通过优化搅拌工艺和通气工艺,控制了菌丝团直径,达到了降低种子液粘度和缩短50%移种时间的目的.
结束语;综上所述,为了提高产率,降低成本,必须不断进行发酵工艺的优化,同时,通过优化工艺过程,提高产物的纯净度。发酵工艺是古老的,又是年轻的,更是大有发展前途的。