浅析青霉素发酵的过程特点及其控制方法论文_刘春田

浅析青霉素发酵的过程特点及其控制方法论文_刘春田

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【摘 要】青霉素本身是一种微生物次代谢产物,总体上来说,其化学结构十分复杂,和前代产品相比,合成需要较多的基质。青霉素的生化过程的典型代表就是青霉素的发酵过程,这种过程存在着重复性差和机理复杂的特点,包括葡萄糖浓度和菌丝浓度在内的很多关键参数都无法进行随时监测,所以在发酵过程中,对其进行控制是比较困难的。

【关键词】青霉素;发酵;特点;控制

一、青霉素发酵过程生产方式的原料及分类

(一)青霉素发酵过程生产方式的原料

以产黄青霉菌的JS-8和STP-3(球状结团形态)为菌种,在玉米浆、棉籽粉等基础培养基中进行实验室条件或工厂生产规模发酵,小试在30L发酵罐(MARUBISHI,MSJ-U3)上进行,中试为6吨罐,生产规模为50发酵罐,有关实验数据在中试和生产罐上得到。大罐的参数检测与控制。其中第二级计算机(DIMENSION)主要作数据管理用,有两个智能终端(东海0520),其中NO1终端作数据处理,例如数据保存、间接参数计算、过程显示和人工干预等、NO2终端主要作过程建模、辨识或实施模糊专家系统控制。

(二)青霉素在发酵方式上的分类

当前一共有三种方式来进行青霉素的发酵生产,第一种是连续方式,第二种是批操作方式,第三种是间歇补料批处理方式,在我国的青霉素生产中,最重要的生产方式就是间歇补料批处理方式了。这种处理方式在发酵一开始就直接一次性加入所有的基础料,然后在发酵过程中,一直加入营养物质,在发酵终止之后,一次性移除所有的产物。青霉素分批发酵的时候,分泌期一共产生大约70%以上的青霉素总量。为了对青霉素的生长速率进行保障,实验工作人员需要根据青霉素的生长条件进行科学与精细的管理,让青霉素的分泌期得到有效的延长,不仅需要按照生产菌生长习性对生长的环境影响因素进行控制,同时也要对生长的温度与湿度进行精确的掌握,只有将菌群生长的各个条件进行满足,才能让发酵的效果达到理想化,这样条件下生长的菌体可以不易衰老,并且健康,不会轻易被其他菌群给污染到。在对实验工作上的速率进行优化时,实验人员需要在补料以及固定补料浓度上进行控制,对变量的数量进行调整,让青霉素的浓度得到最大化的保障。

二、青霉素发酵的过程的主要控制任务及其特点

(一)青霉素发酵的过程的主要控制任务

青霉素发酵过程中,产物青霉素的生产是整个青霉素发酵过程的关键阶段,此阶段是在发酵大罐中进行,目的是为了使微生物分泌大量的抗生素。

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(1)为通入发酵藏的消毒空气温度、压力、流量

(2)尾气温度、压力、CO2含量和氧含量

(3)冷却水进出口温度,冷却水进口压力和流量

(4)发酵罐温度

(5)发酵过程补料量

(6)搅拌电流

(7)发酵液pH值

(8)发酵液溶解氧浓度

(9)搅拌速度

(10)发酵液中的菌丝浓度、萄萄糖浓度、产物效价、发酵体积

为了更好地研究生化过程的机理,需要对一些物理参数,化学参数,及生理参教进行检测和控制。需要检测的物理参数为.罐温、罐压,冷却水流量及进出口温度,化学参数为:尾气O2含量、C02含量、溶解氧、pH值等;生理参数为菌丝浓度,基质浓度、代谢产物浓度等,由于传感器及检测元件等原因,目前这些生理参数还不能直接在线测橄,只能通过建立模型进行在线推算或离线化验分析,另外通过这些在线可测量还可以在线计算一些重要参数,如:氧摄取率、呼吸商、生物热等。

罐温、发酵液pH、发酵液中的溶解氧及罐压等环境参数对菌丝的生长、衰老及抗生素的合成有很大的影响,所以本文设计的系统对这几个参数实行了自动控制,这个系统还对发酵体积、发酵液重量等进行了在线检测,有利于生产的统一管理,还有对液位、pH值、罐温等进行报警监测。

(二)青霉素发酵过程的特点

青霉素发醉过程中,糖液是一种重要的营养物质,补糖量的多少对菌丝代谢有着很大的影响。如果加糖率偏低,将使菌丝的比生长速率过低,从而使发醉液中缺乏足够数量的有活力的菌丝,影响分泌青霉素。如果加糖率偏高,则使发醉向合成菌丝的方向发展,发醉液变得粘稠,菌丝量过高,发醉液的溶解氧很快下降,同时发醉液中残糖过高会产生碳源降解物,从而对分泌青霉素产生限制。目前,青霉素的生产中,糖液的流加量是依据一条固定的加糖率曲线来执行的。

三、如何用计算机控制青霉素发酵过程

(一)关于控制PH值

对于微生物的生产和产物的合成来说,发酵液的pH值起到的作用非常大,如果想要确保合成物的质量,就要加强对pH值的控制。由于生化反应过程的持续,所以pH值会逐渐下降,另外NH42SO4也会以氮源的形式加入发酵液中,所以为了对pH值进行维持,就需要加入碱性物质来进行调节,一般情况下,都会加入NH3·H2O来进行调节,其原因是这种物质也可以产生氮源,作为氮源物质来使用。青霉素正常来说,在弱酸环境中会有最理想的成长效果,而发酵液中呈现出弱碱性,所以不适合菌体进行成长。菌体衰老的速度加快,如果这样发进行设置,对pH值进行这种形式的控制就会规避超调,一旦出现pH值超过适宜的值的时候,就可能会导致发酵过程自身进行调节来导致pH值的降低,这种情况下,产生的调节速度是很慢的,正常来说,采用高比例度的PID来进行调节就可以避免超调的情况,采用了这种方式,即便遇到了干扰,也不会出现超调的现象,但是其存在着较久的过渡时间,所以在进行系统控制的时候,最理想的状态是过渡过程较快的同同时,也避免出现超调的现象。

(二)自动控制溶解氧

就分类来说,青霉菌属于好氧菌的一种,所以对于发酵液来说,氧浓度也是其中一个重要指标,对进入发酵罐的消毒空气进行控制可以让溶氧浓度得到有效控制,正常来说,在控制系统运行之前都要把消毒空气的进气量开到最大没这样才能够对样需求得到满足,与此同时也会消耗过多的消毒控制,导致了能量的散逸。针对这种情况,对溶氧浓度进行控制,可以达到节能的效果,进而降低成本。根据发酵过程在生化方面的特点,在控制回路的设定值上应该是以满足菌丝的生长和代谢作为前提来确定大致的范围。为了实现这样的控制效果,其控制回路的原理表现为:如果溶氧浓度低于一定的阈值,就会打开逻辑门,根据偏差的状况来算出具体需要的进气量来开大阀门,如果溶氧浓度高的时候,就可以关小阀门,减小空气量,如果容氧浓度适宜的时候,逻辑开关则会关闭,不工作,进入休眠状态。

四、结语

当前相关的科研人员还应该注重将电子计算机技术应用于发酵过程的观测中,以微型信息处理技术为代表的一系列电子计算机技术将在未来占有非常重要的地位,并且也会让控制系统逐渐完善起来,到那时候,发酵过程和工业控制方面的经验进行紧密结合,对发酵过程就可以实现更为完善的监测和控制了。

参考文献

[1] 邹卫,王树青. 一种青霉素发酵过程补料优化的新方法[J]. 福州大学学报(自然科学版). 1993(05)

[2] 倪华方,王树青,王骥程. 工业青霉素发酵过程的计算机控制[J]. 化工自动化及仪表. 1989(06)

[3] 叶凌箭,程江华. 基于Matlab/Simulink的青霉素发酵过程仿真平台[J]. 系统仿真学报. 2015(03)

论文作者:刘春田

论文发表刊物:《世界复合医学》2017年第7期

论文发表时间:2018/1/15

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