生物制药发酵过程控制

发酵过程温度的控制
• 最适发酵温度的选择—变温发酵 • 在生产上，为了使发酵温度控制在一定的范围， 常在发酵设备上装有热交换设备，例如采用夹套 、排管或蛇管进行调温，冬季发酵时空气还需要 进行加热。
发酵过程pH的调控
• 微生物的生长繁殖或产物的合成往往需要一定的 pH pH环境，在最适pH值下有利于加快各种酶的反 pH 应。因此在整个发酵过程中应使培养基的pH适 合于微生物生长或产物合成所需。
pH值的控制方法
• 1. 在配制培养基时考虑所用营养物质的组成成分 ，使其pH值适合该微生物生长或合成代谢产物的 需要。 • 2. 在发酵过程中根据pH值的变化可用流加氨水的 方法来解决。同时又把氨水作为氮源来供给。
• 3. 控制pH最常用的方法是在培养基中添加具有 一定缓冲能力的物质作为营养物，如以磷酸盐作 为磷的成分；避免使用容易产生生理酸性或碱性 物质，如生理酸性铵盐作为氮源，由于NH4+被利 用后剩余大量酸根，引起发酵液的pH值下降。
• 化学法：发酵工业常用的消泡剂，有各种天然的动 化学法： 动 植物油及来自石油化工生产的矿物油 改性油 表 矿物油、改性油 植物油 矿物油 改性油、表 面活性剂等。而新型的有机硅聚合物 硅油 硅树 有机硅聚合物如硅油 面活性剂 有机硅聚合物 硅油、硅树 脂等，具有效率高、用量省、无毒性、无代谢性是 一类有发展前途的消泡剂。 • 泡沫的控制除了添加消泡剂外，改进培养基成分也 是相辅相成的一个重要方面。
种子带菌的原因及防止
带菌的原因 • 无菌室的无菌条件不符合要求 • 培养基灭菌不彻底 • 操作不当 • 种子带杂菌是发酵前期染菌的原因之一。在每 次接种后应留取少量的种子悬浮液进行平板、 肉汤培养，检查种子中是否带杂菌。
对种子培养基染菌的处理
一般均应灭菌后坚决弃去，并对接触过的 设备，管道全部灭菌，加长灭菌时间等。
空气带菌及其控制
• 空气过滤器效能下降：过滤介质松动、老化、吸 潮 • 肉汤平板检测无菌空气质量 • 通过定期检查管件，更换过滤介质和加强检修
发酵设备、管件的渗漏、 发酵设备、管件的渗漏、死角
对于设备的灭菌主要是为了避免“死角”和渗漏。 常见的“死角” A、法兰连接的死角 发酵工厂的管路要保持光滑、通畅、密封性好， 以避免和减少管道染菌的机会。
菌龄、接种量与菌浓的控制
• 种子培养期应取菌种的对数生长期为宜，菌种 过嫩或过老，不但延长发酵周期，而且会降低 产量。 • 接种量的大小直接影响发酵周期。
Fra Baidu bibliotek
温度对发酵过程的影响及控制
• 任何微生物的生长都需要有最适的生长温度，在 此温度范围内微生物生长繁殖最快。 • 如果所培养的微生物能承受稍高一些的温度 微生物能承受稍高一些的温度进行 微生物能承受稍高一些的温度 生长和繁殖，这对生产有很大的好处，即可减少 污染杂菌的机会，也可以减少夏季培养所需降温 的辅助设备，因此培养耐高温的菌种有一定的生 产现实意义。
发酵过程对泡沫的控制
• 机械法 机械法：靠机械强烈振动和压力的变化，促使气 泡破裂，或借助机械力将排出气体中的液体加以 分离回收，达到消泡作用。 • 优点 优点：不需在发酵液中加入其它物质，减少了由 于加入消泡剂所引起的染菌机会和对后继分离工 艺的影响。 • 缺点 缺点：效果不如化学消泡迅速、可靠、不能根本 上消除引起稳定泡沫的因素，同时它还需要设备 和消耗动力。
化学消泡剂应具备以下特点： 化学消泡剂应具备以下特点： • 是表面活性剂，消泡作用迅速有效； • 具有一定的亲水性，使消泡剂对气－液界面的分散 系数足够大，从而迅速发挥消泡活性； • 在水中的溶解度必须小，以保持持久地消泡或抑泡 性能； • 无毒； • 不影响氧在发酵液中的溶解和传递； • 来源方便、广泛、价格便宜。
发酵工艺过程的检测与控制
发酵罐的结构
发酵过程的主要控制参数与检测
物理参数 温度 罐压 搅拌 通气量 黏度 流加速度 化学参数 pH 基质浓度 溶解氧 氧化还原电位 尾气 产物浓度 生物参数 菌丝形态 菌丝浓度
一：杂菌检测与污染控制
染菌的危害： 染菌的危害：
1）分解产物 2）污染产品 3）抑制生产菌的生长和代谢的产生 4）影响产物的提取率
• 由于依赖获得能量的代谢方面的差异，微生物对氧 的需要也存在不同。好气菌主要是有氧呼吸，厌气 菌为厌气发酵，兼性厌气菌则两者兼而有之。 • 不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对溶解氧 的要求也不相同。
溶解氧的控制
（1）增加氧推动力： • 改变通气速率，加大通气流量 • 通入纯氧 • 提高罐压
（2）控制搅拌 • 搅拌能使氧气更好地与培养液混合，保证氧的 最大限度溶解; • 搅拌有利于热交换，使培养液的温度一致; • 还有利于营养物质和代谢物的分散; • 此外，挡板则有助于搅拌，使其效果更好。
（5）流加培养基
• 某些菌种培养过程中，如需控制溶解 氧上升，可适当补充培养基，使菌体 生长代谢，加大氧消耗。
CO2的影响及其控制
• CO2能刺激和抑制菌体生长，是大肠杆菌某些突 变株的生长因子。 • 高浓度的CO2会使菌体细胞变形，CO2浓度从8% 提高到15%-22%，产黄青霉菌丝由丝状变成膨大 15%-22% 的短粗状，CO2浓度进一步提高时，菌丝变成球 状，青霉素合成受阻。 • 高浓度CO2抑制菌体的糖代谢和呼吸速率 • CO2对次级代谢产物的合成可能具有调控作用
• 一般来说，若发酵罐深，搅拌转速大，通气管开孔 小，气泡在培养液内停留时间就长，氧的溶解速度 就大，而且在这些因素确定的情况下，培养基的粘 度越小，氧的溶解速度也越大。 • 搅拌可以提高通气效果，但是过度地剧烈搅拌会导 致培养液大量涌泡，容易增加杂菌污染的机会，微 生物细胞也不宜剧烈搅拌。
（3）增加传氧中间介质 • 如烃类石蜡、甲苯基含氟碳化物 • 近年来，有将细菌的血红蛋白基因转入微生物中 ，及时增加了菌体内对低浓度氧的利用 （4）控制菌体浓度 • 如菌体浓度过高，超出设备的供氧能力，可降低 发酵温度，抑制微生物的呼吸和生长，减少对氧 的需求
3.通过发酵的生理生化指标检查 通过发酵的生理生化指标检查
在实际生产中可以根据以下参数的异常变化 来判断是否染菌。结合计算机控制，建模后，可 以及早发现与预测是否染菌。
• 降糖速度 • 产酸速度， pH值 产酸速度， 值 • 溶解氧 • 光密度 • 排气中 排气中CO2含量 • 产物含量 • O2的消耗
原料染菌的防治
原因： 原因：一方面，蒸汽压力不足、灭菌时间不够； 另一方面，设备制作或安装不当，蒸汽不能到达 ，造成灭菌死角。
措施： 措施： • 对于液体原料：采用连消方式 • 对颗粒状淀粉质原料或者小发酵罐，采用实消为 好。而且升温时需搅拌。
泡沫问题
培养基中含有较多量的黄豆饼粉 花生粉 黄豆饼粉、花生粉 黄豆饼粉 花生粉或 蛋白胨等成分时，在灭菌时这种培养基就容易产 蛋白胨 生泡沫。泡沫严重时会上升到罐顶甚至逃液，此 时操作就比较困难。实践证明：灭菌时泡沫严重 的，就不易灭透。所以在发生泡沫时应加以清除 (加消泡剂和在操作上予以控制)。
• 影响培养基的pH值 • 与金属离子如钙、镁等反应生成盐沉淀 • 尾气分析--呼吸熵（Respiratory quotient, RQ）
CO2生成速率 RQ = O2消耗速率 • 正常情况下，呼吸熵为1
• 低通气量和搅拌速率能增加CO2溶解度 • CO2溶解度随罐压增加而加大
发酵过程泡沫的影响及控制
• 4、以尿素作为氮源进行流加控制pH值，是目前国 内味精厂普遍采用的方法。当流加尿素后，尿素被 微生物的脲酶分解放出氨，使pH上升，氨被微生 pH 物利用和形成代谢产物后，使pH下降，再次反复 流加就可维持一定的pH值。 • 5、提高通气量，加速脂肪酸代谢也可以补偿pH值 变化。
发酵过程中溶解氧的控制
污染杂菌的途径和染菌的判断
一、染菌的途径
• • • • 原料方面 种子方面 无菌空气 设备方面
杂菌的检查方法
1.显微镜检查：染色 显微镜检查： 显微镜检查
镜检
多在染菌程度较深时，用于判断杂菌的种类， 靠显微镜无法发现染菌初期的杂菌。 2.平板划线检查或斜面培养检查 平板划线检查或斜面培养检查： 平板划线检查或斜面培养检查 倒平板 空培养 待测样品划线 培养观察
B、 罐底与环式空气分布管所形成的死角 、
C、不锈钢衬里的死角 、
操作时要注意避免罐内发生真空现象。采 用复合钢板(将两种不同材质的钢板轧合为一体 的钢板)制造发酵罐，因为两层钢板紧密结合在 一起，中间没有空隙，所以不会产生上述问题 ，是一种理想的材料。
D、接种管路的死角 、 E、排气管的死角 、