發(fā)酵工藝控制 補料控制

7.發(fā)酵工藝及控制7.3.10補料的作用和控制補料分批發(fā)酵(fed-batchculture，簡稱FBC)，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)。一、補料分批發(fā)酵的優(yōu)點①可以解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；②可以避免在分批發(fā)酵中因一次投料過多造成細胞大量生長所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學(xué)的性質(zhì)；③可用作為控制細胞質(zhì)量的手段，以提高發(fā)芽孢子的比例④可作為理論研究的手段，為自動控制和最優(yōu)控制提供實驗基礎(chǔ)。同連續(xù)發(fā)酵相比，F(xiàn)BC不需要嚴格的無菌條件，產(chǎn)生菌也不會產(chǎn)生老化和變異等問題，適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣泛。二、補料分批發(fā)酵的作用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，細胞因脫水而死亡；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，就會產(chǎn)生毒性，使抗生素產(chǎn)量減少。有的底物溶解度小，達不到應(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。采用FBC方式，可以控制適當?shù)幕|(zhì)濃度，解除抑制作用，得到高濃度的產(chǎn)物。二、補料分批發(fā)酵的作用2、可以解除或減弱分解代謝物的阻遏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。通過補料來限制基質(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。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905mg／L；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際應(yīng)用。二、補料分批發(fā)酵的作用⒊可以使發(fā)酵過程最佳化隨著FBC補料方式的不斷改進，為發(fā)酵過程的優(yōu)化和反饋控制奠定了基礎(chǔ)。隨著計算機、傳感器等的發(fā)展和應(yīng)用，已有可能用離線方式計算或用模擬復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型在線方式實現(xiàn)最優(yōu)化控制。三、補料方式及控制1、補料方式連續(xù)流加、不連續(xù)流加、多周期流加快速流加、恒速流加、指數(shù)速率流加、變速流加單組分流加、多組分流加三、補料方式及控制2、流加操作控制系統(tǒng)反饋控制：（1）直接方法：直接以限制性營養(yǎng)物濃度作為反饋參數(shù)，如控制氮源、碳源、C/N比等，由于目前缺乏能直接測量重要參數(shù)的傳感器，因此直接方法的使用受到了限制。（2）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)。無反饋控制三、補料方式及控制3、補料的原則原則：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），控制微生物的中間代謝，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。三、補料方式及控制4、補料中應(yīng)注意的問題（1）選擇合適的補料的時機、方式和控制指標（2）料液的配