發(fā)酵技術(shù)中的補(bǔ)料的控制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上發(fā)酵技術(shù)中的補(bǔ)料的控制補(bǔ)料分批發(fā)酵(fed-batch culture，F(xiàn)BC)： 又稱半連續(xù)培養(yǎng)或半連續(xù)發(fā)酵，是指在分批發(fā)酵過程中，間歇或連續(xù)地補(bǔ)加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法，是分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種過渡培養(yǎng)方式，是一種控制發(fā)酵的好方法，現(xiàn)已廣泛用于發(fā)酵工業(yè)。1 FBC的作用 1） 可以控制抑制性底物的濃度高濃度營養(yǎng)物抑制微生物生長： 基質(zhì)過濃使?jié)B透壓過高，細(xì)胞因脫水而死亡； 高濃度基質(zhì)能使微生物細(xì)胞熱致死(themal death)，如乙醇濃度達(dá)10時(shí)，就可使酵母細(xì)胞熱致死； 有的是因某種或某些基質(zhì)對(duì)代謝關(guān)鍵酶或細(xì)胞組分產(chǎn)生抑制作用，如高濃度苯酚(

2、35)可凝固蛋白； 高濃度基質(zhì)還會(huì)改變菌體的生化代謝而影響生長等。v 有的基質(zhì)是合成產(chǎn)物必需的前體物質(zhì)，濃度過高，就會(huì)影響菌體代謝或產(chǎn)生毒性，使產(chǎn)物產(chǎn)量降低。如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分別是青霉素、紅霉素的前體物質(zhì)，濃度過大，就會(huì)產(chǎn)生毒性，使抗生素產(chǎn)量減少。v 有的底物溶解度小，達(dá)不到應(yīng)有的濃度而影響轉(zhuǎn)化率。如甾類化合物轉(zhuǎn)化中，因它們的溶解度小，使基質(zhì)的濃度低，造成轉(zhuǎn)化率不高。v 采用FBC方式，可以控制適當(dāng)?shù)幕|(zhì)濃度，解除抑制作用，得到高濃度的產(chǎn)物。 2） 解除或減弱分解代謝物的阻遏v 有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑纖維素酶、赤霉素、青霉素等多種酶或產(chǎn)物的合成。通過補(bǔ)料

3、來限制基質(zhì)葡萄糖的濃度，就可解除酶或其產(chǎn)物的阻遏，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。v 緩慢流加葡萄糖，纖維素酶的產(chǎn)量幾乎增加200倍；將葡萄糖濃度控制在0.02水平，赤霉素濃度可達(dá)905 mgL；采用滴加葡萄糖的技術(shù)，可明顯提高青霉素的發(fā)酵單位等。這都是利用發(fā)酵技術(shù)解決分解代謝物阻遏的實(shí)際應(yīng)用。在植物細(xì)胞培養(yǎng)中，也采用該技術(shù)來提高產(chǎn)量。3）可以使發(fā)酵過程最佳化v 分批發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究，闡明了各個(gè)參數(shù)之間的相互關(guān)系。利用FBC技術(shù)，就可以使菌種保持在最大生產(chǎn)力的狀態(tài)。v 隨著FBC補(bǔ)料方式的不斷改進(jìn)，為發(fā)酵過程的優(yōu)化和反饋控制奠定了基礎(chǔ)。v 隨著計(jì)算機(jī)、傳感器等的發(fā)展和應(yīng)用，已有可能用離線方式計(jì)算或用模擬復(fù)雜的數(shù)

4、學(xué)模型在線方式實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。 FBC的優(yōu)點(diǎn)：v 解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；v 避免一次投料過多造成細(xì)胞大量生長所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)性質(zhì)；v 可提高發(fā)芽孢子的比例，控制細(xì)胞質(zhì)量；v 不需要嚴(yán)格的無菌條件，產(chǎn)生菌不易老化變異，比連續(xù)發(fā)酵適用廣泛。2 補(bǔ)料內(nèi)容 能源和碳源； 氮源； 微量元素； 誘導(dǎo)物；3 補(bǔ)料的原則原則：根據(jù)菌體生長代謝規(guī)律； 生產(chǎn)需要； 環(huán)境條件方法：充足而不過量（少量多次或分批流加）4 補(bǔ)糖的控制補(bǔ)糖時(shí)機(jī)v 過早，刺激生長，加速糖利用；v 過遲，所需能量跟不上。如谷氨酸發(fā)酵在對(duì)數(shù)生長期的末期補(bǔ)料。判斷：培養(yǎng)基條件，菌種，發(fā)酵狀況（殘?zhí)?，pH，

5、菌形態(tài)等），在需要時(shí)加入；舉例：四環(huán)素，P203圖10-14補(bǔ)糖方式v 連續(xù)流加：每次流加又可分為快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加和變速流加。 v 少量多次間歇補(bǔ)入v 大量少次補(bǔ)入 可與其他組分一起進(jìn)行多組分補(bǔ)料。 以不引起發(fā)酵液成分劇烈波動(dòng)為前提；補(bǔ)糖量加入與消耗平衡，維持穩(wěn)定的糖濃度； 例：a 四環(huán)素發(fā)酵還原糖維持在0.8-1.2%b 谷氨酸追加糖液發(fā)酵：在原工藝基礎(chǔ)上，加大接種量到10%，增加生物素用量達(dá)5g/L，減少初糖濃度（12%7-8%）盡快獲得大量的生產(chǎn)型菌體，當(dāng)菌體處在生長對(duì)數(shù)期后進(jìn)入產(chǎn)酸期，糖濃度在2%左右時(shí)，連續(xù)流加糖液，維持2%左右的糖濃度。 優(yōu)點(diǎn)：低濃度發(fā)酵，以利于生長

6、和發(fā)酵；      總糖濃度達(dá)20%，產(chǎn)酸高。Ø 補(bǔ)糖開始時(shí)，不但CRR、OUR大幅度提高，連RQ也提高約10，表明通過補(bǔ)糖不但提供了更多的碳源，而且隨著體系內(nèi)葡萄糖濃度提高，糖代謝相關(guān)酶活力也提高，產(chǎn)能增加。Ø 發(fā)酵中后期為保證產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物，有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，維持產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物的速率在較高水平。5 補(bǔ)償?shù)醇盁o機(jī)鹽v 流加尿素，一方面調(diào)節(jié)pH，另一方面補(bǔ)氮。v 谷氨酸發(fā)酵時(shí)，初次加入尿素量和補(bǔ)加量取決于菌種的脲酶活力強(qiáng)弱和耐尿能力。v 脲酶活力低，耐尿素強(qiáng)，初次加入用量多2%，流加次數(shù)少v 脲酶活力

7、強(qiáng)，耐尿素低，初次加入用量少0.6%，流加以少量多次好6 補(bǔ)料的控制v 流加操作控制系統(tǒng)分為有反饋控制和無反饋控制兩類。反饋控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器和驅(qū)動(dòng)器三個(gè)單元所組成。根據(jù)控制依據(jù)的指標(biāo)不同，又分為直接方法和間接方法。v 間接方法：以溶氧、pH值、呼吸商、排氣中CO2分壓及代謝產(chǎn)物濃度等作為控制參數(shù)。對(duì)間接方法來說，選擇與過程直接相關(guān)的可檢參數(shù)作為控制指標(biāo)，是研究的關(guān)鍵。通氣發(fā)酵利用排氣中CO2含量作為FBC反饋控制參數(shù)是較為常用的間接方法。v 直接法：隨著一系列技術(shù)障礙的克服，該法將會(huì)得到迅速普及。反饋控制的FBC，常常是依據(jù)個(gè)別指標(biāo)來進(jìn)行，在許多情況下，并不能奏效，尚需進(jìn)行多因子分析。v FBC還可采用“放料和補(bǔ)料”(withdraw and fill)方法：發(fā)酵一定時(shí)間，產(chǎn)生了代謝產(chǎn)物后，定時(shí)放出一部分發(fā)酵液(可供提煉)，同時(shí)補(bǔ)充一部分新鮮營養(yǎng)液，并重復(fù)進(jìn)行。維持一定菌體生長速率，延長發(fā)酵產(chǎn)物生產(chǎn)期，有利于提高產(chǎn)物產(chǎn)量，降低成本。注意染菌。v 如控制青霉素生產(chǎn)所用的葡萄糖流加的質(zhì)