【文章內(nèi)容簡介】 9 ■ 某些微生物的臨界氧濃度 微 生 物 溫度（ ?C） 臨界氧濃度 （ mmol/L） 固 氮 菌 30 大腸桿菌 37 酵 母 30 產(chǎn)黃青霉 24 60 溶氧對發(fā)酵的影響 由此可知，只有使溶氧濃度高于其臨界值，才能維持菌體的最大比攝氧率，得到最大的菌體合成量。如果溶氧濃度低于臨界值，則菌體代謝受到干擾。但是，發(fā)酵工業(yè)的目標(biāo)是要得到菌體發(fā)酵的產(chǎn)物而不是菌體本身。因此，由氧饑餓而引起的細(xì)胞代謝干擾，可能對形成某些產(chǎn)物是有利的；同理，當(dāng)提供的氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值時，雖對菌體形成無妨，但也許能刺激產(chǎn)物的形成；所以，某種產(chǎn)物形成的最佳條件可能不同于菌體生長的最佳通氣條件。 61 根據(jù)需氧不同，可將初級代謝發(fā)酵分為： a. 供氧充足條件下，產(chǎn)量最大；若供氧不足，合成受強(qiáng)烈抑制； 如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 ，可得最高產(chǎn)量；若供氧受限，產(chǎn)量受影響不明顯； 如：異亮氨酸，賴氨酸，蘇氨酸等 ，細(xì)胞呼吸受抑制時，才獲得最大量產(chǎn)物；若供氧充足，產(chǎn)物形成反而受抑制； 如：亮氨酸，纈氨酸，苯丙氨酸等 62 ? 但在實際生產(chǎn)過程中需注意： – 溶解氧濃度過低（代謝異常，產(chǎn)量降低） – 溶解氧濃度過高（代謝異常，菌體提前自溶） 63 ■ 實例一 在對黃色短桿菌 (Brevibacterium flavum)生物合成氨基酸進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn) ， 溶氧濃度對相關(guān)的氨基酸的生物合成具有很大的影響 。研究表明：菌體的臨界溶氧濃度為；并根據(jù) “ 安全 ” 的程度予以考慮供氧的程度 ， 也即把菌體的呼吸率作為最大呼吸率的一個組成部分 。 因此 ， 氧安全值低于最大呼吸率就意味著其溶氧濃度低于臨界值 。 64 當(dāng)溶氧濃度低于 ，谷氨酸和天冬氨酸族氨基酸合成受到影響，但苯丙氨酸，纈氨酸和亮氨酸最佳合成的溶氧濃度分別為 、 。從合成途徑中可知，谷氨酸和天冬氨酸族的氨基酸來自于三羧酸循環(huán)(TCA)的中間體，而苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸來自于糖酵解的中間體，即來自于丙酮酸和磷酸稀醇式丙酮酸。 65 ? Feren和 Squires(1969)對頂頭孢霉產(chǎn)生頭孢菌素和卷曲霉素 (Capreomycin)的研究即是一個氧對次級代謝影響的例子。他們的研究表明，頭孢菌素產(chǎn)生菌的臨界氧濃度在 0~7％的空氣飽和度間；而對卷曲霉素產(chǎn)生菌則為 13~23％。但就抑制抗生素生物合成的溶氧濃度來說，對頭孢菌素為低于 1020％；而對卷曲霉素則為 8％。因此，在生產(chǎn)頭孢菌素時，應(yīng)使其溶氧濃度遠(yuǎn)大于臨界值，而在生產(chǎn)卷曲霉素時，則應(yīng)使其溶氧濃度低于臨界值。 ■ 實例二 66 發(fā)酵過程的溶氧變化 ?發(fā)酵前期：由于微生物大量繁殖，需氧量不斷大幅度增加，此時需氧超過供氧，溶氧明顯下降 ?發(fā)酵中后期，溶氧濃度明顯地受工藝控制手段的影響，如補料的數(shù)量、時機(jī)和方式等 ?發(fā)酵后期由于菌體衰老，呼吸減弱，溶氧濃度也會逐步上升，一旦菌體自溶，溶氧就會明顯地上升 67 溶氧的控制 ?調(diào)節(jié)通風(fēng)與攪拌（具體內(nèi)容在通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備中介紹） ?限制基礎(chǔ)培養(yǎng)基的濃度，使發(fā)酵器內(nèi)的生物體濃度維持于適當(dāng)水平；并以補料方式供給某些營養(yǎng)成分而控制菌體生長率和呼吸率。 68 四、 CO2對發(fā)酵的影響及控制 CO2是微生物的代謝產(chǎn)物，同時也是某些合成代謝的基質(zhì)。它是細(xì)胞代謝的重要指標(biāo)。在發(fā)酵過程中， CO2有可能對發(fā)酵有促進(jìn)作用，也有可能有抑制作用。 69 CO2對發(fā)酵的影響 ?CO2對菌體具有抑制作用，當(dāng)排氣中 CO2的濃度高于 4%時，微生物的糖代謝和呼吸速率下降。例如，發(fā)酵液中 CO2的濃度達(dá)到 101mol， 就會嚴(yán)重抑制酵母的生長；當(dāng)進(jìn)氣口CO2的含量占混合氣體的 80%時，酵母活力與對照相比降低 20%。 70 ?CO2對發(fā)酵也有影響 ?對發(fā)酵促進(jìn)。如牛鏈球菌發(fā)酵生產(chǎn)多糖，最重要的發(fā)酵條件是提供的空氣中要含 5%的 CO2 。 ?對發(fā)酵抑制。如對肌苷、異亮氨酸、組氨酸、抗生素等發(fā)酵的抑制 ?影響發(fā)酵液的酸堿平衡 71 ● CO2及 HCO3主要是影響細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的流動性及表面電荷密度發(fā)生改變，影響到細(xì)胞膜的輸送效率，導(dǎo)致細(xì)胞生長受到抑制、形態(tài)發(fā)生改變。 ● 培養(yǎng)液中的 CO2主要作用于細(xì)胞膜的脂質(zhì)核心部位； ● HCO3影響細(xì)胞膜的膜蛋白。 CO2對發(fā)酵影響的機(jī)理 72 CO2的控制 CO2在發(fā)酵液中的濃度變化不像溶解氧那樣有一定的規(guī)律。它的大小受到許多因素的影響，如細(xì)胞的呼吸強(qiáng)度、發(fā)酵液的流變學(xué)特性、通氣攪拌程度、罐壓大小、設(shè)備規(guī)模等。在發(fā)酵過程中通常通過調(diào)節(jié)通風(fēng)和攪拌來控制。 73 五、發(fā)酵過程中的泡沫及其控制 泡沫的性質(zhì) 泡沫是氣體被分散在少量液體中的膠體體系。泡沫間被一層液膜隔開而彼此不相連通。發(fā)酵過程中所遇到的泡沫，其分散相是無菌空氣和代謝氣體，連續(xù)相是發(fā)酵液。 74 ?一類存在于發(fā)酵液的液面上，這類泡沫氣相所占比例特別大，并且泡沫與它下面的液體之間有能分辮的界線。如在某些稀薄的前期發(fā)酵液或種子培養(yǎng)液中所見到的。 ?另一種泡沫是出現(xiàn)在粘稠的菌絲發(fā)酵液當(dāng)中。這種泡沫分散很細(xì)，而且很均勻，也較穩(wěn)定。泡沫與液體間沒有明顯的波面界限，在鼓泡的發(fā)酵液中氣體分散相占的比例由下而上地逐漸增加。 泡沫的類型 75 ?由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）； ?發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)生成（發(fā)泡性物質(zhì)）。 泡沫產(chǎn)生的原因 76 ?降低發(fā)酵設(shè)備的利用率 ?增加了菌群的非均一性 ?增加了染菌的機(jī)會 ?導(dǎo)致產(chǎn)物的損失 ?消泡劑會給后提取工序帶來困難 泡沫對發(fā)酵的不利影響 77 ?通氣與攪拌的強(qiáng)度 ?培養(yǎng)基的配比及原材料組成 ?培養(yǎng)基的破壞程度 ?接種量的大小 ?培養(yǎng)液本身性質(zhì)的變化 ?培養(yǎng)基滅菌的方法和操作 ?染菌 影響泡沫穩(wěn)定的因素 78 不同攪拌速度和通氣量對泡沫影響 79 不同濃度蛋白質(zhì)原科的起泡作用 80 滅菌時間對泡沫穩(wěn)定性的影響 81 發(fā)酵過程泡沫的變化 82 發(fā)酵過程泡沫控制的方法 ? 物理消沫法 ? 化學(xué)消沫法 83 物理消泡法 方 法 罐內(nèi)消沫法： 罐外消沫法： 原 理 靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動或者壓力變化，促使泡沫破裂，或借機(jī)械力將排出氣體中的液體加以分離回收。 優(yōu) 點 不需要引進(jìn)外界物質(zhì)、節(jié)省原材料、減少污染機(jī)會 缺 點 不能從根本眾消除引起穩(wěn)定泡沫的因素。 84 化學(xué)消泡法 機(jī) 理 ? 當(dāng)泡沫的表層存在著由極性的表面活性物質(zhì)形成雙電層時，可以加入另一種具有相反電荷的表面活性劑，以降低泡沫的機(jī)械強(qiáng)曲或加入某些具有強(qiáng)極性的物質(zhì)與發(fā)泡劑爭奪液 膜上的空間，降低液膜強(qiáng)度，使泡沫破裂。 ? 當(dāng)泡沫的液膜具有較大的表面粘度時，可以加入某些分子內(nèi)聚力較小的物質(zhì)，以降低液膜的表面粘度，使液膜的液體流失，導(dǎo)致泡沫破裂。 85 選擇消泡劑的依據(jù) ? 對發(fā)酵過程無毒，對人、畜無害和不影響酶的生物合成。 ? 消泡作用迅速，效果高和持久性能好 ? 能耐高壓蒸氣滅菌而不變性，在滅菌溫庫下對設(shè)備無腐蝕性或不形成腐蝕性產(chǎn)物。 ? 不影響以后的提取過程。 ? 消沫劑的來源多，價格低，添加裝置簡單。 ? 不干擾分析系統(tǒng)，如溶解氧、 pH測定儀的探頭。 ? 最好還能做到不影響氧的傳遞。 86 消泡劑的種類和性能 ? 天然油脂：常用的有玉米油、米糠油、豆油、棉子油、魚油及豬油等。 ? 聚醚類：在生產(chǎn)上應(yīng)用較多的是聚氧丙烯甘油和聚氧乙烯氧丙烯甘油 (又稱泡敵 )。 ? 高級醇類 十八醇是較常用的一種，可以單獨或與載體 — 起使用。據(jù)報導(dǎo)，它與冷榨豬油一起控制青男素發(fā)酵的泡沫，效果較好。聚二酵具有消沫效果持久的特點，尤其適用于霉菌發(fā)酵。 ? 硅酮類 硅酮類消沫劑主要是聚二甲基硅氧烷及其衍生物。 87 六、補料控制 基質(zhì)濃度對發(fā)酵的影響 88 補料控制目的 ?解除基質(zhì)過濃的抑制 ?解除產(chǎn)物的反饋抑制 ?解除葡萄糖分解代謝阻遏效應(yīng) 89 ?補充微生物能源和碳源的需要。 ?補充菌體所需要的氮源。 ?補充微量元素或無機(jī)鹽。 補料的內(nèi)容 90 ?控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)