发酵工艺:发酵过程中微生物发酵终点的判断

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微生物发酵终点的判断对提高产物的生产能力和经济效益很重要。生产能力是指单位时间内单位罐体积的产物积累量。生产过程要将追求生产力和产品成本结合起来,既要有高产量,又要降低成本。
无论是初级代谢产物还是次级代谢产物发酵,到了发酵末期,菌体的分泌能力都要下降,产物的生产能力相应下降或停止。有的菌体衰老而进入自溶,释放出体内的分解酶会破坏已经形成的产物。 因此,需要考虑以下几个因素来确定合理的放罐时间。

经济因素

发酵时间需要考虑经济因素,即以最低的综合成本来获得最大生产能力的时间为最适发酵时间。在实际生产中,以发酵周期缩短、设备利用率提高,即使不是最高产量,但在除去消耗和费用支出后的综合成本最低,为最合理发酵时间。

产品质量因素

发酵时间长短对后续工艺和产品质量有很大的影响。如果发酵时间太短,必有过多尚未代谢的营养物质(如可溶性蛋白、脂肪等)残留在发酵液中。这些物质对下游操作的分离纯化等工序都不利。如果发酵时间太长,菌体会自溶,释放出菌体蛋白或体内水解酶,又会显著改变发酵液的性质,增加过滤工序的难度,甚至使一些不稳定的活性产物遭到破坏。所有这些都可能导致产物的质量下降及产物中杂质含量的增加,故要考虑发酵周期长短对分离纯化工序的影响。

特殊因素

在个别发酵情况下,还要考虑特殊因素。例如,对老品种的发酵,已掌握了它们的放罐时间,在正常情况下,可根据作业计划按时放罐。但在异常惰况下,如染菌、代谢异常(糖耗缓慢等)时,就应根据不同情况进行适当处理。为了能够得到尽量多的产物,应该及时采取措施(如改变温度或补充营养等),并适当提高或者拖后放罐时间。

合理的放罐时间是由实验确定的,即根据不同发酵时间所得到的产物量计算出发酵罐的生产能力和产品成本,采用生产力高而成本低的时间作为放罐时间。

不同的发酵类型要求达到的目标不同,因而对发酵终点的判断标准也不同。

一般来说,对于发酵产品,当原材料成本是整个产品成本的主要部分时,所追求的是提高产物得率;当生产成本是整个产品成本的主要部分时,所追求的是提高生产率和发醇系数;当下游技术成本占整个产品成本的主要部分,而产品价格又较贵时,追求的是高的产物浓度。因此,计算放罐时间还应考虑体积生产率〔每升发酵液每小时形成的产物量)和总生产率(放罐时发酵单位除以总发酵生产时间)。这里,总发酵生产时间包括发酵周期和辅助操作时间。这就要求在产物合成速率较低时放罐,以缩短发酵周期,而延长发酵时间虽然略能提高产物浓度,但生产率下降,水电等消耗大,成本反而提高。

放罐过早,会残留过多的养分(如糖、脂肪、可溶性蛋白),对分离纯化不利(这些物质能增加乳化作用,干扰树脂的交换作用);放罐过晚,菌体自溶,会延长过滤时间,还会使产品的数量降低(有些抗生素单位下跌),扰乱分离纯化作业计划。补料可根据糖耗速度计算到放罐时允许的残留量来控制。而一般判断放罐的主要指标有产物浓度、氨基氮、菌体形态、pH值、培养液的外观、黏度等因素。放罐时间可根据作业计划进行,但在异常发酵时,就应当机立断,以免倒罐。而对于新产品发酵,更需摸索合理的放罐时间。总之,发酵终点的判断需要综合分析考虑各方面的因素。

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