簡明微生物工程-6.3-發(fā)酵中間控制-泡沫補料

1、2021/8/141泡沫與補料的控制2021/8/1422021/8/1432021/8/1442021/8/1452021/8/1462021/8/1472021/8/1482021/8/149有利之處：氣體分散、增加氣液接觸面積2021/8/14102021/8/1411表面活性劑示意圖親水基 疏水基如圖所示，表面活性劑是由疏水基與親水基構(gòu)成的化合物，在水中，表面活性劑的分子不停地轉(zhuǎn)動在以下兩種情況下泡沫才能比較穩(wěn)定，停留時間比較長：2021/8/1412第一種情況 表面活性劑的親水基留在水相，疏水基伸到氣相中，形成定向吸附層。第二種情況 表面活性劑的疏水基在水相中互相靠在一起，減少疏水基

2、與水的接觸，形成“膠束”。膠束的形成需要一定的濃度臨界膠束濃度。膠束2021/8/14132021/8/14142021/8/1415熱力學(xué)第二定律指出：自發(fā)過程，總是從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)變化。起泡過程中自由能變化如下：G=AG 自由能的變化自由能的變化A 表面積的變化表面積的變化 比表面能比表面能2021/8/14162021/8/14172021/8/14182021/8/14192021/8/14202021/8/14212021/8/1422（1）使泡沫液局部表面張力降低導(dǎo)致泡沫破滅希勒（Shearer,L.T）和艾克斯(Akers,W.W.)在油體系中研究聚硅氧烷油的

3、消泡過程。他們對泡沫體系以1/1000秒的速度連續(xù)拍照，照片放大100倍由圖可以看出，硅油微粒到達泡沫表面使泡沫破滅，氣泡合并，氣液迅速分離。2021/8/1423日本高野信之提出類似的觀點：把高級醇或植物油灑在泡沫上，當(dāng)其附著到泡沫上，即溶入泡沫液，會顯著降低該處的表面張力。因為這些物質(zhì)一般對水的溶解度較小，表面張力降低只限于局部，而泡沫周圍的表面張力幾乎沒有發(fā)生變化。表面張力降低的部分，被強烈地向四周牽引、延展，最后破裂。2021/8/1424泡膜表面因吸附有表面活性劑，具有一定的彈性（機械強度），當(dāng)受到外部壓力時有自愈作用。消泡劑能破壞泡膜的這種彈性。離子型表面活性劑水溶液產(chǎn)生的泡沫，是

4、因為表面活性劑定向排列形成雙電層，借助排斥作用阻礙泡沫合并而使泡沫穩(wěn)定。這種性質(zhì)的泡沫，只需向體系中加入一種離子電荷相反的表面活性劑，甚至本身也是助泡劑，就可降低泡沫穩(wěn)定性。這是因為兩種表面活性劑彼此干擾，妨礙在氣液界面上定向排列，破壞了膜彈性，因而產(chǎn)生消泡作用。（2）破壞膜彈性導(dǎo)致氣泡破滅2021/8/14252021/8/14262021/8/1427 為破滅泡沫，消泡劑應(yīng)該在泡膜上濃縮、集中。所以消泡劑在起泡液中只有不溶或難溶，才易于聚集在氣液界面，才易于濃縮在泡膜上，才能在較低濃度下發(fā)揮作用。用于水體系消泡劑的活性成分，須為強疏水弱親水的分子，作用效果才最好。 2021/8/1428

5、只有消泡劑表面張力低于起泡液，消泡劑微粒才能夠在泡膜上浸入及擴展。值得注意的是，起泡液的表面張力并非溶液的表面張力，而是助泡溶液的表面張力。 2021/8/1429 由于消泡過程實際上是泡沫崩潰速度與泡沫生成速度的競爭，所以消泡劑必須能在起泡液中快速分散，以便迅速在起泡液中較廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用。要使消泡劑擴散較快，消泡劑活性成分須與起泡液具有一定程度的親和性。消泡劑活性成分與起泡液過親，會溶解；過疏又難于分散。只有親疏適宜，效力才會好。2021/8/1430（4）與起泡液不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)消泡劑與起泡液發(fā)生反應(yīng)，一方面消泡劑會喪失作用，另一方面可能產(chǎn)生有害物質(zhì)，影響微生物的生長。 （5）揮發(fā)性小

6、，作用時間長2021/8/14312021/8/1432（1）天然油脂2021/8/14332021/8/14342021/8/1435（2）聚醚類消泡劑聚醚類消泡劑種類很多，我國常用的主要是甘油三羥基聚醚。六十年代發(fā)明，美國道康寧化學(xué)公司首先投產(chǎn)。它是以甘油為起始劑，由環(huán)氧丙烷，或環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷的混合物進行加成聚合而制成的。只在甘油分子上加成聚合環(huán)氧丙烷的產(chǎn)物叫聚氧丙烯甘油定名為GP型消泡劑；用于鏈霉素發(fā)酵，代替天然油，加入基礎(chǔ)料，效果很好。在GP型消泡劑的聚丙二醇鏈節(jié)末端再加成環(huán)氧乙烷，成為鏈端是親水基的聚氧乙烯氧丙烯甘油，也叫GPE型消泡劑。按照環(huán)氧乙烷加成量為10%，20%，50%

7、分別稱為GPE10，GPE20，GPE50。這類消泡劑稱為“泡敵”。用于四環(huán)素發(fā)酵效果很好，相當(dāng)于豆油的1020倍。2021/8/1436GP型的消泡劑親水性差，在發(fā)泡介質(zhì)中的溶解度小，所以宜使用在稀薄的發(fā)酵液中。在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入，可以抑制整個發(fā)酵過程的泡沫產(chǎn)生。GPE型消泡劑親水性較好，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消泡能力強，但溶解度也較大，消泡活性維持時間短，因此用在粘稠發(fā)酵液中效果較好。有一種新的聚醚類消泡劑，在GPE型消泡劑鏈端用疏水基硬脂酸酯封頭，便形成兩端是疏水鏈，當(dāng)中間隔有親水鏈的嵌段共聚物。這種結(jié)構(gòu)的分子易于平臥狀聚集在氣液界面，因而表面活性強，消泡效率高。這類化合物叫GPES型消泡

8、劑。2021/8/1437高碳醇是強疏水弱親水的線型分子，在水體系里是有效的消泡劑。C7C9的醇是最有效的消泡劑。C12C22的高碳醇借助適當(dāng)?shù)娜榛瘎┡渲瞥闪６葹?9m、含量為2050%的水乳液，即是水體系的消泡劑。還有些醇酯，如苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯等在青霉素發(fā)酵中具有消泡作用，后者還可作為前體。2021/8/1438（4）硅酮類最常用的是聚二甲基硅氧烷，也稱二甲基硅油。它表面能低，表面張力也較低，在水及一般油中的溶解度低且活性高。它的主鏈為硅氧鍵，為非極性分子。與極性溶劑水不親和，與一般油的親和性也很小。它揮發(fā)性低并具有化學(xué)惰性，比較穩(wěn)定且毒性小。純粹的聚二甲基硅氧烷，不經(jīng)分散處理難

9、以作為消泡劑。因此將硅油混入SiO2氣溶膠，所構(gòu)成的復(fù)合物，經(jīng)一定溫度、一定時間處理，就可制得。2021/8/14392021/8/14402021/8/14412021/8/1442尾氣吸入管尾氣吸入管2021/8/1443尾氣吸入管尾氣吸入管2021/8/14442021/8/14452021/8/14462021/8/14472021/8/1448補料：在發(fā)酵過程中補充某些養(yǎng)料以維持菌的生理代謝活動和滿足產(chǎn)物合成的需要。2021/8/14492021/8/1450簡單的過程，培養(yǎng)基中接入菌種以后，沒有物料的加入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個過程中菌的濃度、營養(yǎng)成分的濃度和產(chǎn)物濃度等參

10、數(shù)都隨時間變化。1、 分批培養(yǎng)對于初級代謝產(chǎn)物，在對數(shù)生長期初期就開始合成并積累，而次級代謝產(chǎn)物則在對數(shù)生長期后期和穩(wěn)定期大量合成。2021/8/1451分批培養(yǎng)中微生物的生長遲滯期對數(shù)生長期穩(wěn) 定 期死亡期2021/8/14522021/8/14532、補料分批培養(yǎng) 在分批培養(yǎng)過程中補入新鮮的料液，以克服營養(yǎng)不足而導(dǎo)致的發(fā)酵過早結(jié)束的缺點。在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，所以發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液體積比發(fā)酵開始時有所增加。在工廠的實際生產(chǎn)中采用這種方法很多。2021/8/1454補料分批培養(yǎng)的優(yōu)缺點2021/8/14553、半連續(xù)培養(yǎng)在補料分批培養(yǎng)的基礎(chǔ)上間歇放掉部分發(fā)酵液（帶放）稱為半連

11、續(xù)培養(yǎng)。某些品種采取這種方式，如四環(huán)素發(fā)酵2021/8/14564、連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵過程中一邊補入新鮮料液一邊放出等量的發(fā)酵液，使發(fā)酵罐內(nèi)的體積維持恒定。特點：達到穩(wěn)態(tài)后，整個過程中菌的濃度，產(chǎn)物濃度，限制性基質(zhì)濃度都是恒定的。2021/8/14572021/8/14582021/8/14592021/8/146062小時 20小時 45小時2021/8/14612021/8/1462通氨：補充菌體的無機氮源和調(diào)節(jié)pH值的作用。添加某些具有調(diào)節(jié)生長代謝作用的物料，如磷酸鹽、尿素、硝酸鹽、Na2SO4、酵母粉或玉米漿等。如遇生長遲緩、耗糖低，習(xí)慣補充適量的磷酸鹽，以促進糖的利用。 2021/8/14

12、63 1、料液濃度要適合； 2、注意加強無菌控制，對設(shè)備和操作都須從嚴掌握； 3、此外應(yīng)考慮經(jīng)濟核算，節(jié)約糧食，注意培養(yǎng)基的碳氮平衡等。 2021/8/1464菌體濃度：單位體積中菌體的含量。 反映了菌體的量 反映了所處的發(fā)酵階段菌體濃度主要取決與菌體的生長速率 菌種 環(huán)境條件2021/8/1465初級代謝產(chǎn)物：多多益善受氧限制次級代謝產(chǎn)物：有一定的范圍臨界菌體濃度攝氧速率與傳氧速率相平衡時的菌體濃度2021/8/14661、培養(yǎng)基成分2、補料2021/8/14672021/8/1468測體積、稱干重2021/8/1469比濁法：可用分光光度法對無色的微生物懸浮液進行測定或用帶有側(cè)臂的三角燒瓶

13、作原位測定。生理指標法： 測含氮量法，一般細菌的含氮量為其干重的12.5%，酵母菌為7.5%，霉菌為6.5%，含氮量乘以6.25即為粗蛋白含量。 C、P、DNA、RNA、ATP、DAP（二氨基庚二酸）、幾丁質(zhì)或N乙酰胞壁酸等含量的； 產(chǎn)酸、產(chǎn)氣、耗氧、粘度和產(chǎn)熱等指標，有時也應(yīng)用于生長量的測定。2021/8/14702021/8/14711、碳源對發(fā)酵的影響及控制 快速利用的碳源 緩慢利用的碳源2021/8/14722、氮源對發(fā)酵的影響及控制無機氮源：氨水、氨鹽有機氮源：尿素、蛋白質(zhì)快速利用的氮源：NH3、玉米漿緩慢利用的氮源：黃豆餅粉、花生餅粉、魚粉等2021/8/14733、磷酸鹽濃度的控制亞適量生長濃度：0.32300mmol/L次級代謝產(chǎn)物形成：1.0mmol/L2021/8/1474一、CO2對菌體