梁金鳳

摘 要：將多向偏最小二乘（MPLs）方法應(yīng)用于青霉素間歇生產(chǎn)過程的建模與故障診斷中。從青霉素反應(yīng)過程的特點(diǎn)來看，數(shù)據(jù)具有多維性，應(yīng)用傳統(tǒng)的偏最小二乘方法會(huì)使過程的統(tǒng)計(jì)建模與故障診斷難以實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：青霉素生產(chǎn)過程產(chǎn)品質(zhì)量控制

1 青霉素的發(fā)酵工藝控制

1.1 影響發(fā)酵產(chǎn)率的因素

基質(zhì)濃度在分批發(fā)酵中，常常因?yàn)榍捌诨|(zhì)量濃度過高，對(duì)生物合成酶系產(chǎn)生阻遏（或抑制）或?qū)z生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制（如葡萄糖和錢的阻遏或抑制，苯乙酸的生長(zhǎng)抑制），而后期基質(zhì)濃度低限制了菌絲生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成，為了避免這一現(xiàn)象，在青霉素發(fā)酵中通常采用補(bǔ)料分批操作法，即對(duì)容易產(chǎn)生阻遏、抑制和限制作用的基質(zhì)進(jìn)行緩慢流加以維持一定的最適濃度。這里必須特別注意的是葡萄糖的流加，因?yàn)榧词故浅鲎钸m濃度范圍較小的波動(dòng)，都將引起嚴(yán)重的阻遏或限制，使生物合成速度減慢或停止。目前，糖濃度的檢測(cè)尚難在線進(jìn)行，故葡萄糖的流加不是依據(jù)糖濃度控制，而是間接根據(jù)pH值、溶氧或C02釋放率予以調(diào)節(jié)。

1.2 溫度

青霉素發(fā)酵的最適溫度隨所用菌株的不同可能稍有差別，但一般認(rèn)為應(yīng)在25℃左右。溫度過高將明顯降低發(fā)酵產(chǎn)率，同時(shí)增加葡萄糖的維持消耗，降低葡萄糖至青霉素的轉(zhuǎn)化率。對(duì)菌絲生長(zhǎng)和青霉素合成來說，最適溫度不是一樣的，一般前者略高于后者，故有的發(fā)酵過程在菌絲生長(zhǎng)階段采用較高的溫度，以縮短生長(zhǎng)時(shí)間，到達(dá)生產(chǎn)階段后便適當(dāng)降低溫度，以利于青霉素的合成。

1.3 pH值

青霉素發(fā)酵的最適pH值一般認(rèn)為在6.5左右，有時(shí)也可以略高或略低一些，但應(yīng)盡量避免pH值超過7.0，因?yàn)榍嗝顾卦趬A性條件下不穩(wěn)定，容易加速其水解。在緩沖能力較弱的培養(yǎng)基中，pH值的變化是葡萄糖流加速度高低的反映。過高的流加速率造成酸性中間產(chǎn)物的積累使pH值降低;過低的加糖速率不足以中和蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)生的氨或其他生理堿性物質(zhì)代謝產(chǎn)生的堿性化合物而引起pH值上升。

1.4 溶氧

對(duì)于好氧的青霉素發(fā)酵來說，溶氧濃度是影響發(fā)酵過程的一個(gè)重要因素。當(dāng)溶氧濃度降到30%飽和度以下時(shí)，青霉素產(chǎn)率急劇下降，低于10%飽和度時(shí)，則造成不可逆的損害。溶氧濃度過高，說明菌絲生長(zhǎng)不良或加糖率過低，造成呼吸強(qiáng)度下降，同樣影響生產(chǎn)能力的發(fā)揮。溶氧濃度是氧傳遞和氧消耗的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)，而氧消耗與碳能源消耗成正比，故溶氧濃度也可作為葡萄糖流加控制的一個(gè)參考指標(biāo)。

1.5 菌絲濃度

發(fā)酵過程中必須控制菌絲濃度不超過臨界菌體濃度，從而使氧傳遞速率與氧消耗速率在某一溶氧水平上達(dá)到平衡。青霉素發(fā)酵的臨界菌體濃度隨菌株的呼吸強(qiáng)度（取決于維持因數(shù)的大小，維持因數(shù)越大，呼吸強(qiáng)度越高）、發(fā)酵通氣與攪拌能力及發(fā)酵的流變學(xué)性質(zhì)而異。呼吸強(qiáng)度低的菌株降低發(fā)酵中氧的消耗速率，而通氣與攪拌能力強(qiáng)的發(fā)酵罐及黏低的發(fā)酵液使發(fā)酵中的傳氧速率上升，從而提高臨界菌體濃度。

1.6 菌絲生長(zhǎng)速度

用恒化器進(jìn)行的發(fā)酵試驗(yàn)證明，在葡萄糖限制生長(zhǎng)的條件下，青霉素比生產(chǎn)速率與產(chǎn)生菌菌絲的比生長(zhǎng)速率之間呈一定關(guān)系。當(dāng)比生長(zhǎng)速率低于0.015h-1時(shí)，比生產(chǎn)速率與比生長(zhǎng)速率成正比，當(dāng)比生長(zhǎng)速率高于O.015h-1時(shí)，比生產(chǎn)速率與比生長(zhǎng)速率無關(guān)D因此，要在發(fā)酵過程中達(dá)到并維持最大比生產(chǎn)速率，必須使比生長(zhǎng)速率不低0.015h-1。

這一比生長(zhǎng)速率稱為臨界比生長(zhǎng)速率。對(duì)于分批補(bǔ)料發(fā)酵的生產(chǎn)階段來說，維持0.015h斗的臨界比生長(zhǎng)速率意味著每46h就要使菌絲濃度或發(fā)酵液體積加倍，這在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中是很難實(shí)現(xiàn)的。

2青霉素的發(fā)酵工藝控制要點(diǎn)

2.1 種子質(zhì)量的控制

絲狀菌的生產(chǎn)種子是由保藏在低溫的冷凍安瓿管經(jīng)甘油、葡萄糖、蛋白胨斜面移植到小米固體上，25℃培養(yǎng)7天，真空干燥并以這種形式保存?zhèn)溆?。生產(chǎn)時(shí)它按一定的接種量移種到含有葡萄糖、玉米漿、尿素為主的種子罐內(nèi)，26℃培養(yǎng)56h左右，菌絲濃度達(dá)6%-8%，菌絲形態(tài)正常，按10%-15%的接種量移人含有花生餅粉、葡萄糖為主的二級(jí)種子罐內(nèi)，27℃培養(yǎng)24h，菌絲體積10%-12%，形態(tài)正常，效價(jià)在700D/mL左右便可作為發(fā)酵種子。

球狀菌的生產(chǎn)種子是由冷凍管子孢子經(jīng)混有O.5%-1.0%玉米漿的三角瓶培養(yǎng)原始親米孢子，然后再移人羅氏瓶培養(yǎng)生產(chǎn)大米抱子（又稱生產(chǎn)米），親米和生產(chǎn)米均為25℃靜置培養(yǎng)，需經(jīng)常觀察生長(zhǎng)發(fā)育情況在培養(yǎng)到3-4天，大米表面長(zhǎng)出明顯小集落時(shí)要振搖均勻，使菌絲在大米表面能均勻生長(zhǎng)，待10天左右形成綠色孢子即可收獲。

工藝要求將新鮮的生產(chǎn)米（指收獲后的孢瓶在10天以內(nèi)使用）接人含有花生餅粉、玉米胚芽粉、葡萄糖、飴糖為主的種子罐內(nèi)，28℃培養(yǎng)50-60h當(dāng)pH值由6.0-6.5下降至5.5-5.0，菌絲呈菊花團(tuán)狀，平均直徑在100-130μm，每毫升的球數(shù)為6萬-8萬只，沉降率在85%以上，即可根據(jù)發(fā)酵罐球數(shù)控制在8000-11000只/mL范圍的要求，計(jì)算移種體積，然后接入發(fā)酵罐，多余的種子液棄去。球狀菌以新鮮孢子為佳，其生產(chǎn)水平優(yōu)于真空干燥的孢子，能使青霉素發(fā)酵單位的罐批差異減少。

參考文獻(xiàn)：

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