发酵工艺:发酵过程控制的主要三大参数及检测方式

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发酵的相关参数

微生物发酵过程中,其代谢变化可通过各种状态参数反映出来。根据参数的性质特点,与微生物发醛有关的参数可分为物理参数、化学参数和生物参数三类

1物理参数

(1)温度
温度的高低与发酵过程的酶反应速率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率和产物合成速率等有密切关系。不同的菌种、不同产品、不同发酵阶段所维持的温度亦不相同
(2)压力
罐内维持正压可以防止外界空气中杂菌的侵入而避免污染,以保证纯种培养同时,罐压的高低还与氧和CO2在培养液中的溶解度有关,间接影响菌体的代谢。
(3)空气流量
空气流量是指每分钟内每单位体积发酵液通入空气的体积也称为通风比,是需氧发酵的控制参数。
(4)搅拌转速
对好氧性发酵,在发酵的不同阶段控制不同的转速,以调节华体会体育最新地址 中的溶解氧。搅拌转速是指搅拌器在发酵过程中的转动速度,通常以每分钟的转数来表示。它的大小与氧在发酵液中的传递速率和发酵液的均匀性有关。
(5)搅拌功率
指搅拌器搅拌时所消耗的功率,常指每立方米发酵液所消耗的功率。
(6)黏度
黏度大小可作为细胞生长或细胞形态的一项标志,也能反映发酵罐中菌丝分裂过程的情况,通常用表观黏度表示。它的大小可改变氧传递时的阻力,表示相对菌体浓度。
(7)料液流量
料液流量是控制流体进料的参数。

2化学参数

(1) pH值(酸碱度)
发酵液的pH值是发酵过程中各种生化反应的综合结果,它是控制发酵工艺的重要参数之一。pH值的高低与菌体生长和产物合成有着重要的关系。
(2)溶解氧浓度
溶解氧是需氧菌发酵的必备条件。
(3)基质含量
是指发酵液中糖、氮、磷等重要营养物质的浓度。它们的变化对生产菌的生长和产物的合成有着重要的影响,也是提高代谢产物产量的重要控制手段。因此,在发酵过程中,必须定时测定糖(还原糖和总糖)、氮氨基氮或铵氮)等基质的浓度。
(4)浊度
浊度是能及时反映单细胞生长状况的参数,对氨基酸、核苷酸等产品的生产是极其重要的。
(5)产物的浓度
产物的浓度是发酵产物产量高低或合成代谢正常与否的重要参数,也是决定发酵周期长短的根据。
(6)氧化还原电位
华体会体育最新地址 的氧化还原电位是影响微生物生长及其生化活性的因素之一。对不同的微生物,华体会体育最新地址 最适宜的电位与所允许的最大电位值,应与微生物本身的种类和生理状态相关。氧化还原电位常作为控制发酵过程的参数之一,特别是某些氨基酸发酵是在限氧条件下进行的,氧电极已不能精确使用,这时用氧化还原参数控制较为理想。
(7)废气中的氧和CO2含量
测定废气中的氧和CO2含量可以算出生产菌的呼吸商,从而了解生产菌的呼吸代谢规律。

3生物参数

(1)菌丝形态
丝状菌发酵过程中菌丝形态的改变是生化代谢变化的反映。常以菌丝形态作为衡量种子质量、区分发酵阶段、控制发酵代谢变化和决定发酵周期的依据之一。
(2)菌体浓度
菌体浓度是控制微生物发酵的重要参数之一,特别是对抗生素次级代谢产物的发酵。它的大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响,测定菌体浓度,具有重要的意义。菌体浓度与培养液的表观黏度有关,间接影响发酵液的溶解氧浓度。在生产上,常常根据菌体浓度来决定适合的补料量和供氧量,以保证生产达到预期的水平根据发酵液的菌体量和单位时间的菌体浓度、溶解氧浓度、糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值,即可分别算出菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速率、氮比消耗速率和产物比生成速率。这些参数也是控制生产菌的代谢、决定补料和供氧工艺条件的主要依据,多用于发酵动力学的研究。除上述外,还有跟踪细胞生物活性的其他化学参数,如NAD. NADH系、 ATP-ADP-AMP体系DNA, RNA、生物合成的关键酶等。

发酵过程参数的检测

工业发酵的目标是利用微生物最经济地获得高附加值产品,为实现此目标,人们采用许多办法,如菌种选育、华体会体育最新地址 改良、发酵条件的优化与控制等。其中,发酵参数的测定是发酵控制的重要依据。发酵过程参数的检测分为三种形式:原位检测、在线检测、离线检测。原位检测通过安装在发酵罐内的原位传感器直接对发酵液进行测量,对发酵过程不产生影响,常用于pH、溶解氧、罐压的测量。在线检测是利用连续的取样系统和相关的分析器相连,取得测量信号的参数检测方法,常用的分析仪器有各种传感器,如pH、溶解氧、温度、液位、泡沫等电极,以及尾气分析仪等。离线检测是指在一定的时间内离散取样,采用常规的化学分析法和自动的分析系统,在发酵罐外进行样品的处理和分析测定,如分光光度法、电位分析法、重量法、气相色谱法等。目前,除了温度、压力、pH、溶解氧、尾气等参数可利用自动检测系统进行在线检测外,多数化学和生物参数仍需要通过定时取样方法离线检测,如发酵液中的基质(糖类、脂类、盐等)、前.体和代谢产物(如酶、抗生素、有机酸和氨基酸等)以及菌量的检测主要还依赖人工取样,然后在罐外分析。

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