各工藝條件對發(fā)酵的影響(一).doc

各工藝條件對發(fā)酵的影響發(fā)酵條件控制的目的就是要為生產(chǎn)菌創(chuàng)造一個最適的環(huán)境，使我們所需要的代謝活動得以最充分的表達，積累更多的代謝產(chǎn)物。影響L-蘇氨酸產(chǎn)量的因素有很多，如培養(yǎng)基、溫度、pH、溶氧等。1、培養(yǎng)基對發(fā)酵的影響：發(fā)酵培養(yǎng)基必需滿足微生物的能量、元素及特殊養(yǎng)分的需求：碳源、氮源、無機鹽類、生長因子等。（1）碳、氮、磷的平衡：C/N直接影響菌體的生長和代謝，如果C/N偏?。ǖ簇S富），會導致菌體生長過剩，易造成菌體提前衰老自溶； C/N過大，菌體繁殖數(shù)量少，發(fā)酵密度低，細菌代謝不平衡，不利于產(chǎn)物的積累。磷是核酸與磷脂的成分，組成高能磷酸化合物及許多酶的活性基，磷不足影響菌體生長。在代謝方面，適量磷有利于糖代謝的進行；磷酸根在能量代謝中起調(diào)節(jié)作用。另外，在一定范圍內(nèi)，磷酸鹽對培養(yǎng)基pH值的變化起緩沖作用。（2）基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響：低濃度有誘導作用（遲滯期產(chǎn)生各種酶），高濃度會起分解代謝物阻遏作用；培養(yǎng)基過于豐富，會使菌體生長過盛，發(fā)酵液黏稠，影響傳質(zhì)。（3）碳源的種類和濃度對發(fā)酵的影響：碳源的種類對發(fā)酵的影響主要取決于其性質(zhì)，即快速利用的碳源（速效碳源）和緩慢利用的碳源（遲效碳源）。速效碳源（如葡萄糖）能較快地參與微生物的代謝，合成菌體、產(chǎn)生能量、合成代謝產(chǎn)物等；遲效碳源（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將其分解成小分子物質(zhì)，因此菌體利用緩慢。速效碳源（葡萄糖）的特點：優(yōu)點：吸收快，利用快，能迅速參加代謝合成菌體和產(chǎn)生能量。缺點：有的分解代謝產(chǎn)物對產(chǎn)物的合成會產(chǎn)生阻遏作用。碳源的濃度對菌體的生長和產(chǎn)物的合成有著明顯的影響。以葡糖糖為例，它對糖代謝中的一個關(guān)鍵酶葡糖糖氧化酶（GOD）的形成具有雙重效應，即低濃度下有誘導作用，而高濃度下有分解代謝產(chǎn)物阻遏效應。為避免初始培養(yǎng)基中滲透壓過高，一般采用中間補糖的方法控制碳源濃度。發(fā)酵過程中補糖過量，碳代謝流在糖酵解途徑中過量，必須分解部分氧化副產(chǎn)物（如乙酸、乳酸、其它氨基酸等）來維持碳代謝流平衡，易造成碳源浪費，糖酸轉(zhuǎn)化率低。同時，因補入糖造成pH下降，為維持平衡補氨量增多，而菌體利用有限，極易造成無機氮升高，對菌體產(chǎn)生不良影響。補糖量不足，菌體生長、產(chǎn)物合成受限。尤其是對數(shù)生長期，缺糖還會造成菌體過早衰老，后期活力低，產(chǎn)酸下降。（4）氮源的種類和濃度對發(fā)酵的影響無機氮源或以蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物形式存在的有機氮源可以直接被菌體吸收利用，這種氮源叫做速效氮源，反之為遲效氮源。前者包括氨基態(tài)氮的氨基酸或者銨鹽形式的硫酸銨和玉米漿等，后者包括黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉等。速效氮源易于被菌體吸收利用，所以有利于菌體生長，卻會影響某些產(chǎn)物的的產(chǎn)量；遲效氮源對延長次級代謝產(chǎn)物的分泌期、提高產(chǎn)物產(chǎn)量有好處，但一次性投入容易使養(yǎng)分過早耗竭，導致菌體過早衰老自溶，從而縮短產(chǎn)物分泌期。因此，發(fā)酵培養(yǎng)基一般選用含有速效、遲效氮源的混合氮源。對某些發(fā)酵過程來說，培養(yǎng)基中某些氮源的添加有利于該發(fā)酵過程中產(chǎn)物的積累，這些主要是培養(yǎng)基中的有機氮源作為菌體生長繁殖的營養(yǎng)外，還能作為產(chǎn)物的前體。無機氮源利用會快于有機氮源，但是常會引pH值的變化，這必須注意隨時調(diào)整。2、pH對發(fā)酵的影響發(fā)酵過程中發(fā)酵液的pH值是微生物在一定環(huán)境條件下代謝活動的綜合指標，是一項重要的發(fā)酵參數(shù)。它對菌體的生長和產(chǎn)品的積累有很大的影響。發(fā)酵液pH值對發(fā)酵的影響（1）pH值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響a）影響酶的活性：酶需在最適的pH值環(huán)境中工作；當pH抑制菌體中某些酶的活性時，使菌體的新陳代謝受阻；b）影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，從而改變細胞膜的滲透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄，因此影響代謝的正常進行；c）影響培養(yǎng)基某些組分和中間代謝產(chǎn)物的離解，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用；d）pH不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。以蘇氨酸發(fā)酵為例，當pH持續(xù)偏低時，菌體生長和產(chǎn)物合成均受到一定抑制。（2）引起pH下降的因素a）碳源過量特別是葡萄糖過量，或中間補糖過多，加之溶氧不足，致使有機酸大量積累而使pH下降；b）消泡劑添加過量；c）生理酸性物質(zhì)的存在（硫酸銨）；d）發(fā)酵過程中補氨不足（液氨壓力較低，或液氨靠罐閥開度較小，或補氨自控開閥時間和比例設(shè)置不合理等）。e）發(fā)酵初期、種子罐中后期因代謝旺盛，離線測定pH時會隨取樣時間長短導致pH不同程度下降。（3）引起pH上升的因素a）氮源過多，氨基氮釋放；b）生理堿性物質(zhì)的存在（如硝酸鈉）；c）發(fā)酵過程中補氨過多（液氨壓力較高，或液氨靠罐閥開度較大，或補氨自控開閥時間和比例設(shè)置不合理等）；罐中進液氨；d）缺糖；e）菌體自溶。3、溶氧對發(fā)酵的影響蘇氨酸發(fā)酵為好氣發(fā)酵，發(fā)酵過程中需要適量的溶解氧以維持其呼吸代謝和產(chǎn)物合成（基因工程菌相對于野生菌需氧量更大）。（1）溶氧對發(fā)酵的影響a）溶氧不足：基因工程菌質(zhì)粒體丟失；呼吸受限，菌體量少，活力低；代謝途徑改變，產(chǎn)生乙酸、乳酸、其他氨基酸等副產(chǎn)物；b）溶氧過高：破壞細胞組分；糖趨于完全氧化，糖酸轉(zhuǎn)化率下降。發(fā)酵后期溶氧過高可能會造成代謝異常，菌體提前自溶。（2）發(fā)酵過程溶氧的變化a）發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時需氧超過供氧，溶氧明顯下降；b）發(fā)酵中后期：溶氧濃度明顯受工藝控制手段的影響，如補糖量、風量、罐壓等；c）發(fā)酵后期：由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會明顯上升。（3）溶氧的控制a）調(diào)節(jié)通風量、罐壓與攪拌（有限措施）；b）限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度，使發(fā)酵罐內(nèi)的生物體濃度維持于適當水平；并以補料方式供給某些營養(yǎng)成分而控制菌體生長率和呼吸率。（4）引起溶氧異常下降的可能原因：a）污染了好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗，可能在短時間內(nèi)（一般25h內(nèi)）使溶氧接近到零，并長時間不回升；b）菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧量增加，使溶氧下降；c）某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，如攪拌功率消耗變小或攪拌速度變慢，影響供氧能力，使溶氧降低。d）高溫影響。4、溫度對發(fā)酵的影響微生物的生長和產(chǎn)物的合成都是在各種酶催化下進行的，溫度是保證酶活性的重要條件，因此在發(fā)酵系統(tǒng)中必須保證穩(wěn)定而合適的溫度環(huán)境。通常在生物學范圍內(nèi)每升高10，生長速度就加快一倍，溫度直接影響其生長。菌體的重要組成如蛋白質(zhì)、核酸等都對溫度較敏感，隨著溫度的增高有可能遭受不可逆的破壞。（1）影響發(fā)酵溫度的因素a）產(chǎn)熱因素：生物熱和攪拌熱。b）散熱因素：蒸發(fā)熱和輻射熱。（2）溫度對發(fā)酵的影響a）影響各種酶的反應速率和蛋白質(zhì)性質(zhì)：溫度過高，酶容易失活，表現(xiàn)為菌體易衰老，影響產(chǎn)物最終產(chǎn)量；b）通過影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響生物合成；溫度對發(fā)酵液物理性質(zhì)的影響：影響氧在發(fā)酵液中的溶解度（溫度上升，溶氧下降）；影響基質(zhì)的分解和吸收速率（如：菌體對硫酸鹽吸收在25時最?。）影響微生物代謝調(diào)節(jié)及生物合成方向：溫度與微生物的代謝調(diào)節(jié)機制關(guān)系密切；微生物的酶的組成和特性也受到溫度的控制。（3）最適溫度選擇a）發(fā)酵周期：發(fā)酵初期選擇最適生長溫度；OD達到一定程度，選擇最適發(fā)酵溫度；b）發(fā)酵條件：通氣條件較差的情況下，最適發(fā)酵溫度可能比良好通氣條件下低一些