抗生素发酵工艺中温度对生产的影响

抗生素发酵工艺中温度对生产的影响

摘要:温度是各种抗生素发酵必须严格控制的重要条件之一,温度不仅影响微生物细胞的生长,还对抗生素的产量、合成方向也有影响。选择合适的温度既合适菌丝体的生长,又合适代谢产物合成的温度。

关键词:抗生素温度控制

抗生素发酵制备是指在菌体内通过菌体的初级或次级代谢等生命过程完成的反应过程。这一过程很难像化学合成反应那样精准的监控,只能通过在控制菌体生长、代谢等生命过程,以及各种生物、理化和工程环境因素这些过程影响的基础上,进行优良菌种选育、发酵条件和工艺的控制来提高产品质量和产量。

抗生素虽然种类很多,但温度是发酵过程中要严格控制的重要条件之一。因为各种微生物的生长代谢和合成抗生素都要在最适合的温度下才能取得理想效果。

1 温度对发酵的影响

1.1 对细胞生长的影响

抗生素发酵过程是酶参加的生长代谢过程,随着温度的上升,细胞的生长加快,在一定的范围内,酶反应速度随温度的升高而增加,但有一个最适温度,超过这个温度,酶的催化活力就下降。

我公司在红霉素制备中,温度分对数生长期、稳定期、衰退期三段控制。红霉素二级种子罐接入发酵大罐后,经4～5小时调整期,进入对数生长期。经过多年实践,对数长期的温度按34 ℃控制,最有利于菌丝体生长;到了稳定期,将温度下调到32℃控制,有利于红霉素的合成;衰退期按30℃控制,有利于延长红霉素的合成期,提高红霉素产量。整体时间160小时左右,在此过程中(见图1),温度的控制起绝对作用。

1.2 对粘度的影响

粘度是用20 ml的大肚吸管取发酵液流完后的秒数(S／20 ml)。在发酵过程中,前期温度较高,粘度快速增加;中期温度下调,粘度逐渐缓慢下降;后期时,为防止发酵液化稀,粘度下降快,要及时降温以延长抗生素合成期。

1.3 对PMV的影响

PMV是发酵液中菌丝体的比重含量,其含量高低直接反应温度变化,发酵罐中测量点的温度误差的纠正,就依靠测量发酵液的PMV含量。

1.4 对产物生成量的影响

产品的产量随温度的升高而升高,最佳温度可获得最大的产量。

1.5 对生物合成方向的影响

四环素发酵中所用的金色链霉菌,在低于30 ℃时,主要合成金霉素,温度提高后合成四环素的能力增强,温度到35 ℃时,则只产生四环素。

2 影响发酵温度的因素

2.1 生物热

抗生素发酵过程中,菌体生长代谢所产生的大量热能,称为生物热。生物热随培养时间不同而变化,特别是菌体进入对数生长期后,热能大量释放,并与细胞的合成成正比。生物热还随培养基成分不同而变化,培养基成分越丰富,营养利用的速度越快,产生的生物热就越大。

2.2 搅拌热

发酵时,搅拌转动引起液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生热能,既为搅拌热。

2.3 蒸发热

空气进入发酵罐后,排出时引起水分蒸发所需的热能,既为蒸发热。

2.4 辐射热

发酵罐外壁和大气间的温度差使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的热量,为辐射热。

生物热和搅拌热是产热因素,蒸发热和辐射热是散热因素。生产中,必须密切注意这些热变化所带来温度变化对发酵制备的影响。

3 温度的控制

3.1 最佳的温度选择

在发酵生产过程中,需要选择一个最佳发酵温度,既适合菌体生长,又适合代谢产物合成。

我们观察到,红霉素种子接入发酵大罐培养后,其温度控制会随发酵罐内菌体生长的阶段不同而不同。发酵大罐前期,为了菌体快速生长繁殖,其控制温度在34±0.5 ℃;40小时后,抗生素开始产生,温度下调至32±0.5 ℃,有利于红霉素的合成,提高红霉素的产量。发酵后期,为防止营养物质过快耗竭,菌体自溶,应控制温度在30±0.5 ℃,能延长合成期。

在此基础上我们做以下实验。

设计表格(选三个生长点38 h,100 h,150 h)

因此合适的温度更有利于生产需要。

同时温度与氧溶解度也有一定的关系,溶氧随温度的下降而升高,

当通气量不足时,可降低发酵温度来弥补通气不足。红霉素发酵前期菌丝体大量繁殖,需氧量增加,使溶氧浓度下降,过了生长期,菌丝体的需氧量减少,溶氧浓度随之上升。

从上述实验可以看出,红霉素发酵生产中当温度按(1)控制时粘度增长慢,PMV高峰不明显,溶氧消耗没有过多;按(3)控制时粘度增长过快,但后期代谢快,粘度下降快易化稀,PMV虽前期达到峰值,但后期下降快;溶氧消耗高;只有按(2)控制时,粘度、PMV、溶氧合理下降,单位效价最高,适合红霉素68#菌种发酵,所以在生产中,对红霉素发酵的温度控制就是按(2)所验证的温度控制,其单位效价高,质量好。

3.2 温度的控制

工业生产中,除种子罐在接种后,前期菌丝体未长大时需要少量加热外,大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热,而是在发酵时产生大量热需要冷却的情况较多。利用自动和手动调节阀门相结合,将冷却水通入发酵罐的蛇管内,通过热交换来保持发酵罐内恒温培养。我公司为降低成本,将冷却水分为一次水和二次水,一般情况下夏天用一次水较多,冬天时用二次水较多(二次水是回收一次水经过处理,水温高于一次水)。

总之,温度对发酵过程的影响是多方面的,它会影响各种酶反应的速率,改变菌体代谢产物的合成方向,影响微生物的代谢调控机制。除这些直接影响外,温度还对发酵液的理化性质产生影响,如发酵液的粘

度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等,进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。

最适发酵温度会随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。理论上,整个发酵过程中不应只选一个培养温度,而应根据发酵的不同阶段,选择不同的培养温度。在生长阶段,应选择最适生长温度,在产物分泌阶段,应选择最适生产温度。但实际生产中,由于发酵液的体积很大,升降温度都比较困难,所以在整个发酵过程中,往往采用一个比较适合的培养温度,使得到的产物产量最高。或者在可能的条件下进行适当的调整,发酵温度可通过温度计或自动记录仪表进行检测,通过向发酵罐的夹套或蛇管中通入冷水、热水或蒸汽进行调节,来保持恒温发酵。

参考文献

[1] 熊宗贵.发酵工艺原理[M].中国医药科技出版社,1995:126-146.

[2] 成希昌等.抗生素工业生产上册,中国医药工业公司《抗生素工业生产》编写组,1986:116-119.