发酵工艺控制

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浅析红霉素发酵的工艺控制

作者：张睿祯

来源：《科技创新与应用》2014年第22期

摘 要：红霉素是日常生活中最常用的抗生素之一，它作为我公司重要的原料药，为我公司做出了巨大贡献。文章主要介绍了红霉素发酵过程中几个重要的控制参数和它们对发酵过程的作用及影响。

关键词：培养基；温度；PH；溶氧；发酵

红霉素是大环内酯类抗生素，由链霉素在无菌状态下纯种发酵所产生。它的发酵工艺有4个特殊要求：（1）种子质量要求高；（2）发酵过程要求严格的无菌操作；（3）需要不间断的通气搅拌；（4）发酵过程的分阶段控制。

发酵罐内部的代谢变化（含菌丝形态、菌浓、糖、氮含量、PH值、溶氧浓度和产物浓度等）比较复杂，受许多因素控制。各因素既相互影响，又相互制约。发酵的好坏会直接影响到产物的产量和质量。因此，要使发酵达到预期效果，就需要各方面严密配合、严格操作。文章主要谈谈影响红霉素发酵工艺的几个参数。

1 培养基的成分与作用

培养基的原材料有碳源、氮源、无机盐和水等。

（1）碳源。碳源是构成微生物细胞和代谢产物的物质基础，是红霉素发酵中使用的主要原料之一。生产中使用的碳源有碳水化合物（各种糖类），脂肪，有机酸等，公司日常生产中使用的主要有葡萄糖和淀粉。

（2）氮源。氮源是构成微生物细胞和代谢产物的营养物质，也是红霉素发酵中使用的主要原料之一。生产中常用的氮源包括有机氮源和无机氮源两种，有机氮源有黄豆饼粉、玉米浆、蛋白胨等；无机氮源有氨水、硫酸铵等。

（3）无机盐和微量元素。金属离子在低浓度时对微生物生理活性呈现刺激作用，在高浓度时表现出抑制作用，这要依据菌种的生理特性和发酵工艺条件来确定。

（4）水。水是培养基的主要组成部分，它既是构成菌体细胞的主要成分，也是营养物质传递的介质。水的质量对菌体生长繁殖和产物合成有着很重要的作用。

发酵工艺控制—— 二氧化碳对发酵的影响及控制

一、CO2对菌体生长和产物形成的影响

C02对菌体的生长有直接作用，碳水化合物的代谢及微生物的呼吸速率下降。大量实验表明，C02对生产过程具有抑制作用。

C02会影响产黄青霉菌的形态。研究者将产黄青霉菌接种到溶解C02浓度不同的培养基中，发现菌丝形态发生变化。C02分压0～8％时，菌丝主要是丝状；C02分压15％～22％，则膨胀，粗短的菌丝占优势；C02为0．08X10SPa时，则出现球状或酵母状细胞，致使青霉素合成受阻，其比生产速率降低40％左右。

C02对细胞作用机制是怎样的呢?二氧化碳及HCO3-都会影响细胞膜结构，它们分别作用于细胞膜的不同位点。C02主要作用在细胞膜的脂肪核心部位。HCO3-则影响磷脂，亲水头部带电荷表面及细胞膜表面的蛋白质。当细胞膜的脂质相中C02浓度达临界值时，使膜的流动性及表面电荷密度发生变化，这将导致许多基质的膜运输受阻，影响细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉”状态，细胞生长受到抑制，形态发生了改变。

二、C02浓度的控制

C02在发酵液中的浓度变化不像溶氧那样，没有一定的规律。它的大小受到许多因素的影响，如菌体的呼吸强度、发酵液流变学特性、通气搅拌程度和外界压力大小等因素。设备规模大小也有影响，由于C02的溶解度随压力增加而增大，大发酵罐中的发酵液的静压可达1X105Pa以上，又处在正压发酵，致使罐底部压强可达1.5X105Pa。因此C02浓度增大，如不改变搅拌转数，C02就不易排出，在罐底形成碳酸，进而影响菌体的呼吸和产物的合成。为了控制C02的影响，必须考虑C02在培养液中的溶解度、温度和通气情况。在发酵过程中，如遇到泡沫上升而引起“逃液”时，采用增加罐压的方法来消泡。但这样会增加C02的溶解度，对菌体生长是不利的。

C02浓度的控制应随它对发酵的影响而定。如果C02对产物合成有抑制作用，则应设法降低其浓度；若有促进作用，则应提高其浓度。通气和搅拌速率的大小，不但能调节发酵液中的溶解氧，还能调节C02的溶解度，在发酵罐中不断通人空气，既可保持溶解氧在临界点以上，又可随废气排出所产生的C02，使之低于能产生抑制作用的浓度。因而通气搅拌也是控制C02浓度的一种方法，降低通气量和搅拌速率，有利于增加C02在发酵液中的浓度；反之就会减小C02浓度。

发酵工艺控制——氧对发酵的影响及控制

来源：青岛海博《微生物工程》

在好氧深层培养中，氧气的供应往往是发酵能否成功的重要限制因素之一。通气效率的改进可减少空气的使用量，从而减少泡沫的形成和杂菌污染的机会。

一、溶解氧对发酵的影响

溶氧是需氧发酵控制最重要的参数之一。由于氧在水中的溶解度很小，在发酵液中的溶解度亦如此，因此，需要不断通风和搅拌，才能满足不同发酵过程对氧的需求。溶氧的大小对菌体生长和产物的形成及产量都会产生不同的影响。如谷氨酸发酵，供氧不足时，谷氨酸积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。

需氧发酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧高虽然有利于菌体生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。因为，为避免发酵处于限氧条件下，需要考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度，并使发酵过程保持在最适浓度。最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关，这是由实验来确定的。根据发酵需氧要求不同可分为三类：第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。

氨基酸合成的需氧程度产生上述差别的原因，是由它们的生物合成途径不同所引起的，不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，当然再氧化所需要的溶氧量也不同。第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，并不经TCA循环，NADH产量很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。由此可知，供氧大小是与产物的生物合成途径有关

浅谈发酵工艺的优化

【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