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影响物料在发酵罐反应的因素
点击次数:561 发布时间:2019-04-17
   影响物料在发酵罐反应的因素
  物料在发酵罐中发酵的过程是一个复杂的过程,在这个过程中必须要严格控制各项参数以保证发酵过程不受影响,在这个过程中有很多因素会影响发酵过程:如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解氧、基质浓度等,称为直接参数;另外一类包括细胞生长速率、产物合成速率和呼吸嫡等。这些参数需要根据一些直接检测出来的参数,借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到。因此这类参数被称为间接参数。在这些因素中对发酵过程影响较大的有温度、pH值和溶解氧浓度等。
  一、温度对发酵过程的影响
  发酵罐温度会影响各种酶反应的速率,改变菌体代谢产物的合成方向,影响微生物的代谢调控机制。除这些直接影响外,温度还对发酵液的理化性质产生影响,如发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等,进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
  发酵温度可通过温度计或自动记录仪表进行检测,通过向发酵罐的夹套或蛇形管中通人冷水、热水或蒸汽进行调节。工业生产上,所用的大型发酵罐在发酵过程中一般不需要加热,因发酵中释放了大量的热,在这种情况下通常还需要加以冷却,利用自动控制或手动调整的阀门,将冷却水通人夹套或蛇形管中,通过热交换来降温,保持恒温发酵。
  二、溶解氧浓度对发酵罐发酵过程的影响
  对于好氧发酵,溶解氧浓度是重要的参数之一。微生物深层培养时,需要适量的溶解氧以维持其呼吸代谢和某些产物的合成,氧的不足会造成代谢异常,产量降低。
  微生物发酵的最适氧浓度与临界氧浓度是不同的。前者是指溶解氧浓度对生长或合成在适合的浓度范围内,后者一般指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度。为了避免生物合成处在氧限制的条件下,需要考察发酵过程的临界氧浓度和最适氧浓度,并使其保持在最适氧浓度范围。
  现在已可采用复膜氧电极来检测发酵液中的溶解氧浓度。要维持一定的溶氧水平,需从供氧和需氧两方面着手。在供氧方面,主要是设法提高氧传递的推动力和氧传递系数,可以通过调节搅拌转速或通气速率来控制。同时要有适当的工艺条件来控制需氧量,使菌体的生长和产物形成对氧的需求量不超过设备的供氧能力。
  已知发酵液的需氧量,受菌体浓度、基质的种类和浓度以及培养条件等因素的影响,其中以菌浓的影响明显。发酵液的摄氧率随菌浓增大而增大,但氧的传递速率随菌浓的对数关系减少。
  因此可以控制菌的比生长速率比临界值略高一点,达到最适菌体浓度。这样既能保证产物的比生产速率维持在最大值,又不会使需氧大于供氧。这可以通过控制基质的浓度来实现,如控制补糖速率。除控制补料速度外,在工业上,还可采用调节温度(降低培养温度可提高溶氧浓度)。液化培养基、中间补水,添加表面活性剂等工艺措施,来改善溶氧水平。
  三、PH值对发酵罐发酵过程的影响
  发酵过程中,pH值的变化取决于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。培养基中的营养物质的代谢,是引起pH值变化的重要原因,发酵液的pH值变化乃是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果。每一类微生物都有其最适的和能耐受的pH值范围,而且微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH值往往不一样,需要根据实验结果来确定。
  PH值对发酵罐发酵过程的影响主要表现在以下几个方面:
  1.影响酶的活性,当pH值抑制菌体中某些酶的活性时,会阻碍菌体的新陈代谢;
  2.影响培养基中某些组分和中间代谢产物的离解,从而影响微生物对这些物质的利用;
  3.影响微生物细胞膜所带电荷的状态,改变细胞膜的通透性,影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄;
  4.PH值不同,往往引起菌体代谢过程的不同,使代谢产物的质量和比例发生改变。
  5.pH值还会影响某些霉菌的形态。
  为了确保发酵罐发酵的顺利进行,必须使其各个阶段经常处于最适pH值范围之内,这就需要在发酵过程中不断地调节和控制pH值的变化。
  首先需要考虑和试验发酵培养基的基础配方,使它们有个适当的配比,使发酵过程中的pH值变化在合适的范围内。如果达不到要求,还可在发酵过程中补加酸或碱。
  此外,用补料的方式来调节pH值也比较有效。这种方法,既可以达到稳定pH值的目的,又可以不断补充营养物质。成功的例子就是青霉素发酵的补料工艺,利用控制葡萄糖的补加速率来控制pH值的变化,其青霉素产量比用恒定的加糖速率和加酸或碱来控制pH值的产量高25%。
  目前已试制成功适合于发酵过程监测pH值的电极,能连续测定并记录pH值的变化,将信号输人pH值控制器来指令加糖、加酸或加碱,使发酵液的pH值控制在预定的数值。
  发酵过程中温度、溶解氧浓度、PH值等各参数的控制很重要,目前发酵工艺控制的方向是转向自动化控制,因而希望能开发出更多更有效的传感器用于过程参数的检测,有助于企业更好的使用发酵罐来进行生产作业。
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