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发酵行业影响菌种质量的主要因素

发表时间:2022/10/19 13:01:43  浏览次数:3309  
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菌种扩大培养的关键就是搞好种子罐的扩大培养,影响种子罐培养的主要因素包括营养条件、培养条件、染菌的控制、种子罐的级数和接种量控制等。

1.培养基

培养基是微生物获得生存的营养来源,对微生物生长繁殖、酶的活性与产量都有直接的影响。不同微生物对营养的要求不一样,但它们所需的基本营养大体上是一致的,其中以碳源、氮源、无机盐、生长素和金属离子等最重要。

一般来说,种子罐是培养菌体的,培养基的糖分要少,而对微生物生长起主导作用的氮源要多,且其中无机氮源所占的比例要大些。种子罐和发酵罐的培养基成分相同,使处于对数生长期的菌种移植在适宜的环境中发酵,可以大大缩短其生长延滞期。其原因是执行代谢活动的酶系已经形成,可立即实施代谢功能,不需花费时间另建适宜新环境的酶系。因此,种子罐和发酵罐的培养基成分趋于一致较好,但各成分的数量(即原料配比)需根据不同的培养目的各自确定。

2.接种龄和接种量

接种龄和接种量是种子制备过程中重要的控制指标。

接种龄是指种子罐中培养的菌体从开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。在种子罐中,随着培养时间的延长,菌体量增加,基质消耗和代谢产物积累,菌体量不再增加,逐渐老化。因此,选择适当的接种龄是一个至关重要的因素。接种龄一般以菌体处于生长旺盛期,且培养液中菌体量还未达到最高峰时,即对数生长期最合适。如果种子过于年幼,接入发酵罐后,会出现前期生长缓慢,整个发酵周期拉长,产物开始形成的时间推迟,而过老的种子也会出现生产能力下降而使菌体自溶的现象。对于不同菌种、不同产品品种、不同工艺条件,其接种龄也不相同,具体的生产,接种龄要进行多次试验,从发酵产品产量的多少,即产率大小来确定最适接种龄。

接种量指的是移入的种子悬浮液体积和接种后培养液体积的比例。抗生素的工业生产,大多数发酵的最适接种量为7%~15%或更多。啤酒生产发酵的接种量为5%~10%,谷氨酸发酵接种量仅为1%。接种量大小取决于生产菌的生长繁殖速度。大接种量可以缩短发酵罐中菌体数达到高峰的时间,可以提早形成产物。这是因为种子液中含有胞外水解酶类,种子量大,酶量也多,有利于对基质的作用和利用,同时菌体量多,占有绝对生长优势,可以相对减少少杂菌污染的机会。但接种量太大,也会造成菌体生长过速,溶解氧跟不上,从而影响产物的合成。

3.温度

温度对微生物的影响,不仅表现在对菌体表面的作用,而且因热平衡的关系,热传递至菌体内,对菌体内部所有的物质都有作用。由于生物体的生命活动可以看作是相互连续进行的酶反应,任何化学反应又都和温度有关,通常在生物学范围内每升高10℃,生长速度就加快1倍,所以温度直接影响酶反应,进而影响着生物体的生命活动。对于微生物来说,温度直接影响其生长和合成酶活性。任何微生物的生长都需要有适宜的生长温度,在此温度范围内,微生物生长、繁殖最快。大多数微生物的最适生长温度在25~37℃范围内,细菌的最适生长温度大多比霉菌高些。如果所培养的微生物能承受稍高一些的温度进行生长、繁殖,可减少污染杂菌的机会,减少夏季培养所需降温的辅助设备,对工业生产有很大的好处。

不管微生物处于哪个生长阶段,每种微生物都有自己的最高生长温度和最低生长温度。为了使种子罐培养温度控制在一定的范围,生产上常在种子罐上安装热交换设备,如夹套、排管或蛇管等进行温度调节,冬季进风时还需加热。

4.pH值

培养基的氢离子浓度对微生物的生命活动有显著影响。各种微生物都有自己生长与合成酶的最适pH值。同一菌种合成酶的类型与酶系组成可随pH值的改变而产生不同程度的变化。例如,黑曲霉合成柚苷酶时,培养基在pH 6.0以上的环境中,果胶酶活性受到抑制,pH值改变到6.0以下就形成果胶酶,且酶系组成由pH值决定。泡盛酒曲霉突变株在pH 6.0条件下培养时以产生α-淀粉酶为主,糖化型淀粉酶与麦芽糖酶产生极少,在pH 2.4条件下培养,转向糖化型淀粉酶与麦芽糖酶的合成,α-淀粉酶受到抑制。

由此可见,培养基的pH值与微生物生命活动和酶系组成关系十分密切。培养基pH值在发酵过程中能被菌体代谢所改变,阴离子(如醋酸根、磷酸根)被吸收或氮源被利用后NH3的产生,使pH值上升;阳离子(如、K+)被吸收或有机酸的积累,使pH值下降。一般来说,高碳源培养基倾向于向酸性pH值转移,高氮源培养基倾向于向碱性pH值转移,这都跟碳氮比直接相关。因此,培养基必须保持适当的pH值,而调节pH值的方法有三种,即使用酸碱溶液、缓冲液以及各种生理缓冲剂(如生理酸性与生理碱性的盐类)。

5.通气与搅拌

好氧菌或兼性需氧菌的生长与合成酶都需要供给氧气。不同微生物要求的通气量不同,即使是同一菌种,在不同生理时期对通气量的要求也不相同。因此,在控制通气条件时,必须考虑到既能满足菌种生长与合成酶的不同要求,又要节省电耗,以提高经济效益。

在培养阶段的各个时期究竟如何选择通气量,要根据菌种的特性、罐的结构、培养基的性质等许多因素,通过试验确定。通气量的多少,最好按氧溶解的多少决定。只有氧溶解的速度大于菌体的吸氧速度时,菌体才能正常地生长和合成酶,否则氧的溶解比消耗少,氧的浓度降低,降到某一浓度(称溶解氧的临界点)时,菌体生长就减慢。因此,随着菌体繁殖、呼吸增强,必须按菌体的吸氧量加大通气量,以增加溶解氧的量。一般来说,培养罐深、搅拌转速大、通气管开孔面积小或数量多,气泡在培养液内停留时间就长,氧的溶解速度也就大,且在这些因素确定的条件下,培养基的黏度越小,氧的溶解速度也越大。因此,根据罐的结构考虑培养液的黏度,增加一定的通气量,可以达到菌体所需的溶解氧,满足菌体呼吸的需要。

搅拌可以提高通气效果,促进微生物的繁殖,但是剧烈搅拌会导致培养液大量涌泡,液膜表层的酶容易氧化变性,损伤微生物细胞,同时泡沫过多将增加杂菌污染的机会。

6.泡沫

菌种培养过程中产生的泡沫与微生物的生长和合成酶有关。泡沫的持久存在影响微生物对氧的吸收,妨碍二氧化碳的排除,因而破坏其生理代谢的正常进行,不利于发酵。此外,由于泡沫大量地产生,致使培养液的容量一般只是种子罐容量的一半左右,大大影响设备的利用率,甚至发生跑料现象,导致染菌,使损失更大。

在菌种培养过程中产生泡沫的原因是很多的。通气、机械搅拌使液体分散和空气窜入形成气泡,培养基中某些成分的变化或微生物的代谢活动产生气泡,培养基中某些成分(如蛋白质及其他胶体物质)的分子在气泡表面排列形成坚固的薄膜,不易破裂,聚成泡沫层。

对菌种培养过程的消泡措施的研究,主要偏重于化学消泡和机械消泡,并取得了一定的进展。微生物工业目前使用的消泡剂,有各种天然的动植物油以及来自石油化工生产的矿物油、改性油、表面活性剂等,这类消泡剂往往因培养液的pH值、温度、成分、离子浓度以及表面性质的改变,在消泡能力上呈现很大的差别,在培养液内残留量也高,给净化处理造成不同程度的困难。而新型的有机硅聚合物如硅油、聚硅氧烷树脂等,则具有效率高、用量省、无毒性、无代谢性,同时兼有提高微生物合成酶活性等多种优良特性,是一类有发展前途的消泡剂。泡沫的控制除了添加消泡剂外,改进培养基成分也是相辅相成的一个重要方面。例如,在培养基配料中增加磷酸盐已在某些场合收到实效,可使消泡剂添加量大幅降低。

7.染菌的控制

染菌是微生物发酵生产的大敌,一旦发现染菌,应及时进行处理,以免造成更大的损失。如果不是设备本身结构存在“死角”,染菌的原因归纳起来主要包括设备、管道、阀门漏损,灭菌不彻底,空气净化不好,无菌操作不严或菌种不纯等。

因此,要控制染菌继续发展,必须及时找出染菌的原因,采取措施,杜绝染菌事故再现。菌种发生染菌会使各个发酵罐都染菌。因此,必须加强接种室的消毒管理工作,定期检查消毒效果,严格无菌操作技术。如果新菌种不纯,则需反复分离,直至完全纯粹为止。对于已出现杂菌菌落或噬菌体噬斑的试管斜面菌种,应予以废弃。在平时应经常分离试管菌种,以防菌种衰退、变异和污染杂菌。对于菌种扩大培养的工艺条件要严格控制,对种子质量更要严格掌握,必要时可将种子罐冷却,取样做纯菌试验,确认种子无杂菌存在,才能向发酵培养基中接种。

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