放罐时间太早,会残留过多的养分,对提取不利;如放罐时间太晚,影响过滤。确定合适的发酵终点,对提高产物的生产能力和经济效益是很重要的。
(一)确定合理放罐时间需要考虑的因素
1. 经济因素
从经济因素上考虑,确定一个合理的放罐时间,就要最大限度地降低成本和最大限度地取得最大生产能力的发酵时间为最适发酵时间。因此,在考虑放罐时间时,应考虑到体积生产率 [每升发酵液,每1h形成的产物量(g)] 和总生产率(放罐时发酵单位除以总发酵生产时间)。这里总发酵生产时间包括发酵周期和辅助操作时间,因此要提高总生产率,则有必要缩短发酵周期。这就是要在产物合成速率较低时放罐,延长发酵虽然略能提高产物浓度,但生产率下降,且耗电大,成本提高。
2. 质量因素
从产品质量上考虑,确定一个合理的放罐时间,就要考虑发酵时间长短对下一步提取工艺和产品质量的影响。发酵时间太短,残留过多尚未代谢的营养物质,不利于提取。发酵时间太长,菌体自溶,释放出菌体蛋白或胞内酶,改变发酵液性质,增加过滤难度,延长过滤时间。太长或太短均会使产物质量下降。
考虑到残留物对提取有影响,在放罐临近时,加糖、补料或消泡剂都要慎重,补料可根据糖耗速率计算到放罐时允许的残留量来控制。菌体自溶前往往出现氨基氮升高、pH升高、菌丝碎片增多、黏度增大以及过滤速度降低等异常现象。
3. 特殊因素(www.xing528.com)
在异常情况下,如出现染菌或代谢异常(糖耗缓慢等),为了避免损失,采取提前放罐的补救措施以减少损失。
总之,合理的放罐时间是由试验来确定的,即根据不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的生产率和产品成本,采用生产率高而成本又低的时间,作为放罐时间。
(二)放罐指标
判断放罐的主要指标有产物浓度、氨基氮、菌体形态、pH、培养液外观、黏度等。
不同抗生素品种的发酵,放罐时间的掌握各不相同,有的掌握在菌丝开始自溶前,有的掌握在菌丝部分自溶后,有的用残留碳/氮作为放罐的标准,以使菌丝体内残留抗生素全部释放出来。柠檬酸发酵周期与接种量、菌种性质及发酵工艺条件控制有关,目前国内的发酵周期一般为50~70h,当柠檬酸产量达100~150g/L以及产量不再上升,而残糖降至2g/L以下,可结束发酵。镇江某发酵企业发酵生产透明质酸时,是综合pH及糖代谢情况决定是否放罐,当1min内pH下降低于0.02以下,糖浓度降低至3~5g/L(或糖不消耗)时即可放罐。
山东生产生物肥的某企业,其产品为典型的液体好氧分批发酵。早期控制发酵终点一般采用取样分析,镜检来确定是否结束发酵。由于顾及染菌及菌液损失等因素,不可能频繁取样,因而发酵终点的控制比较粗略,一般在25~30h之间,并且经常出现生产菌老化的情况。后来,通过分析几批试验记录pH的变化曲线,基本摸清了生产菌发酵过程中pH变化规律:发酵结束前在pH曲线上出现一个由低到高的变化拐点,这意味着生产菌已经进入衰减期,不再消耗底物,pH开始上升。因此,应该将发酵终点时间控制在pH变化拐点之前。通过镜检也证明,在pH由低到高变化之前结束发酵,生产菌的数量及生长情况都大大优于在变化拐点之后结束发酵,能够达到最佳效果,从而找到一种控制发酵终点简便有效的方法,如图8-29所示。
图8-29 pH、温度变化曲线
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