发布时间 : 星期三 文章产年2300吨青霉素发酵工段工艺设计 --本科毕业设计更新完毕开始阅读8d3ebc7fcd1755270722192e453610661fd95a6a
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第五章 发酵过程优化控制
5.1 发酵过程中温度的控制
青霉素发酵的最适温度随所用菌株的不同可能稍有差别, 但一般认为应在25℃ 左右。温度过高将明显降低发酵产率 , 同时增加葡萄糖的维持消耗 , 降低葡萄糖至青霉素的转化率。对菌丝生长和青霉素合成来说 , 最适温度不是一样的, 一般前者略高于后者, 故有的发酵过程在菌丝生长阶段采用较高的温度，以缩短生长时间, 到达生产阶段后便适当降低温度 , 以利于青霉素的合成。在较低的通气条件下，由于氧的溶解度是随温度下降而升高的，因此降低发酵温度对发酵是有利的，因为低温可以提高氧的溶解度、降低菌体生长速率、减少氧的消耗，弥补通气效果差的不足。该系统可控温精度为正常发酵所需要的±0.5℃。 系统工作原理：
在下图中压力开关的作用是防止水泵 “闷泵”,当发酵罐夹层的进水阀或回水阀没有打开时 ,压力开关将切断水泵电源。温度传感器为 Pt100 铂电阻 ,系统的温度设定在温度智能表上进行 ,原有由计算机的温度控制完全断开 ,传输到计算机中的数据只用于监测和记录 ,不再参于控制过程。该控温系统以智能表、 调压器、 加热器和水箱为主。
图5.1 恒温控制系统原理
该系统中温度传感器为检测元件。测出水箱的温度与温度智能表上的温度设定值进行比较(温度智能表上的温度设定取决于实际要求的发酵温度) ,智能表根据偏差的
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大小 ,经过 PID 运算 ,输出 4 -20mA的电流信号 ,电压调节器根据电流信号改变其输出电压 ,从而控制水箱内的加热器的加热功率 ,调节水箱温度 ,使其等于智能表上的设定值。如图
图5.1 系统组成方块
系统自动调节过程的分析当发酵中由于发酵液的吸热,以及发酵罐和水箱的散热 ,使水箱温度发生变化时 ,该系统自动调节 ,使加热器功率发生变化 ,从而使水箱温度保持恒定。如图(以温度降低为例)
图5.2 自动调节过程的分析
5.2 发酵过程中PH的控制
菌体生长的最适PH和产物合成的最适PH可能不一样，青霉素发酵的最适pH值一般认为在 6.5 左右,有时也可以略高或略低一些,但应尽量避免pH值超过7.0,因为青霉素在碱性条件下不稳定,容易加速其水解。在缓冲能力较弱的培养基中, pH 值的变化是葡萄糖流加速度高低的反映。过高的流加速率造成酸性中间产物的积累使pH值降低；过低的加糖速率不足以中和蛋白质代谢产生的氨或其他生理碱性物质代谢产生的碱性化合物而引起pH值上升。将发酵培养基调节成不同的出发PH进行发酵，在发酵过程中，定时测定和调节PH。
采取措施：
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发酵液PH和氨氮含量都低时，补加氨水，就可以达到调节PH和补充氨氮的目的。反之PH较高，，就补加糖化液。补加消泡油的个别情况下，可以提高空气流量来加速脂肪酸的氧化，以纠正由于油脂分解产生大量脂肪酸引起的PH降低。
图5.2 系统工作原理
其中: ADAM4050 ( I/ O)为控制信号输入/输出模块; ADAM4017 (A/ D)为检测信号(4～20mA)输入模块。该系统开机初始化后 ,进入采样循环 ,通过插入发酵罐中的pH电极采集到pH的实时数据 ,经过信号调理后送入工业控制计算机中 ,计算机在与设定的控制参数比较后 ,输出一个数字开关信号 ,再经过转化和放大电路 ,根据设定的时间比例控制加电磁阀的开启和延时 ,电磁阀开启时氨水在发酵罐与氨水罐压差(0. 2～0. 5mpa)的作用下流入发酵罐 ,从而做到发酵罐pH的定值控制。
5.3 发酵过程中溶解氧的控制
(1) 罐压：
罐压直接影响发酵液中氧的分压 ,我们知道氧是一种难溶于水的气体 ,氧在发酵液中的溶解度不仅受培养基成分的影响 ,而且当各类物质浓度增加时 ,氧的溶解度也要降低。根据“亨利定律” 可用提高空气进罐压力来提高氧在发酵液中的溶解度。如果罐压太高影响空气进罐流量 ,同时二氧化碳的溶解度也大幅度上升,因此罐压不能控制太高 ,一般在(0. 2～0. 5) MPa ,相反当罐压太低时,氧在发酵液中的溶解度更低 ,不利于菌体生长。 (2) 搅拌速度：
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搅拌速度大与小关系到气泡破碎是否良好 ,空气是否分散溶入液相 ,增加气液接触的有效界面传递面积 ,以利于氧的溶解和空气的利用。 (3) 通气流量：
通气流量也会影响溶解氧（Do）的溶解度大小。在发酵中后期 ,发酵液里充满了细小的流动性气泡。若通气流量过低,这些泡沫中的气体不能及时交换 ,气泡内的氧气很快被消耗 ,并充满了二氧化碳 ,使菌呼吸受到抑制,直接影响发酵产量。空气流量过高会导致发酵液的液面上升引起逃液和泡沫的增多。
5.4 发酵过程中菌丝浓度的控制
发酵过程中必须控制菌丝浓度不超过临界菌体浓度, 从而使氧传递速率与氧消耗速率在某一溶氧水平上达到平衡。青霉素发酵的临界菌体浓度随菌株的呼吸强度 (取决于维持因数的大小, 维持因数越大,呼吸强度越高) 、发酵通气与搅拌能力及发酵的流变学性质而异。呼吸强度低的菌株降低发酵中氧的消耗速率，而通气与搅拌能力强的发酵罐及黏低的发酵液使发酵中的传氧速率上升, 从而提高临界菌体浓度。
5.5 发酵液质量控制
生产上按规定时间从发酵罐中取样 , 用显微镜观察菌丝形态变化来控制发酵。生产上惯称\镜检\根据\镜检\中菌丝形变化和代谢变化的其他指标调节发酵温度, 通过追加糖或补加前体等各种措施来延长发酵时间, 以获得最多青霉素。当菌丝中空泡扩大、增多及延伸, 并出现个别自溶细胞, 这表示菌丝趋向衰老, 青霉素分泌逐渐停止, 菌丝形态上即将进入自溶期, 在此时期由于茵丝自溶, 游离氨释放, pH 值上升, 导致青霉素产量下降, 使色素、溶解和胶状杂质增多, 并使发酵液变粘稠, 增加下一步提纯时过滤的困难。因此, 生产上根据\镜检\判断, 在自溶期即将来临之际, 迅速停止发酵, 立刻放罐, 将发酵液迅速送往提炼工段。
5.6 成品鉴定
成品鉴定是根据药典的要求逐项进行分析，包括效价鉴定、毒性试验、无菌检查、热源质试验、水分测定、水溶液酸碱度及混浊度测定、结晶颗粒的色泽及大小的测定等。对于药典上未有规定的新抗生素，则可参照相近抗生素，按经验规定一些指标。