7发酵工艺控制(4)

消泡剂消沫
发酵工业常用消泡剂分天然油脂类、聚醚类、高级 醇类和硅树脂类。 1、天然油脂：
玉米油、豆油、鱼油和猪油等，还可作为碳源。
消沫能力不强，需注意油脂的新鲜程度，以免生长和产 物合成受抑制。
2、聚醚类： 应用较多的聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油(俗称
泡敌)。
用量0.03％左右,消沫能力比植物油大10倍以上。
亲水性好，消沫能力强，但消沫活性维持时间较短。在
黏稠发酵液中使用效果比在稀薄发酵液中更好。
3、高级醇： 十八醇. 与冷榨猪油一起能控制青霉素发酵的泡沫。 聚二醇.消沫效果持久，尤其适用于霉菌发酵。
4、硅酮类： 聚二甲基硅氧烷及其衍生物: 与分散剂(微晶Si02)一起用，也可与水配成10％乳液； 适用微碱性放线菌和细菌发酵。 羟基聚二甲基硅氧烷(亲水性): 青霉素和土霉素发酵。消泡能力随羟基含量 (0.22 ％～ 3.13％)增加而提高。
有的放矢。
1、从染菌的规模来分析
（1）、大批发酵罐染菌 发酵罐都出现染菌而且染的是同一种菌，一般是由 空气过滤器失效造成的。对空气系统必须定期检查。 （2）、部分发酵罐(或罐组)染菌
发酵前期可能是种子带菌
中后期可能是中间补料系统或油管路发生问题
（3）、个别发酵罐连续染菌和偶然染菌 大多由设备问题造成.(如阀门的渗漏或罐体腐蚀磨 损，特别是冷却管的穿孔等。) 个别发酵罐的偶然染菌原因比较复杂。
3、发酵罐与管件的死角
死角内潜伏的杂菌不易杀死，造成连续染菌，影响生产 的正常进行。 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。 对于这些死角每次放罐后的清洗工作应注意， 经常检查．仔细清洗才能避免因死角而产生污染。
Байду номын сангаас
4、空气过滤器
空气过滤器纤维铺设要均匀，否则部分空气因短路而带菌 过滤器器壁腐蚀形成氧化铁层，是多孔物质，空气会短路 不论何种过滤介质，必须保持其干燥。 （1）灭菌用的蒸汽阀的微小渗漏会使蒸汽管路中的 冷凝水抽吸到过滤器内，最好装设双重阀。 （2）灭菌和发酵时，如操作不当使罐压高于过滤器中 空气压力，会将冷凝水或发酵液倒灌至过滤器内。 （3）突然停电，空压机停转，也会发生倒灌。
过程控制原因
接种、过程补料和取样操作等是否严密规范。
二、染菌的判断和防治
发现杂菌的方法：常用镜检或无菌试验方法。
局限性：染菌初期，从镜检中发现是很难的，如能从视野
中发现杂菌，染菌已很严重；无菌试验通常要十来个小时才能
发现，再作处理为时已晚。
从发酵参数的异常变化判断杂菌污染： 溶氧变化的规律可作为染菌预报的根据。
机会，节省原材料和不会增加下游工段的负担。
缺点：不能从根本上消除泡沫成因。
消沫装置的安装
罐内法：可在搅拌轴上方安装消沫桨，泡沫借旋风离 心场作用被压碎，也可将少量消泡剂加到消沫转子上 以增强消沫效果。
罐外法：是将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速 作用或离心力粉碎泡沫。
离心式消泡器 ： 是一种离心式气液分离装置。装于排气口上，夹带 液沫的气流以切线方向进入分离器中，由于离心力的作 用，液滴被甩向器壁，经回流管返回发酵罐，气体则自 中间管排出。
白黑色素和5-羟甲基(呋喃醇)糠醛所致。
灭菌方法、温度和时间
发酵液性质随菌代谢不断变化，是泡沫消长的重要因素。
举例：
霉菌发酵前期，泡沫稳定(发酵液黏度高和表面张力低)。 中期泡沫减少 ( 蛋白酶、淀粉酶增多，蛋白质降解， 发酵液黏度降低和表面张力上升;菌体稳定泡沫)。 后期泡沫增加(菌体自溶，可溶蛋白增加)。
显微镜检观察菌形是否正常。
保藏菌种定期作复壮、单孢子分离和纯种培养。
培养基和设备没消透
培养基和设备没消透的原因： 蒸汽压力或灭菌时间不够；配料未混合均匀，存在结 块现象；设备未清洗干净，特别是未铲除干净的死角。
设备的原因
设备方面特别是老设备常会遇到各种问题，如夹层 或盘管、轴封和管道的渗漏；空气除菌效果差；管道安
⑤、消泡剂有时影响发酵或给提炼带来麻烦。
发酵液理化性质对形成的泡沫起决定作用： 发酵液中细胞、蛋白质原料具有稳定泡沫的作用。 多数起泡剂是表面活性物质。蛋白质分子中除分子 引力外，在羧基和氨基之间还有引力，因而形成的液膜 比较牢固，泡沫比较稳定。 发酵液的温度、pH、浓度以及泡沫表面积对泡沫 的稳定性也有一定作用。
现有的实验数据还难以评定消沫剂对微生物的影响。
过量的消沫剂通常会影响菌的呼吸活性和物质(包括氧) 透过细胞壁的运输。 应尽可能减少消沫剂的用量。 (1)用前比较，选用……(微生物/消沫效果/成本) (2)制成乳浊液，减少同化和消耗
(3)联合机械控制泡沫
发酵终点的判断
发酵类型不同，目标不同，终点判断标准也不同。 原材料与发酵成本为主者：主要追求提高产率，得率(转化 率) 和发酵系数[产物kg／(罐容积m3· 发酵周期h)]。 提炼成本为主者和产品价值高者 ：除了高产率和发酵系数
污染好气性杂菌，溶氧会一反往常在较短时间内下降到 接近零，且长时间不回升…
杂菌本身非十分好气：溶氧反而升高 补料或加油也会引起溶氧迅速下降，在 低谷处维持1～3h即回升。这与染菌使 溶氧的变化是不同的。
污染噬菌体
发酵液变稀，溶氧迅速回升。
染菌之后…… 从染菌的种类大致可判断其来源：染芽孢杆菌可能是灭菌不 透；染大肠杆菌可能是有脏水污染,如管穿孔；染球菌、短杆 菌有可能来自空气。 前期染菌：比较麻烦，控制不当，容易倒罐。 （1）原则上可适当改变生长参数，使有利于生产菌而不 利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。 （2）加入某些抑制杂菌的化合物，条件是该化合物对生 产影响不大和在下游精制阶段能被完全去除。 中后期染菌：除噬菌体，通常后果不严重。
工业发酵研究和开发的主要目标之一：建立一种能达到高 产低成本的可行过程。 达到此目标的重要工艺手段有：菌种的改良、培养基的改 进和补料等生产条件的优化等。 生物过程的控制不仅要从生物学上还要从工 程的观点考虑。由于过程的多样性，生物技 术工厂的控制是一复杂的问题。
常用发酵仪器的最方便的分类为： 就地使用的探头； 其他在线仪器、气体分析；
放罐过早…过晚… 临近放罐时加糖、补料或消沫剂要控制。
判断放罐的指标： 产物浓度、菌丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的黏
度和外观等。
一般，菌丝自溶前总有些迹象，如氨基氮、DO和pH开
始上升、菌丝碎片增多、黏度增加、过滤速率下降…
需综合多因素统筹考虑
发酵染菌的防治及处理
在克服染菌问题时必须先树立起这样的信念:
实际生产中常采用大接种量的原因之一是即使不慎 污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
三、生产技术管理对染菌防治的重要性
要克服染菌，生产技术和管理应同时并重。
忽视车间的清洁卫生，跑、冒、滴、漏随处可见，染菌率高。 成功的经验：加强生产技术管理，严格按工艺规程操作， 分清岗位责任事故，奖罚分明。
发酵过程参数监测的研究概况（自学）
2、从染菌的时间来分析
发酵早期染菌:种子带菌，培养液灭菌或设备灭菌不彻底 中、后期染菌:中间补料、设备渗漏以及操作不合理
3、从染菌的类型来分析
染耐热芽孢杆菌:多因设备存在死角或培养基灭菌不彻底
染球菌、酵母:从蒸汽的冷凝水或空气中带来 污染霉菌:大多是灭菌不彻底或无菌操作不严格所致。
种子带菌
种子带菌的检查：保藏菌种、斜面、摇瓶、种子罐。 斜面、摇瓶和种子罐种子作无菌试验，可以用肉汤和斜 面或平板培养基检查有无杂菌。
刮板式消泡器： 刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳体四周，受机械 冲击而达到消泡作用。 刮板转速为1000－1400转/分。 消泡后的液体经回流管返回发酵罐，被分离的气体通过 气体出口排出。
碟片式消泡器： 装在发酵罐顶部，当泡沫溢上与消泡器接触，泡沫受 高速旋转离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液态及 气态两相，气相向上排出，液体则补甩回发酵罐。
消沫剂的应用
1.消泡剂的消沫效果与使用方式有关。 消泡效果取决于它在发酵液中的扩散能力。
消沫剂的分散可借助机械方法或某种分散剂 ( 如水， 将消沫剂乳化成细小液滴)。
分散剂的作用：帮助消沫剂扩散和缓慢释放， 具有加速和延长消沫剂的作用，减小消沫剂的 黏性，便于输送。
2.消沫的持久性与本身性能、加入量、加入时机有关。 举例：青霉素发酵中采用滴加玉米油的方式，防止泡沫大 量形成，利于菌的代谢和青霉素合成，减少了油的用量。 使用天然油脂时不能一次加得太多 (1) 过量油脂抑制气泡分散，显著影响氧传质速率，使溶氧 迅速下跌。 (2) 油被降解为脂肪酸与甘油，并进一步降解为有机酸，使 pH下降，有机酸的氧化消耗大量的氧，使溶氧下降。加强供 氧可减轻这种不利作用。 (3)油脂与铁形成过氧化物，对一些抗生素合成有害。(添加 萘酚或萘胺等抗氧剂可防止过氧化物的产生)
二、发酵过程中泡沫的消长规律
泡沫的多寡与通气、搅拌、培养基成分有关 玉米浆、蛋白胨、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉、糖
蜜等是发泡的主要因素。起泡能力随品种、产地、加工、
贮藏条件而有所不同，还与配比有关。 糖类本身起泡能力较低，但高浓度的糖增加了发酵液 黏度，起稳定泡沫的作用。 培养基成分
举 例 ： 糖 蜜 的 灭 菌 温 度 从 110℃ 升 高 到 130℃ ， 30min，发泡系数qm几乎增加一倍。这是由于形成大量蛋
泡沫控制
一、泡沫的产生及其影响
产生泡沫的原因： 通气搅拌 发酵产生的CO2
糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物质的存在。 一般含复合氮源的通气发酵中会产生大量泡沫。 泡沫的存在可以增加气液接触表面，有利于氧的传递。
“泡沫”的副作用：
①、降低了发酵罐的装料系数：一般取0.7。充满空 间的泡沫约占培养基的10％，且配比也不完全相同。 ②、增加了菌群的非均一性： 微生物随泡沫漂浮，或黏附在罐壁上，有时在气相环 境中生长，引起菌分化，甚至自溶。 ③、增加染菌机会：发酵液溅到轴封处 ④、大量起泡，控制不及时，会引起“逃液”， 招致产物的流失。
空气、蒸汽、水、物料、排气、排污等管及其相应的管 件和阀门。
管道的连接方式、安装方法及选用的阀门形式对防 止污染有很大的关系。 与发酵有关的管路不能同一般化工厂的 化工管路完全一样，而有其特殊要求。
排气管与下水管
多个罐的排气管、下水管汇集在一条总管路上，使用中 相互干扰，一只罐染菌会影响其他罐。 解决方法：易染菌场合以每台罐独立排气、排水。 总排气管选择大直径管子，保证通畅，不致倒流罐内。 发酵罐的管路 蒸汽可能达不到的死角(如阀)要装设旁路。灭菌时， 将旁路阀门打开，使蒸汽自由通过。 接种、取样和加油等管路要配置单独的灭菌系统。
三、
泡沫的控制
控制方法分为机械和消泡剂两大类。 从生产菌种本身的特性着手，如筛选生长期不易成泡 涂的突变株。 混合培养，如产碱菌、土壤杆菌同莫拉氏菌一起培养 可控制泡沫形成。(一株菌产生的泡沫被另一种协作菌同化 )
机械消沫
是藉机械引力起剧烈振动或压力变化起消沫作用。
优点：不需引进外界物质，如消泡剂，从而减少染菌
外，还要求高的产物浓度.
发酵总生产周期：
T=1/μm ·1n(X1／X2) +tT+tD+tL (7—50)
tT、tD和tL分别为放罐检修工作时 间，洗罐、打料和灭菌时间以及生 长停滞时间。 总生产率[产物g／(发酵液L· h)]： 放罐发酵单位除以总的发酵时间。
要提高总产率，必须缩短发酵周期:在产率降低时放罐.
装不合理，存在死角等是造成染菌的重要原因。
1、发酵罐的渗漏
冷却管的渗漏 发酵罐中最容易渗漏的部件之一 最易穿孔的是冷却列管的弯曲处；冷却水的压力通常 大于罐压，如有微孔，冷却水会进入发酵液引起染菌。 罐体的穿孔 特别是罐底。每年大修时需检查钢板减薄的程度。 有夹套的发酵罐检查罐壁有无渗漏。
2、管件的渗漏
染菌不会无缘无故，是人无意识所为，如果防范得当是可 以把杂菌拒之门外的。
一、染菌原因
种子 培养基灭菌不彻底
设备问题
空气除菌不彻底
过程控制操作疏漏
日本抗菌素生产中统计的染菌原因：
从发酵工厂的
生产经验来看，染
菌原因是以设备渗 漏和空气系统的染
菌为主.
染菌原因分析的思路
遇到染菌首先要监测杂菌的来源。 对顽固的染菌，应对种子、消后培养基和补料液、 发酵液及无菌空气取样作无菌试验以及设备试压检漏， 只有系统、严格监测和分析才能判断其染菌原因，做到