菌体浓度对发酵的影响.docVIP

一、菌体浓度对发酵的影响及控制 　　菌体（细胞）浓度(cellconcentration)是指单位体积培养液中菌体的含量。无论在科学研究上，还是在工业发酵控制上，它都是一个重要的参数。菌浓的大小，在一定条件下，不仅反映菌体细胞的多少，而且反映菌体细胞生理特性不完全相同的分化阶段。在发酵动力学研究中，需要利用菌浓参数来算出菌体的比生长速率和产物的比生成速率等有关动力学参数，以研究它们之间的相互关系，探明其动力学规律，所以菌浓仍是一个基本参数。 菌浓的大小与菌体生长速率有密切关系。比生长速率μ大的菌体，菌浓增长也迅速，反之就缓慢。而菌体的生长速率与微生物的种类和自身的遗传特性有关，不同种类的微生物的生长速率是不一样的。它的大小取决于细胞结构的复杂性和生长机制，细胞结构越复杂，分裂所需的时间就越长。典型的细菌、酵母、霉菌和原生动物的倍增时间分别为45min、90min、3h和6h左右，这说明各类微生物增殖速率的差异。菌体的增长还与营养物质和环境条件有密切关系。营养物质包括各种碳源和氮源等成分和它们的浓度。按照Monod方程式来看，生长速率取决于基质的浓度(各种碳源的基质饱和系数Ks在1～10mg／L之间)，当基质浓度c(S)10Ks时，比生长速率就接近最大值。所以营养物质均存在一个上限浓度，在此限度以内，菌体比生长速率则随基质浓度增加而增加，但超过此上限，基质浓度继续增加，反而会引起生长速率下降。这种效应通常称为基质抑制作用。这可能是由于高浓度基质形成高渗透压，引起细胞脱水而抑制生长。这种作用还包括某些化合物(如甲醇、苯酚等)对一些关键酶的抑制，或使细胞结构成分发生变化。一些营养物质的上限浓度(g／L)如下：葡萄糖100、NH4+5、PO43-10。在实际生产中，常用丰富培养基，促使菌体迅速繁殖，菌浓增大，引起溶氧下降。所以，在微生物发酵的研究和控制中，营养条件(含溶氧)的控制至关重要。影响菌体生长的环境条件有温度、pH值、渗透压和水分活度等因素。 　　菌浓的大小，对发酵产物的得率有着重要的影响。在适当的比生长速率下，发酵产物的产率与菌浓成正比关系，即 P=QPmc(X) 式中P——发酵产物的产率(产物最大生成速率或生产率)，g／(L·h)； QPm——产物最大比生成速率，h-1； c(X)——菌体浓度，g／L。 　　菌浓愈大，产物的产量也愈大，如氨基酸、维生素这类初级代谢产物的发酵就是如此。而对抗生素这类次级代谢产物来说，控制菌体的比生长速率μ比μ临略高一点的水平，达到最适菌浓[即c(X)临]，菌体的生产率最高。但是菌浓过高，则会产生其他的影响，营养物质消耗过快，培养液的营养成分发生明显的改变，有毒物质的积累，就可能改变菌体的代谢途径，特别是对培养液中的溶氧，影响尤为明显。菌浓增加而引起的溶氧下降，会对发酵产生各种影响。早期酵母发酵，会出现代谢途径改变、酵母生长停滞、产生乙醇的现象；抗生素发酵中，也受溶氧限制，使产量降低。如图7-7，为了获得最高的生产率，需要采用摄氧速率OUR与传氧速率OTR相平衡时的菌体浓度，也就是传氧速率随菌浓变化的曲线和摄氧速率随菌浓变化的曲线的交点所对应的菌体浓度，即临界菌体浓度c(X)临。菌体超过此浓度，抗生素的比生成速率和体积产率都会迅速下降。 图7-7摄氧速率OUR曲线与传氧速率OTR曲线关系示意图 　　发酵过程中除要有合适的菌浓外，还需要设法控制菌浓在合适的范围内。菌体的生长速率，在一定的培养条件下，主要受营养基质浓度的影响，所以要依靠调节培养基的浓度来控制菌浓。首先要确定基础培养基配方中有适当的配比，避免产生过浓(或过稀)的菌体量。然后通过中间补料来控制，如当菌体生长缓慢、菌浓太稀时，则可补加一部分磷酸盐，促进生长，提高菌浓；但补加过多，则会使菌体过分生长，超过c(X)临，对产物合成产生抑制作用。在生产上，还可利用菌体代谢产生的CO2量来控制生产过程的补糖量，以控制菌体的生长和浓度。总之，可根据不同的菌种和产品，采用不同的方法来达到最适的菌浓。 基质对发酵影响及其控制 　　基质即培养微生物的营养物质。对于发酵控制来说，基质是生产菌代谢的物质基础，既涉及菌体的生长繁殖，又涉及代谢产物的形成。因此基质的种类和浓度与发酵代谢有着密切的关系。所以选择适当的基质和控制适当的浓度，是提高代谢产物产量的重要方法。 　　据Monod方程，在分批发酵中菌体比生长速度是基质浓度的函数。在c(S)Ks的情况下，菌体比生长速率与基质浓度呈线性关系。在正常的情况下，可达到菌体最大比生长速率，然而，由于代谢产物及其基质过浓，而导致抑制作用，出现菌体比生长速率下降的趋势。当葡萄糖浓度低于100～150g／L，不出现抑制作用；当葡萄糖浓度高于350～500g／L，多数微生物不能生长，细胞出现脱水现象。