摇瓶培养试验与中试发酵罐试验数据的差异及如何消除差异

摘 要:

在规模发酵研究中,广泛采用摇瓶试验进行发酵条件的初步探索,为大罐发酵提供参考数据。但摇瓶或小发酵罐的试验条件转移到大发酵罐时,它们所获得的产量往往不完全一致。所以,如何尽量缩小它们之间结果的差异,保证摇瓶培养为罐发酵提供可靠的试验数据,就显得十分重要。

关键词:

在规模发酵研究中,广泛采用摇瓶试验进行发酵条件的初步探索,为大罐发酵提供参考数据。但摇瓶或小发酵罐的试验条件转移到大发酵罐时,它们所获得的产量往往不完全一致。所以,如何尽量缩小它们之间结果的差异,保证摇瓶培养为罐发酵提供可靠的试验数据,就显得十分重要。

摇瓶培养是在菌种的筛选培养阶段(中试),中试生产的目的是确定菌种培养的最佳操作条件,以便于转移到大发酵罐进行生产。摇瓶试验可以在有限的空间、时间和人力的条件下,短期内获得大量的数据,所以在实验室研究中被广泛采用。摇瓶试验结果提供了生产菌株的基本信息和发酵工艺数据,经过中试放大后用于工厂发酵罐生产。

摇瓶培养试验与中试发酵罐试验的差异的原因本质上是由这两种试验规模变化所引起的。

1、体积氧传递系数(KLa)和溶解氧的差异。

摇瓶培养时瓶塞对氧传递的阻力、表面通气状况与周围环境有关,发酵罐培养是通过鼓泡通气。溶氧系数Kd在摇瓶发酵和发酵罐中的差异很大

2、CO2浓度的差异。

CO2是微生物的代谢产物,同时它往往也是合成所需的一种基质,溶解在发酵液中的CO2对微生物发酵有抑制或刺激作用。大多数微生物适应低CO2浓度(0.02~0.04%体积分数)。当排出的CO2浓度高于4%时,碳水化合物的代谢及呼吸速度下降,影响菌体生长、形态及产物合成。CO2在水中的溶解度随外界压力的增大而增加。所以发酵罐中培养液的CO2浓度明显大于摇瓶。

3、菌丝受机械损伤的差异。

摇瓶培养时菌体只受液体的冲击或沿着瓶壁滑动影响——机械损伤很轻。发酵罐培养时菌体受搅拌叶的剪切力、搅拌时间的长短等——机械损伤程度远远大于摇瓶培养。菌体内核酸类物质的漏出率与搅拌转速、搅拌持续时间、搅拌叶的叶尖线速度、培养液单位体积吸收的功率以及体积氧传递系数(KLa)等成正比关系,也就是说,这些发酵参数的数量增加,其漏出率也增加,菌体受损伤的程度也增加。 虽然摇瓶发酵也有低分子核酸类物质漏出,其漏出量远远低于发酵罐的量。

4、消毒方式不同。

摇瓶是外流蒸汽静态加热(大部分是这样的),发酵罐是直接蒸汽动态加热,部分的是直接和蒸汽混合,会因此影响发酵培养基的质量、体积、PH、透光率等指标。

5、接种方式不同。摇瓶是吸管加入,发酵罐是火焰直接接种(当然有其他的接种方式),要考虑接种时的菌株损失和菌种的适应性等。

6、PH的控制。摇瓶一般通过碳酸钙和间断补料控制PH,发酵可以直接流加控制PH,比较方便。

7、温度控制。摇瓶是空气直接接触或者传热控制温度,但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控制,注意降温和加热的影响。

8、发酵罐可以取样或者仪表实时检测,但是摇瓶因为量小不能方便的进行控制和检测。

9、原材料不一样。发酵所用原材料比较廉价而且粗旷,工艺控制和摇瓶区别很大等等。

摇瓶培养试验与中试发酵罐试验差异的方法

1、增加摇瓶机的转速,提高摇瓶的Kd值和溶氧水平。

2、减少培养基的装量,要注意水分蒸发所引起的误差。

3、直接向摇瓶中通入无菌空气或氧气等措施。

4、可在摇瓶中加入玻璃珠来模拟发酵罐的机械搅拌来研究因搅拌引起的差异。

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