3.发酵液流变学
一般发酵液视为拟均相,而在高密度发酵时, 不能忽视菌体所占的体积,表现为气液固三相。 另外,高密度发酵液的粘度也会大幅度增加, 表现为非牛顿型流体,对氧的传递和营养物的 传质都产生较大影响。
4.高密度发酵的研究进展
发酵方式 的选择 提高氧的 供应方法 防止乙醇 的产生 发酵液流 变学

4.4发酵液流变学
对气液固三相发酵液来讲,一般文献大多强 调气液传递,而忽略了液固传递的影响。而在 高密度发酵中,菌体成份不能忽视。李佐虎教 授提出的外界周期刺激强化细胞膜传质新理 论无疑对这方面的研究提供了指导意义。对 于高粘度发酵体系,气升式发酵罐较机械式搅 拌罐具有较强的优势。
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酵母菌的高密度发酵
发酵工程 课程设计第四组
1.什么是高密度发酵
指培养液中工程菌的菌体浓度在50gDCW （菌体干重）/L以上，理论上的最高值可达 200gDCW/L的发酵方式。 高密度发酵可以提高发酵罐内的菌体密度， 提高产物的细胞水平量，相应的减少了生物 反应器（发酵罐）的体积，提高单位体积设 备的生产能力，降低生物量的分离费用，缩 短生产周期，从而达到降低生产成本，提高 生产效率的作用。
3.限制酵母菌高密度发酵的因素
营学
1.营养源 高密度发酵的生物量达150g/L到200g/L,需要投入2 倍到5倍于生物量的基质,加上利用率,实际用量远高 于此值。如按葡萄糖计,酵母菌体得率在好氧条件下, 葡萄糖的理论值是菌体的2倍,而实用为4倍到10倍;在 厌氧条件下,理论值和实用值分别为9倍和60倍到80 倍。根据米氏动力学理论,当营养增加到一定量时 (10ks至20ks),生长显示饱和型动力学,进一步增加底 物浓度,就可能发生一种基质抑制区,表现为迟滞期延 长,比生长速率下降,菌体得率下降。对某些常用营养 的极限指标是铵盐5g/L,磷酸盐10g/L,NaCl10g/L至 20g/L,乙醇100g/L,葡萄糖100g/L。

4.3防止乙醇的产生
早在巴斯德时代,人们已知道大量通风不产生乙醇,并且采 用了补料技术(1915年)。但由于酵母菌的乙醇发酵酶系是 组成酶,不受其他影响,而其呼吸酶系是阻遏酶系,受其他条 件影响较大。Crabtrec效应就是指在高糖浓度下,即使在 有氧条件下,使菌体由呼吸型向发酵型转变,也就是高速率 同化葡萄糖而引起的好氧呼吸的阻遏作用。一般产生乙 醇的条件是菌体比生长速率过高时,即使葡萄糖浓度保持 在较低水平,酵母菌仍可转化为发酵性代谢,从而使菌体产 量下降;或者供给糖量高于酵母菌所能同化的速率,即使供 氧充分,仍然产生乙醇。为了防止乙醇产生,一般采用保持 一定的比生长速率,采用补料技术,充分通风,使所产生的乙 醇为酵母菌再利用。近年来兴起的生物反应和分离耦合 技术在高密度发酵中的应用已取得了很大进展。乙醇作 为副产物被在位分离出去。 另外,对于CO2的有效去除, 主要考虑设备选型和操作技巧问题。而消泡剂的使用也 涉及到选型和操作技巧。
4.1发酵方式的选择 为了解决高浓度底物抑制,补料分批发酵已被广泛地 应用各类微生物的高密度发酵,如Suzuki等(1982年)采 用流加所有养料的方法,使酵母菌体浓度可达150g/L 以上。他们用多孔特氟隆管式传感器控制底物乙醇 流加。使用质量平衡原理配制并流加复合无机盐溶 液,其流加速度与乙醇和氨水的流加速度相配合。 Mori等(1983年)对可同化乙醇的酵母采用补料分批、 重复补料和连续发酵三种方式进行了比较,结果是补 料分批发酵和重复补料分批发酵的菌体浓度均在 150g/L以上,连续发酵的菌体浓度50g/L,而它们的生产 率分别为6.97g/L.h.,10.9g/L.h.和10g/L.h.。因此,重复 补料发酵是经济、有效的高密度发酵方式
另外,在高密度大规模发酵中,大量泡沫的产生 和不合理的使用消泡剂也会导致发酵失败。 酵母菌在生产过程中,分泌一些蛋白质等表面 性物质,这些物质被相间界面所吸附,导致液体 表面张力降低,使单位体积中的相间界面积 增大;但表面活性物质在相间界面上聚集,超过 一定浓度时,使KL剧烈下降。菌体在高密度发 酵时,耗氧速率剧增,更可能使发酵液内的溶氧 降到临界浓度以下。此时,再加消泡剂或再补 料,使溶氧浓度在临界值以下停留了较长时间, 导致菌体呼吸停止或厌氧发酵,并可能造成菌 体自溶,产生大量蛋白质和核酸,形成乳化现象。 若再加消泡剂就形成恶性循环。
由于氧气在纯水中溶解度很大,在培养基中,溶解度更 低,发酵液中达到30g/L,50g/L,150g/L,其需要使氧传递 率分别为200mmpl/l.h,375mol/l.h和900mol/l.h,而对现 有生物反应器的氧传递速率上限为300mmol/l.h。因 此,溶解氧的供给问题是一个关键限制因素。
4.2提高氧的供应方法 为了在高密度发酵过程中,保持一定的溶氧浓度,现在 小型发酵罐中一般采用同纯氧混合通气来提高氧分 压。由于使用纯氧不安全、不经济,同时在大规模发 酵罐中可能局部混合不均,易使微生物产生氧中毒,反 而抑制了菌体生长。最近已开发了多种提高氧供应 的方法,如通过提高发酵罐的压力来提高氧的分压,ICI 公司的压力循环罐已试验成功。在培养液中添加过 氧化氢,在细胞过氧化氢酶的作用下,释放出氧气,供菌 体使用。有人采用和小球藻混合培养方法,使藻细胞 进行光合作用,所产生的氧气直接供菌体吸收。在培 养基中添加血红蛋白或氟化物乳剂,将其作为氧气载 体,提高培养基中氧的含量,在培养基中添加75%氟化 物乳剂,发酵24h,酵母菌体可达155g/L
2.生长抑制性物质
酵母菌在好氧发酵中,由于供氧不足、比生长速率 过大或碳源供给量高于酵母菌所能同化的速率,就会 产乙醇等代谢副产物,对菌体生长产生抑制。尤其是 高密度发酵,问题更为突出。CO2对菌体生长的影响 也不允忽视, ,一般发酵液中溶解7.04%就可抑制酵母 菌的生长,高于4%,生长下降。发酵液中CO2的溶解度 应控制在1%至3%之间。但在大规模发酵罐中,CO2的影 响将成为一个突出的问题。因为罐中CO2的分压是液 体深度的函数,在罐压为0.2kg/cm2时,10m高的罐底部 的CO2分压是端的CO2分压的2倍。
2.酵母菌在发酵工业方面的优势
首先,因为酵母菌生长繁殖快、代期短,生产
蛋白的速率为动植物所不能比拟 其次,酵母菌含有极丰富的蛋白质(45%至56%), 具有人体所必需的八种氨基酸和B族维生素,还 拥有丰富的酶系和多种经济价值很高的生理活 性物质。 第三,酵母菌生产不受季节、气候和地区的限 制 第四,酵母与其他微生物相比,具有易于收集, 代谢方式多样性,对环境的适应性较强和人们易 于接受等特性