第七章菌体浓度对发酵的影响及控制

菌体浓度对发酵的影响及控制一、菌体浓度对发酵的影响及控制菌体（细胞）浓度[简称菌浓]是指单位体积培养液中菌体的含量。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。影响菌体生长（菌浓）的因素•1.微生物的种类和自身的遗传特性不同种类的微生物其生长速率取决于细胞结构的复杂性和生长机制几种典型生物的倍增时间：细菌：45min酵母：90min霉菌：3h原生动物：6h•2.营养物质和环境条件据Monod方程，生长速度取决于基质的浓度基质抑制作用：在营养物质上限浓度以内，菌体比生长速率则随浓度的增加而增加，但超过上限浓度，反而会引起生长速率的下降基质抑制作用产生的原因：1.高浓度营养基质所形成的高渗透压使细胞脱水2.甲醇、苯酚等化合物对一些关键酶的抑制或引起细胞结构成分的变化一些营养物质的上限浓度（g/L）：NH4+：5.0PO43-：10葡萄糖：100菌体对发酵的影响主要表现：1.菌浓度对产物的率的影响（1）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发酵产物的产率Rp=Qp∙X其中Qp为菌体的比生产速率，X为菌体浓度（2）菌浓过高，对发酵产生多种不利影响OUR：培养液的摄氧率，r；OTR：氧的传递速率，N；可能改变菌体的代谢途径，特别是对培养液中溶解氧的影响较明显。摄氧率OUR按比例增加，氧传递速率OTR成对数减少（3）为获得最高的生产率，需要采用摄氧速率与传氧速率相平衡的菌体浓度，最好维持在临界菌体浓度临界菌体浓度?在抗生素生产中，如何确定并维持临界菌体浓度是提高抗生素生产能力的关键。临界菌体浓度是由菌体的遗传特性和发酵罐的传氧特性共同影响的结果。2.菌浓度对发酵液溶解氧的影响发酵过程中随着菌浓的增加，培养液的摄氧率按比例增加，但表观黏度也增加，使氧的传质速率成对的减少，当摄氧速率大于供氧速率时，发酵液溶解氧浓度就会减少，并成为限制性因素。比如：早期酵母发酵，出现过代谢途径改变、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，使产量变低。临界菌体浓度定义：摄氧速率随菌体浓度变化的曲线和供氧速率随菌体浓度变化的曲线的交点所对应的菌体浓度。•临界菌体浓度是菌体的遗传特性和发酵罐的传氧特性的综合反映。•当发酵罐的通气和搅拌强度大、传氧速率高时、供氧速率的曲线将向上扬，当菌种需氧量小、耗氧速率相应降低时，摄氧速率曲线的斜率将下降。这两种情况都将使临界菌体浓度上升，反之则下降。•菌体浓度的大小与菌体生长速度有密切关系，而菌体生长速度与环境条件和自身遗传因素有关，在这些影响因素中，通过改变培养基浓度及中间补料来控制菌体浓度是发酵过程中主要的措施。菌体浓度的控制依靠调节培养基的浓度来控制菌浓。首先确定基础培养基配方中有个适当的配比，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，超过临界浓度，对产物合成产生抑制作用。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。发酵过程菌体浓度的检测•工业发酵过程中菌体浓度的测定方法常用的有浊度法、干重法、离心称湿法或测体积法等。•浊度法：用于澄清发酵液中非丝状菌的菌浓的测定。通常取发酵液在420～600nm波长范围内测定光密度（OD值）。吸光度要求控制在0.3-0.5范围内，此时吸光值与细胞浓度呈线性关系，故对于较浓发酵液需稀释在此范围内测量。•干重法：取一定体积的发酵液离心或过滤，洗去滤渣上可溶物质后，105℃烘至恒重称量即得干细胞重。•此法费时但对于不含不溶性固形物的发酵液重现性好，对含有不溶性固形物或者油质的培养液则难以有准确结果。•离心称湿重法或者测体积法：取一定体积发酵液，用自然沉降或离心沉降法测定沉降物的湿体积或湿重量。•此法只能作为细胞浓度的粗略估计。