Основные факторы, влияющие на культуру семян в резервуарах, включают: условия питания, условия культивирования, контроль загрязнения, определение уровней размножения и определение количества прививки.
Питательная среда связана с приобретением питательных веществ и оказывает непосредственное влияние на рост, размножение, ферментативную активность и продуктивность микроорганизмов. Питательную среду для культивирования можно разделить на C / N базовое питание для роста, контроль осмотического давления неорганических солей, поддерживающий состав микроэлементов и систему регулирования активности ферментов pH.
Требования к питательной среде должны заключаться в простом составе, обильном источнике, низкой цене и легкости приобретения.Питательная среда для выращивания семян является основной средой для роста и размножения семян. Она обеспечивает микроорганизмы необходимыми питательными веществами, источниками энергии и подходящими физическими и химическими условиями. Прежде всего, достаточное количество и сбалансированность питательных веществ являются ключом к обеспечению жизнеспособности и количества семян. Например, источник углерода является энергетической основой для роста микроорганизмов, а источник азота - важным компонентом клеточного материала. Если источника углерода или азота недостаточно, рост семян будет подавлен, и ожидаемое количество и качество не могут быть достигнуты.
Неорганические соли в культуральной среде, такие как фосфор, сера, магний, калий и т.д., играют незаменимую роль в поддержании баланса осмотического давления клеток, активности ферментов и структурной целостности клеток. Возьмем в качестве примера фосфор. Он участвует в синтезе нуклеиновых кислот и фосфолипидов. При недостатке фосфора репликация клеточного генетического материала и образование клеточных мембран будут затруднены, что повлияет на рост и размножение семян.
Чистота и содержание примесей в исходной питательной среде будут влиять на рост микроорганизмов. Если сырье содержит токсичные вещества или ингибиторы, оно может оказывать токсическое воздействие на рост семян и даже вызывать гибель семян.
Требование к возрасту семян заключается в том, что большое значение имеет пересадка в логарифмический период роста.
Поскольку молодое семя еще не полностью выросло и созрело, различные ферментативные системы и метаболические механизмы в клетках еще не были полностью установлены, что приводит к слабой способности адаптироваться к новой среде после переноса в резервуар и низкой скорости запуска. Старые семена также могут плохо зарекомендовать себя в новых условиях из-за таких причин, как снижение жизнеспособности клеток и снижение метаболических способностей. Обе ситуации удлиняют цикл ферментации, повышают производственные затраты и в конечном итоге приводят к снижению урожайности.
Размер инокулята оказывает существенное влияние на продолжительность периода гистерезиса в новых условиях.
Когда объем инокуляции большой, количество сопутствующих метаболитов, таких как РНК, необходимая для деления и размножения клеток, велико. Эти метаболиты могут быстро поддерживать рост и размножение клеток в новой среде, позволяя клеткам быстро вступить в фазу логарифмического роста и сократить время адаптации к новой среде.
Напротив, если количество инокуляции слишком мало, содержание метаболитов в клетке недостаточно, и клетке необходимо тратить больше времени на синтез необходимых веществ, тем самым продлевая период гистерезиса. Если взять дрожжевую ферментацию для производства алкоголя в качестве примера, то при недостаточном количестве прививки скорость производства алкоголя на ранней стадии ферментации будет значительно замедлена, что приведет к удлинению всего цикла ферментации и снижению эффективности производства.
Посмотрите на температуру на ранней стадии и растворенный кислород на более поздней
Любой микроорганизм имеет свою оптимальную температуру роста и продуцирования, а именно:
| тип | Термически опасных условий | Температура роста/℃ | |||
| Температура/℃ | Температура/мин | Оптимальный | предел | ||
| Плесень | Мицелий | 60 | 5-10 | 25-30 | 15-37 |
| споры | 65-70 | 5-10 | |||
| Дрожжи | Вегетативные клетки | 55-65 | 2-3 | 20-28 | 10-35 |
| споры | 60 | 10-15 | |||
| бактерии | Вегетативные клетки | 63 | 30 | 35-40 | 5-45 |
| споры | 100 илиболее | ||||
В области биологии температура, как один из ключевых факторов окружающей среды для роста микроорганизмов, оказывает значительное влияние на скорость роста и метаболическую активность микроорганизмов. Согласно общим правилам, скорость роста микроорганизмов обычно удваивается при каждом повышении температуры на 10 ° C. Это происходит главным образом потому, что температура может напрямую влиять на систему метаболических ферментов в клетке. Ферменты - это белки, которые катализируют химические реакции в организмах, а процессы роста и метаболизма микроорганизмов почти все катализируются ферментами. Скорость реакции ферментов в значительной степени зависит от температуры. Существует оптимальный температурный диапазон, в пределах которого активность ферментов является самой высокой, а скорость роста и метаболизма микроорганизмов - самой быстрой. Когда температура ниже оптимальной, активность фермента снижается и скорость роста микроорганизма замедляется; когда температура выше оптимальной, фермент может потерять свою активность из-за денатурации, в результате чего рост микроорганизма замедляется или даже погибает.
4.1 Влияние рН на активность ферментов
Регулирование активности ферментов: Ферменты являются ключевыми белками, которые катализируют биохимические реакции в микроорганизмах, и на их активность существенно влияет уровень pH. Каждый фермент имеет свой оптимальный диапазон рН, в пределах которого активность фермента наиболее высока. Когда значение рН отклоняется от оптимального диапазона, активность фермента постепенно снижается или даже полностью инактивируется. Это затруднит метаболический процесс микроорганизма, повлияет на поглощение и использование питательных веществ и, таким образом, снизит качество семян.
Влияние на метаболические пути: Изменения рН также могут вызывать изменения в микробных метаболических путях. Например, в кислых условиях некоторые микроорганизмы могут усиливать процесс молочнокислой ферментации для поддержания гомеостаза рН, что может изменять типы и пропорции метаболитов и, таким образом, влиять на качество семян.
4.2 Влияние рН на клеточную мембрану
Проницаемость клеточной мембраны: значение pH может влиять на состояние заряда мембраны микробной клетки, тем самым изменяя проницаемость клеточной мембраны. Клеточная мембрана является основным каналом обмена веществ микроорганизмов с внешней средой, и изменения ее проницаемости напрямую влияют на усвоение микроорганизмом питательных веществ и едение продуктов метаболизма.
Стабильность клеток: В экстремальных условиях pH структура клеточной мембраны может быть повреждена, вызывая утечку веществ внутри клетки или проникновение вредных веществ извне в клетку, тем самым влияя на нормальную физиологическую функцию клетки.
4.3 Влияние рН на усвоение питательных веществ
Влияние на диссоциацию питательных веществ: Питательные вещества в культуральной среде (такие как аминокислоты, минералы и т.д.) диссоциируют в разной степени при различных условиях pH, что влияет на эффективность поглощения и использования этих питательных веществ микроорганизмами.
Конкуренция за питательные вещества: В смешанной системе культивирования разные микроорганизмы обладают разной способностью поглощать и утилизировать питательные вещества. Изменения рН могут изменить эти конкурентные отношения, тем самым влияя на рост и размножение доминирующих бактерий.
Объем аэрации, давление в резервуаре и перемешивание совместно определяют текущее содержание растворенного кислорода. Только когда содержание растворенного кислорода превышает текущий БПК, партия семян может нормально расти. После пересадки бактерии вступают в фазу логарифмического роста, а скорость деления и размножения увеличивается экспоненциально. В это время объем вентиляции и мощность перемешивания обычно регулируются попеременно, чтобы количество бактерий достигло требуемого уровня. Как только бактерии не могут соответствовать требованиям, температуру можно соответствующим образом снизить, чтобы снизить уровень потребления кислорода бактериями. В это время эффективность деления и роста бактерий снижается, но это не приведет к гипоксии, деформации или аутолизу.
5.1 Синергетический эффект вентиляции и перемешивания
Объем вентиляции непосредственно увеличивает источник растворенного кислорода за счет подачи свежего воздуха в ферментер. В то же время перемешивание улучшает равномерность распределения растворенного кислорода в питательной среде и эффективность массообмена, способствуя смешиванию газа, жидкости и твердых частиц в питательной среде. Попеременная регулировка объема вентиляции и мощности перемешивания позволяет добиться точного контроля уровня растворенного кислорода. Например, в период интенсивного роста бактерий увеличение объема вентиляции и мощности перемешивания может повысить уровень растворенного кислорода и удовлетворить потребность бактерий в кислороде; когда растворенного кислорода слишком много или недостаточно, объем вентиляции и мощность перемешивания можно регулировать для поддержания стабильности растворенного кислорода.
5.2 Взаимосвязь между растворенным кислородом и БПК
Биологическая потребность в кислороде (БПК) является показателем степени органического загрязнения воды. Он отражает количество кислорода, необходимое микроорганизмам для разложения этих органических веществ. В процессе ферментации микроорганизмы могут нормально расти только тогда, когда растворенный кислород (DO) превышает текущую биологическую потребность в кислороде (BOD). Если DO ниже, чем BOD, микроорганизмы будут подавляться из-за недостатка кислорода, что приводит к снижению скорости роста, уменьшению накопления метаболитов и даже автолизу клеток.
Чем меньше уровней, тем меньше вероятность заражения. Уровни определяются свойствами штамма, такими как скорость роста, логарифмическая концентрация бактерий, уровень развития спор и т.д. После непрерывной оптимизации и отладки количество уровней в резервуарах для семян должно быть уменьшено настолько, насколько это возможно, но это должно основываться на предпосылке, что это не влияет или оказывает меньшее влияние на увеличение периода задержки в производственном резервуаре и темп роста в логарифмический период роста.
В ферментационной промышленности количество емкостей для затравки является ключевым технологическим параметром, который напрямую влияет на риск микробного заражения, эффективность роста, а также на стабильность и стоимость всего процесса ферментации. Определение количества стадий обычно основывается на характеристиках штамма, таких как скорость роста, логарифмическая фаза концентрации бактерий, уровень развития спор и т.д. Эти факторы в совокупности определяют потребности и адаптивность микроорганизмов на разных стадиях роста. Каковы преимущества сокращения количества стадий размножения?
6.1 Снизить риск загрязнения
Меньшее количество стадий означает меньшее количество рабочих этапов и изменений окружающей среды, с которыми сталкиваются микроорганизмы в процессе расширения, тем самым снижая риск загрязнения. Загрязнение является распространенной проблемой в ферментационной промышленности, которое может привести к сбою ферментации, ухудшению качества продукта и даже прекращению производства. Поэтому сокращение количества стадий имеет большое значение для повышения стабильности и надежности процесса ферментации.
6.2 Повышение эффективности роста
При подходящих условиях скорость роста микроорганизмов постоянна, но каждый раз, когда они переносятся и размножаются, наступает определенная потеря роста и период адаптации. Следовательно, уменьшение количества стадий может сократить время от инокуляции до логарифмической фазы роста микроорганизмов и повысить эффективность роста.
6.3 Сокращение затрат
Меньшее количество этапов означает, что требуется меньше оборудования, рабочей силы, материалов и других ресурсов, что помогает снизить производственные затраты.
6.4 Примечания
В процессе сокращения количества ступеней необходимо обеспечить, чтобы период гистерезиса производственной емкости и скорость роста логарифмического периода роста существенно не пострадали. Это связано с тем, что период гистерезиса является критическим периодом для адаптации микроорганизмов к новой среде и корректировки их метаболического состояния. Если период гистерезиса будет слишком длительным, это приведет к удлинению всего цикла ферментации и снижению выхода. В то же время скорость роста в логарифмический период роста напрямую определяет скорость размножения и конечную биомассу микроорганизма. Если скорость роста снизится, это также повлияет на эффект ферментации и качество продукта.
Контаминация относится к заражению нецелевыми микроорганизмами в процессе культивирования. Это может привести к сбою культивирования или снижению качества продукта. Поэтому необходимо соблюдать строгие меры асептики, такие как использование стерильного оборудования, питательных сред и посевного материала, регулярная дезинфекция и стерилизация и т.д.
7.1 Бактериальное заражение напрямую приведет к снижению качества семян
Жизнеспособность семян отражается на их способности к делению, общем количестве живых бактерий и времени, необходимом для закваски. Нормальные семена должны быть чистыми и содержать единственную микробную популяцию, но после заражения к ним примешиваются другие бактерии, изменяя микробный состав и пропорцию семян. Это повлияет на характеристики роста и метаболическую активность семян. Например, чужеродные бактерии могут конкурировать за питательные вещества, препятствовать нормальному росту и метаболизму целевых микроорганизмов, приводить к недостаточной жизнеспособности семян и увеличивать время, необходимое для размножения.
7.2 Бактериальное загрязнение влияет на выход и качество ферментации
Из-за присутствия чужеродных бактерий в семенах принудительная инокуляция или игнорирование риска загрязнения во время работы могут привести к тому, что эти чужеродные бактерии после попадания в резервуар будут вырабатывать вещества, отличные от целевого продукта, что приведет к снижению выхода и чистоты продукта ферментации. Например, при производстве антибиотиков загрязнение может привести к снижению эффективности антибиотиков или даже к их несоответствию фармацевтическим стандартам.
7.3 Сбой SOP, временная настройка процесса
После инокуляции затравочной жидкости, содержащей чужеродные бактерии, физические и химические свойства ферментационной жидкости в производственном резервуаре, такие как значение pH и растворенный кислород, могут быть изменены, тем самым нарушая подходящую среду для ферментации, влияя на нормальный рост и метаболическую регуляцию микроорганизмов, приводя к нарушению процесса ферментации и невозможности работать в соответствии с установленным SOP, что требует временного вмешательства технологического персонала для руководства операцией.
7.4 Бактериальное загрязнение приведет к увеличению производственных затрат
После обнаружения загрязнения часто необходимо принять ряд мер для борьбы с ним, таких как остановка ферментации, очистка оборудования, повторная подготовка семян и т.д., Что требует большого количества рабочей силы и материальных ресурсов и увеличивает временные затраты.
Загрязнения в период активации можно избежать, увеличив количество параллельных операций и выбрав высококачественные сорта для флаконов для встряхивания. Даже если произойдет загрязнение, это только увеличит временные затраты и не приведет к большим потерям, таким как материальные затраты и техническое обслуживание оборудования. Потери от загрязнения на стадии расширения больше, чем на стадии активации, но все же разумно прекратить ферментацию после появления загрязнения.