在工业发酵生产中,发酵终点的判断直接关系到最终的产品质量与经济效益。判断过早,可能导致底物未充分利用,产物产量不足;判断过晚,则易引起菌体自溶、产物降解,并增加下游提取负担。因此,如何科学确定这一关键节点,是工艺优化的重要课题。
成功的发酵终点判断需遵循一套整合逻辑:精准监测关键信号、围绕生产目标进行权衡、并兼顾全过程经济效益。下文将系统梳理其判断要点与实践方法。
明确工艺目标,确立判断导向 不同发酵产品的工艺重点不同,终点判断的优先维度也应有侧重: 若原料与发酵成本占主导,应聚焦于提升产率与转化率,追求单位时间内的产出效率; 若下游提取成本高或产品价值高,则需优先保证终端产物浓度,同时合理控制发酵周期,以降低后续纯化难度与成本。
监测关键指标,捕捉状态转折 发酵后期,菌体代谢状态的转变会体现于多项可监测的参数,这些是判断终点的重要依据: pH与溶解氧(DO)的异常上升:稳定的发酵过程中,pH与DO通常维持在一定范围。当二者出现同步或先后显著升高,往往意味着菌体生长与产物合成趋于停滞,可能已进入衰亡或自溶初期。此信号常作为终点判断的首要依据。 菌丝形态的衰退:通过取样观察,若菌丝从粗壮、形态完整转为稀疏、断裂或碎片化,即可直观判断菌体活力下降,自溶可能即将开始。 残糖消耗与氨基氮回升:当残糖降至低点,而氨基氮含量反而上升,说明菌体因外源营养缺乏开始内源代谢,分解自身蛋白质。,此时,应尽快结束发酵。 发酵液物理性状变化:如黏度骤增或骤降、颜色加深、泡沫性质改变等外观变化,也可作为辅助判断的标志。
进行经济性评估,追求综合效益最优 终点判断不应只追求产物浓度最高点,而应考量整体生产效率,即: 总产率=产物总量发酵时间 + 清罐准备时间总产率=发酵时间 + 清罐准备时间产物总量 有时略微提前放罐,虽单批产量会稍降,但因缩短了周期、提高了设备周转率,总产出反而会更高。
为下游工序预留操作空间 放罐时机直接影响后续提取纯化效率 残留过多营养物(如糖、蛋白质)会增加提取负担;菌体过度自溶则会导致发酵液难过滤、产物不稳。因此,放罐前需谨慎补料,并通常提前数小时停止添加糖、消泡剂等外源物质。
依据工艺成熟度差异化处理
成熟工艺:可按既定的作业计划执行,但仍需实时监测,遇菌丝异常等状况应及时调整,避免损失扩大。 新工艺开发:需通过多批次试验,系统记录不同时间点的产物量、菌体状态及关键参数,逐步建立可靠的终点判断模型。
可靠设备支撑,为判断增添依据 在实际操作中,稳定、可靠的发酵设备能为终点判断提供关键的数据支持与工艺一致性保障。例如: CytoLinX® GB 台式玻璃生物反应器

图1:CytoLinX® GB台式玻璃生物反应器
对于工艺开发与小规模研究,百林科 CytoLinX® GB 台式玻璃生物反应器可提供强大支持: 其可配置性强,灵活性高,能根据工艺开发和表征的具体需求提供多样化的体积选择,并支持向生产规模放大。 应用领域广,可根据客户的特殊工艺(如ADC、mRNA等领域)要求进行定制。罐体采用高硼硅玻璃,具备优异的耐高温、耐腐蚀性,且易于清洁,耐用性强。 设备运行稳定性高,温度、DO、pH的联动控制效果精准可靠。同时,它提供大泡与微泡等多种通气方式选择,能够满足细胞培养与微生物发酵等多种工艺的个性化需求。 CytoLinX® BR 一次性罐体式生物反应器

图2:百林科CytoLinX® BR一次性罐体式生物反应器
百林科CytoLinX® BR 一次性罐体式生物反应器配备的高灵敏度pH 与 DO实时监测系统,可精准捕捉代谢转折点,避免因信号滞后导致误判。
其灵活的通气与搅拌设计,有助于维持菌丝形态稳定,便于观察与取样判断。
设备覆盖多种规模,支持从工艺开发到规模化生产的无缝放大,确保小试确定的终点策略在量产中仍可有效执行。
符合 ISA 88 及 21 CFR Part 11 规范的控制与数据记录系统,能为每批发酵提供完整、可信的参数曲线,助力建立工艺知识库,优化终点决策。
总结而言,发酵终点的判断是一门平衡艺术,需在产物积累、时间成本、设备利用与下游负担之间找到最优解。通过明确目标、系统监测、统筹评估,并借助稳定可靠的工艺设备,操作者可以逐步提升判断的准确性与稳定性,最终实现质量、效率与效益的整体优化。
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