生物制藥發(fā)酵過程控制.ppt

1、,發(fā)酵工藝過程的檢測與控制,發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu),發(fā)酵過程的主要控制參數(shù)與檢測,一：雜菌檢測與污染控制 染菌的危害： 1）分解產(chǎn)物 2）污染產(chǎn)品 3）抑制生產(chǎn)菌的生長和代謝的產(chǎn)生 4）影響產(chǎn)物的提取率,污染雜菌的途徑和染菌的判斷,一、染菌的途徑 原料方面 種子方面 無菌空氣 設(shè)備方面,雜菌的檢查方法,1.顯微鏡檢查：染色 鏡檢 多在染菌程度較深時，用于判斷雜菌的種類，靠顯微鏡無法發(fā)現(xiàn)染菌初期的雜菌。 2.平板劃線檢查或斜面培養(yǎng)檢查： 倒平板 空培養(yǎng) 待測樣品劃線 培養(yǎng)觀察 3.通過發(fā)酵的生理生化指標(biāo)檢查,在實際生產(chǎn)中可以根據(jù)以下參數(shù)的異常變化來判斷是否染菌。結(jié)合計算機(jī)控制，建模后，可以及早發(fā)現(xiàn)與預(yù)測是

2、否染菌。 降糖速度 產(chǎn)酸速度， pH值 溶解氧 光密度 排氣中CO2含量 產(chǎn)物含量 O2的消耗,原因：一方面，蒸汽壓力不足、滅菌時間不夠；另一方面，設(shè)備制作或安裝不當(dāng)，蒸汽不能到達(dá)，造成滅菌死角。 措施： 對于液體原料：采用連消方式 對顆粒狀淀粉質(zhì)原料或者小發(fā)酵罐，采用實消為好。而且升溫時需攪拌。,原料染菌的防治,泡沫問題,培養(yǎng)基中含有較多量的黃豆餅粉、花生粉或蛋白胨等成分時，在滅菌時這種培養(yǎng)基就容易產(chǎn)生泡沫。泡沫嚴(yán)重時會上升到罐頂甚至逃液，此時操作就比較困難。實踐證明：滅菌時泡沫嚴(yán)重的，就不易滅透。所以在發(fā)生泡沫時應(yīng)加以清除(加消泡劑和在操作上予以控制)。,種子帶菌的原因及防止,帶菌的原因

3、無菌室的無菌條件不符合要求 培養(yǎng)基滅菌不徹底 操作不當(dāng) 種子帶雜菌是發(fā)酵前期染菌的原因之一。在每次接種后應(yīng)留取少量的種子懸浮液進(jìn)行平板、肉湯培養(yǎng)，檢查種子中是否帶雜菌。,對種子培養(yǎng)基染菌的處理,一般均應(yīng)滅菌后堅決棄去，并對接觸過的設(shè)備，管道全部滅菌，加長滅菌時間等。,空氣帶菌及其控制,空氣過濾器效能下降：過濾介質(zhì)松動、老化、吸潮 肉湯平板檢測無菌空氣質(zhì)量 通過定期檢查管件，更換過濾介質(zhì)和加強檢修,發(fā)酵設(shè)備、管件的滲漏、死角,對于設(shè)備的滅菌主要是為了避免“死角”和滲漏。 常見的“死角” A、法蘭連接的死角 發(fā)酵工廠的管路要保持光滑、通暢、密封性好，以避免和減少管道染菌的機(jī)會。,B、 罐底與環(huán)式空

4、氣分布管所形成的死角,C、不銹鋼襯里的死角,操作時要注意避免罐內(nèi)發(fā)生真空現(xiàn)象。采用復(fù)合鋼板(將兩種不同材質(zhì)的鋼板軋合為一體的鋼板)制造發(fā)酵罐，因為兩層鋼板緊密結(jié)合在一起，中間沒有空隙，所以不會產(chǎn)生上述問題，是一種理想的材料。,D、接種管路的死角 E、排氣管的死角,菌齡、接種量與菌濃的控制,種子培養(yǎng)期應(yīng)取菌種的對數(shù)生長期為宜，菌種過嫩或過老，不但延長發(fā)酵周期，而且會降低產(chǎn)量。 接種量的大小直接影響發(fā)酵周期。,溫度對發(fā)酵過程的影響及控制,任何微生物的生長都需要有最適的生長溫度，在此溫度范圍內(nèi)微生物生長繁殖最快。 如果所培養(yǎng)的微生物能承受稍高一些的溫度進(jìn)行生長和繁殖，這對生產(chǎn)有很大的好處，即可減少污

5、染雜菌的機(jī)會，也可以減少夏季培養(yǎng)所需降溫的輔助設(shè)備，因此培養(yǎng)耐高溫的菌種有一定的生產(chǎn)現(xiàn)實意義。,發(fā)酵過程溫度的控制,最適發(fā)酵溫度的選擇變溫發(fā)酵 在生產(chǎn)上，為了使發(fā)酵溫度控制在一定的范圍，常在發(fā)酵設(shè)備上裝有熱交換設(shè)備，例如采用夾套、排管或蛇管進(jìn)行調(diào)溫，冬季發(fā)酵時空氣還需要進(jìn)行加熱。,發(fā)酵過程pH的調(diào)控,微生物的生長繁殖或產(chǎn)物的合成往往需要一定的pH環(huán)境，在最適pH值下有利于加快各種酶的反應(yīng)。因此在整個發(fā)酵過程中應(yīng)使培養(yǎng)基的pH適合于微生物生長或產(chǎn)物合成所需。,pH值的控制方法,1. 在配制培養(yǎng)基時考慮所用營養(yǎng)物質(zhì)的組成成分，使其pH值適合該微生物生長或合成代謝產(chǎn)物的需要。 2. 在發(fā)酵過程中根據(jù)

6、pH值的變化可用流加氨水的方法來解決。同時又把氨水作為氮源來供給。,3. 控制pH最常用的方法是在培養(yǎng)基中添加具有一定緩沖能力的物質(zhì)作為營養(yǎng)物，如以磷酸鹽作為磷的成分；避免使用容易產(chǎn)生生理酸性或堿性物質(zhì)，如生理酸性銨鹽作為氮源，由于NH4+被利用后剩余大量酸根，引起發(fā)酵液的pH值下降。,4、以尿素作為氮源進(jìn)行流加控制pH值，是目前國內(nèi)味精廠普遍采用的方法。當(dāng)流加尿素后，尿素被微生物的脲酶分解放出氨，使pH上升，氨被微生物利用和形成代謝產(chǎn)物后，使pH下降，再次反復(fù)流加就可維持一定的pH值。 5、提高通氣量，加速脂肪酸代謝也可以補償pH值變化。,發(fā)酵過程中溶解氧的控制,由于依賴獲得能量的代謝方面的

7、差異，微生物對氧的需要也存在不同。好氣菌主要是有氧呼吸，厭氣菌為厭氣發(fā)酵，兼性厭氣菌則兩者兼而有之。 不同微生物或同一微生物的不同生長階段對溶解氧的要求也不相同。,溶解氧的控制,（1）增加氧推動力： 改變通氣速率，加大通氣流量 通入純氧 提高罐壓,（2）控制攪拌 攪拌能使氧氣更好地與培養(yǎng)液混合，保證氧的最大限度溶解; 攪拌有利于熱交換，使培養(yǎng)液的溫度一致; 還有利于營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物的分散; 此外，擋板則有助于攪拌，使其效果更好。,一般來說，若發(fā)酵罐深，攪拌轉(zhuǎn)速大，通氣管開孔小，氣泡在培養(yǎng)液內(nèi)停留時間就長，氧的溶解速度就大，而且在這些因素確定的情況下，培養(yǎng)基的粘度越小，氧的溶解速度也越大。 攪拌

8、可以提高通氣效果，但是過度地劇烈攪拌會導(dǎo)致培養(yǎng)液大量涌泡，容易增加雜菌污染的機(jī)會，微生物細(xì)胞也不宜劇烈攪拌。,（3）增加傳氧中間介質(zhì) 如烴類石蠟、甲苯基含氟碳化物 近年來，有將細(xì)菌的血紅蛋白基因轉(zhuǎn)入微生物中，及時增加了菌體內(nèi)對低濃度氧的利用 （4）控制菌體濃度 如菌體濃度過高，超出設(shè)備的供氧能力，可降低發(fā)酵溫度，抑制微生物的呼吸和生長，減少對氧的需求,（5）流加培養(yǎng)基 某些菌種培養(yǎng)過程中，如需控制溶解氧上升，可適當(dāng)補充培養(yǎng)基，使菌體生長代謝，加大氧消耗。,CO2的影響及其控制,CO2能刺激和抑制菌體生長，是大腸桿菌某些突變株的生長因子。 高濃度的CO2會使菌體細(xì)胞變形，CO2濃度從8%提高到1

9、5%-22%，產(chǎn)黃青霉菌絲由絲狀變成膨大的短粗狀，CO2濃度進(jìn)一步提高時，菌絲變成球狀，青霉素合成受阻。 高濃度CO2抑制菌體的糖代謝和呼吸速率 CO2對次級代謝產(chǎn)物的合成可能具有調(diào)控作用,影響培養(yǎng)基的pH值 與金屬離子如鈣、鎂等反應(yīng)生成鹽沉淀 尾氣分析-呼吸熵（Respiratory quotient, RQ） 正常情況下，呼吸熵為1 低通氣量和攪拌速率能增加CO2溶解度 CO2溶解度隨罐壓增加而加大,發(fā)酵過程泡沫的影響及控制,發(fā)酵過程對泡沫的控制,機(jī)械法：靠機(jī)械強烈振動和壓力的變化，促使氣泡破裂，或借助機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收，達(dá)到消泡作用。 優(yōu)點：不需在發(fā)酵液中加入其它物質(zhì)，減少了由于加入消泡劑所引起的染菌機(jī)會和對后繼分離工藝的影響。 缺點：效果不如化學(xué)消泡迅速、可靠、不能根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素，同時它還需要設(shè)備和消耗動力。,化學(xué)法：發(fā)酵工業(yè)常用的消泡劑，有各種天然的動植物油及來自石油化工生產(chǎn)的礦物油、改性油、表面活性劑等。而新型的有機(jī)硅聚合物如硅油、硅樹脂等，具有效率高、用量省、無毒性、無代謝性是一類有發(fā)展前途的消泡劑。 泡沫的控制除了添加消泡劑外，改進(jìn)培養(yǎng)基成分也是相輔相成的一個重要方面。,化學(xué)消泡劑