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保興發酵罐:發酵過程pH的調控方法淺析

時間: 2019-05-23來源: 作者:

安徽快三走势图最新行情 www.qltam.com 微生物發酵是一個十分復雜的生物化學反應過程,由于生物體的生長、繁殖、代謝有許多不確定性,并受環境影響比較大,而微生物細胞內同時進行著成千上萬種不同的生化反應,各有各的調控機制,相互促進相互制約,因此,其控制過程也比較難,只能依據宏觀現象或借助一些檢測手段來推測微觀變化,而后施行進行人為干預,進而引導其朝著我們設定的方向發展。


通過取樣分析獲得與微生物發酵相關的參數包括:物理、化學、生物三類。(宏觀現象不在本文贅述)。

1、物理參數包括:溫度、罐壓、攪拌轉速、攪拌功率、空氣流量、發酵液粘度;

2、化學參數包括:酸堿度、基質濃度、溶解氧濃度、氧化還原電位、中間體物質濃度、產物濃度、比生產速率、尾氣氧含量、尾氣二氧化碳含量;

3、生物參數包括:菌體濃度、比生長速率、菌體形態;


各參數調控方式以及各參數之間錯綜復雜相互關系,今天不做展開,僅對pH值的進行詳細分解。


第一部分 現行的pH控制理論


第一節 為什么要控制pH值?

1. 影響菌體生長:

每種微生物都有其適合生長的pH值范圍,原因有二:

(1) 對營養成分的影響:不同的pH值條件下,培養基中各營養物質的穩定性不同;各營養物質之間發生化學反應不同;有機碳、氮源的水解或變性情況不同。進而影響菌體對營養物質的利用。

(2) 對菌體生物酶活性影響: 培養基中的H+或OH-直接影響胞外生物酶的活性,進而影響菌體生長。

(3) 對菌體細胞結構的影響。

(4) 對菌體細胞膜荷電影響:引起細胞膜的通透性發生改變,因而影響菌體對營養物質的吸收和代謝物排泄。


2. 影響菌體代謝:

培養基中的H+、OH-首先作用在胞外的弱酸(或弱堿)上,使之成為易于透過細胞膜的分子狀態的弱酸(弱堿),它們進入細胞后,再進行解離,產生H+或OH-離子,改變胞內原先的中性狀態,影響酶的結構和活性。進而影響菌體代謝。


3. 影響產物穩定性:

不同的物質有不同的穩定pH值范圍。特別是胞外表達的產物,直接裸露于培養液中,給予合適的pH條件至關重要。


4. 影響發酵液的后處理:

(1) pH值直接影響發酵液中某些物質的電荷性質

(2) pH值會影響發酵液的粘度。


第二節 是什么原因使pH值產生變化?


1. 培養基基質:

(1) 成分種類、含量及配比,分兩種情況:

其一,成分本身的酸堿特性;

其二,成分經過菌體代謝后呈現出酸堿性:凡是代謝后產生酸性的物質,稱為生理酸性物質;經代謝后產生堿性的物質,稱為生理堿性物質。

生理酸性物質,如硫酸銨:菌體吸收其中的NH4作為氮源,殘留的SO4與培養液中的H+結合成硫酸而使pH值降低。

生理堿性物質,如硝酸鈉:菌體吸收其中的NO3-量遠大于對Na 的吸收量,為保持體內電性平衡,細胞向外界分泌HCO3-或OH-,使溶液的pH值上升。

(2) 培養基滅菌:培養基中基質成分在高溫高壓狀態下發生變化引起pH改變。


2、 菌體生長不同階段對pH影響不同:

(1) 菌體指數生長期:本階段pH值迅速降低。

原因如下:

為滿足菌體快速生長,大量營養物質被利用,打破原有體系的pH值體系平衡。

如:碳源代謝:無論是單糖、雙糖、寡糖還是多糖,均先經水解為單糖再被利用,利用后產生有機酸,使pH值降低。


(1) 菌體生長平臺期:菌體生長、衰亡趨于平衡。pH值基本呈下降,但趨勢趨緩。若此時pH快速回升,說明碳源被利用完,菌體被迫利用胞內有機酸所致。

(2) 菌體衰亡期:由于菌體衰亡、自溶,pH值迅速回升。


注:若在菌體平臺期、衰亡期出現pH值迅速下降狀況,原因可能如下:

1) 傳感器故障;

2) 染菌;

3) 補料時間過早,前期營養物質剩余;

4) 補料速率不合理,造成二次生長。


3、通氣量及罐壓

(1)通氣量不足:

1)引起pH降低:厭氧發酵,產生大量乳酸pH值降低;另外,通氣量流量小,產生的CO2不能及時隨尾氣排出,CO2溶于水中,使pH值降低;

2)引起pH值升高:氧氣供應不足使菌體衰亡自溶,引起pH值升高。


(2)罐壓太高:一般高于0.03Mpa

引起pH值降低:隨著壓力增高,CO2在水中溶解度增加,因此引起pH值降低。


第一節 發酵過程中pH值控制手段


1、 改變培養基中基質成分及比例:

每種微生物生長,以及目的產物的合成對營養物質的需求有一定的偏好性,因此可以利用來調控的空間不大。


2、 培養基中增加緩沖體系:

但需關注緩沖體系成分對菌體生長代謝的影響。


3、 培養過程中通過補加碳源來調節pH


4、培養過程中使用酸、堿進行調控:

常用酸如:鹽酸、硫酸、醋酸、硝酸等;常用堿如:氫氧化鈉、氨水等。


注意:

1)氨水可被作為氮源利用,因而打破營養物質的碳氮比平衡。

2)酸、堿調解過程,會造成培養液的局部過酸或過堿,從而引起局部菌體被灼傷、或代謝物被強酸、強堿破壞。

3)酸、堿調控,會改變培養液的離子強度。

第二部分 本人經驗分享


第一節 發酵過程中pH值變化的本質


1、 pH變化的關鍵原因:除培養基基質成分、通氣量和壓力等理、化因素影響外,更多的是菌體生長代謝過程的生物因素。


2、 pH值檢測方法:在線的pH電極即時測定;取樣離線的pH計、pH試紙測定等。


3、 pH值變化的本質:

pH值測定方法可以看出,無論何種方法的測定值均代表的是菌體生物過程的結果,也就是說pH值測定永遠滯后于菌體的生物過程。因此,pH值是菌體生物過程的結果。


第二節 基于pH值是生物過程的結果理論而形成的發酵過程中pH值控制原則和方法


既然pH值是生物過程的結果,那么一個發酵周期內菌體能夠自然的達到理想的菌體生

長代謝所需的pH值才是“本”;而基于即時測定值而此進行的任何調控均是事后之事,謂之為“末”并不為過。常規的pH調控手段,往往掩蓋了菌體生長、代謝的真實狀態。因而為了控制pH值而控制pH即為“舍本逐末”。


1、pH值的調控原則:

(1)以前饋作為調控節點;

(2)以順勢引導菌體生產、代謝過程為調控依據;

(3)以測定的pH值作為對調控手段有效性的檢驗。


2、pH值的調控方法:把握前饋節點,控制菌體生長速度的方式,使發酵過程pH值在理想范圍內。

(1)基礎培養基配方:盡量避免緩沖體系;低濃度的碳、氮源,一般含量不超過1%;避免碳、氮源比例失衡(不同種類微生物、不同的代謝產物 所需碳氮比不同);

(2)補料培養基配方及補料速率:分三個階段


第一階段:指數生長期。

1) 補料配方:碳氮比宜高,且以速效碳、氮源為主;

2) 補料速率:控制比生長速率在30%左右,即可控制pH平緩下降。

生長速率太低生物量積累太少不利于產物表達。生長速率過高,菌體迅速進入衰亡期,pH值變化幅度過大、生產周期短,進而不利于產物積累。

3) 補料節點:以pH值比變化速率降低為補料節點(前饋點),可以有效的控制pH值變化,且不會造成營養過剩、或營養匱乏。


第二階段:平臺期(初級代謝產物開始積累)。

1) 補料配方:碳氮比縮小,增加遲效碳、氮源。

2) 補料速率:控制生物量基本保持不變,即可控制pH平穩。

3) 補料節點:以pH值比變化速率降低為補料節點(前饋點)。


第三階段:衰亡期(次級代謝產物大量積累)

1) 補料配方:碳、氮源濃度僅維持菌體代謝即可。

若過高則造成菌體二次生長,使pH值下降。

2) 補料節點:以pH值比變化速率降低(緩慢回升過程)為補料節點,可維持pH值平穩。

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總結:

發酵過程中的pH值變化是發酵過程狀態體現、是生物生長代謝的結果。pH值不是發酵過程中需要控制的參數,而是發酵過程控制的依據和方向標。



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