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发酵系统中补料形式和作用

日期:2018-08-21 作者:发酵罐专业生产企业上海联环公司 阅读:1153

 目前, 补料工艺已是工业发酵领域中研究最多、 应用最广的技术之一,一般是在发酵进行至大量生成产物的阶段, 因合成产物和维持细胞活动的需要, 有选择地补充营养物质。合适的补料工艺能够有效地控制微生物的中间代谢, 使之向着有利于产物积累的方向发展。本文对补料工艺特点、补料原则、补料动力学和补料控制理论等问题进行综述。
用于补料的5类营养物质
补料发酵补加的营养物质大致有五类:
①补充菌体所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等;
② 补充菌体所需氮源, 如蛋白胨、豆饼粉、玉米浆、酵母粉和尿素等有机氮源, 有些发酵还采取通入氨气或添加氨水等;
③加入某些菌体生长代谢所需的微量元素和无机盐,如磷酸盐、硫酸盐等;
④对于产诱导酶的微生物, 常在补料中适当加入该酶的作用底物, 以提高酶的产量;
⑤对一些抗生素发酵, 往往需要补充抗生素形成的前体。
补料的作用
(1)有利于菌体的高密度培养:高密度发酵的生物量可达60 ~150g/L , 需投入2 ~ 5 倍于生物量的营养物。所以, 若将所有的补料一次加到培养基中, 过高浓度的营养物势必造成菌体代谢的紊乱, 表现为迟滞期延长, 比生长速率降低, 得率下降。
(2)降低培养基中有毒底物对菌体生长的抑制有些发酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物质作为培养基成分, 这些物质即使在较低浓度下, 也会对微生物生长产生抑制作用。而通过补料, 可减小抑制作用
(3)解除高浓度营养物和分解代谢物引起的阻遏作用:葡萄糖分解代谢物可阻遏包括纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、转化酶以及氨基酸合成酶等酶的合成。通过补料来控制菌体生长速率以使酶的合成明显去阻遏;通过补料还可以减小分解代谢产生的乙醇、甲酸、乳酸等副产物对菌体生长的不利影响。
(4)维持有利的发酵条件:发酵过程中常常发生 pH 值的变化, 直接加酸或加碱可以快速调整酸碱度, 而通过补加碳源或氮源, 可以缓慢而根本地调整 pH 值。对于好氧发酵, 一次性投糖过多会造成细胞生长过快, 快速消耗氧气, 而常规的通风搅拌无法满足供氧需求。补料可以缓解该矛盾,此外, 补料还可调整发酵液粘度、氧传递系数等物性参数, 改善发酵环境, 有利于细胞生长和产物合成
无反馈控制补料方式有三种:恒 速补料、变速补料和指数补料
(1)恒速补料 :
在恒速补料发酵中, 以预先设定的恒定速率补 加限制性营养物。相对菌体来说, 营养物浓度是逐渐降低的, 菌体比生长速率也是下降的, 而菌体总量是线性增加的。恒速补料在一定程度上满足了菌体对养料的需 要, 避免了营养物抑制, 但这种方法往往只是根据一个参数指标控制的。这类操作常见于早期报道。
(2)变速补料
变速补料是在培养过程中补加速率以梯度、阶段或线性等方式不断增加。它可以在菌体浓度较高的情况下加入更多营养物来促进细胞的生长, 实现 细胞比生长速率不断增加, 有利于产物的形成。尽管比较粗糙, 但要优于恒速补加法 。
(3)指数补料
指数补料是一种简单而行之有效的方法。补加速率呈指数增加, 它能够使反应器中营养物浓度控 制在较低的水平, 而使菌体的比生长速率为恒定值, 菌体密度呈指数增加。指数补料较好地配合菌体的生长过程, 又不需要特别复杂的仪器, 因而, 受到了较多的重视。
反馈控制补料   
实际发酵过程常会与预设过程有偏差, 如果能及时地纠正偏差, 就可使反应朝预定方向进行, 否则将很难达到预期的目标。反馈控制补料就是在发酵过程中对反应器内的营养物浓度、产物浓度以及细 胞浓度等参数进行实时或在线检测和控制。
中间补料的前提就是了解发酵参数与微生物代谢、营养物利用以及产物形成之间的关系, 选择恰当的反馈控制参数。可控制的参数有直接测量参数和间接测量参数。直接测量参数为温度、pH 、溶解氧浓度、光密度、营养物浓度、压力和尾气成分等, 它们均可用仪器设备直接测量。间接测量参数包括比生长速率、菌体细胞浓度、摄氧率、氧气转移率、二氧化碳增长率和呼吸商等。它们可用一个或多个直接测 量参数值评估或计算得到。
(1)简单反馈控制(又称单一循环法)补料
此法控制与营养物利用相偶联的pH 或溶解氧浓度等参数, 使之保持恒定。例如, 预先设定pH 恒定值, 发酵中菌体代谢产生酸性物质或铵, 使pH 值发生改变, 从而启动控制开关, 开始补料, pH 恢复至恒定值;以溶解氧浓度作为补料开关则是根据培养基中某种关键营养物(主要是碳源)消耗, 会导致溶解氧浓度迅速改变。该方法操作较为简单, 但带有经验性, 易滞后。
(2)根据营养物摄取或需求量来控制补料
就是在线检测培养基中营养物浓度, 通过补料将营养物控制在设定值内。这类方法在补料控制中常见, 控制的对象往往是葡萄糖浓度。
(3)根据比生长速率来控制补料
菌体的比生长速率μ越大, 说明该微生物生长得越快, 消耗营养物越多。
(4)根据尾气成分分析来控制补料
营养物的利用通常伴随着CO2 等气体的释放。 测定出口气体, 类似于分析营养物, 也能用来控制补料速率。在王泽建等发表的《生理代谢参数RQ 在指导发酵过程优化中的应用》一文中有很多RQ指导补料的应用。
(5)根据细胞形态学控制补料
在一些微生物培养时, 细胞形态学变化与培养条件(如溶解氧浓度, 剪切速度, 培养基成分密切相关)
(6)神经网络控制补料
人工神经网络控制就是模拟人类大脑的运行机制, 采用处理单元代替神经元, 依靠贮存于处理单元之间相互关联的信息实现控制。可采用这一模型来预报发酵状态是否正常, 预测发酵阶段, 预测代谢状态、产物、营养物浓度和各种抑制状态的产生等
(7)模糊控制的补料
发酵中的可测参数与生物的生长和代谢之间, 难以用确切的数学关系来描述, 而用隶属函数来描述它们的模糊关系似乎更加恰当。当常规检测和控制方法难以精确地反映系统的运行状态时, 模糊控便可应用到控制过程。模糊控制是工程师的经验与上述相关控制方法结合的产物,或者完
成是经验的产物。

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