發(fā)酵技術中的補料的控制.doc

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1、發(fā)酵技術中的補料的控制補料分批發(fā)酵(fed-batchculture，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)。1FBC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：①基質過濃使?jié)B透壓過高，細胞因脫水而死亡；②高濃度基質能使微生物細胞熱致死(themaldeath)，如乙醇濃度達10％時，就可使酵母細胞熱致死；③有的是因某種或某些基質對

2、代謝關鍵酶或細胞組分產生抑制作用，如高濃度苯酚(3％～5％)可凝固蛋白；④高濃度基質還會改變菌體的生化代謝而影響生長等。v有的基質是合成產物必需的前體物質，濃度過高，就會影響菌體代謝或產生毒性，使產物產量降低。如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分別是青霉素、紅霉素的前體物質，濃度過大，就會產生毒性，使抗生素產量減少。v有的底物溶解度小，達不到應有的濃度而影響轉化率。如甾類化合物轉化中，因它們的溶解度小，使基質的濃度低，造成轉化率不高。v采用FBC方式，可以控制適當?shù)幕|濃度，解除抑制作用，得到高濃度的產物。2）解除或減弱

3、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物的合成。通過補料來限制基質葡萄糖的濃度，就可解除酶或其產物的阻遏，提高產物產量。v緩慢流加葡萄糖，纖維素酶的產量幾乎增加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，可明顯提高青霉素的發(fā)酵單位等。這都是利用發(fā)酵技術解決分解代謝物阻遏的實際應用。在植物細胞培養(yǎng)中，也采用該技術來提高產量。3）可以使發(fā)酵過程最佳化v分批發(fā)酵動力學的研究，闡明了各個參數(shù)之間的相

4、互關系。利用FBC技術，就可以使菌種保持在最大生產力的狀態(tài)。v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。v隨著計算機、傳感器等的發(fā)展和應用，已有可能用離線方式計算或用模擬復雜的數(shù)學模型在線方式實現(xiàn)最優(yōu)化控制。FBC的優(yōu)點：v①解除底物抑制、產物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；v②避免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)酵液流變學性質；v③可提高發(fā)芽孢子的比例，控制細胞質量；v④不需要嚴格的無菌條件，產生菌不易老化變異，比連續(xù)發(fā)酵適用廣泛。2補料內容①能源和碳源；②氮源；①微

5、量元素；②誘導物；3補料的原則原則：根據菌體生長代謝規(guī)律；生產需要；環(huán)境條件方法：充足而不過量（少量多次或分批流加）4補糖的控制補糖時機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)酵在對數(shù)生長期的末期補料。判斷：培養(yǎng)基條件，菌種，發(fā)酵狀況（殘?zhí)?，pH，菌形態(tài)等），在需要時加入；舉例：四環(huán)素，P203圖10-14補糖方式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少量多次間歇補入v大量少次補入可與其他組分一起進行多組分補料。以不引起發(fā)酵液成分劇烈波動為前提；補糖量

6、——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：在原工藝基礎上，加大接種量到10%，增加生物素用量達5μg/L，減少初糖濃度（12%——7-8%）盡快獲得大量的生產型菌體，當菌體處在生長對數(shù)期后進入產酸期，糖濃度在2%左右時，連續(xù)流加糖液，維持2%左右的糖濃度。優(yōu)點：低濃度發(fā)酵，以利于生長和發(fā)酵；????總糖濃度達20%，產酸高。?補糖開始時，不但CRR、OUR大幅度提高，連RQ也提高約10％，表明通過補糖不但提供了更多的碳源，而且隨著體系內葡萄糖濃度提高

7、，糖代謝相關酶活力也提高，產能增加。?發(fā)酵中后期為保證產生次級代謝產物，有意使菌體處于半饑餓狀態(tài)，在營養(yǎng)限制的條件下，維持產生次級代謝產物的速率在較高水平。5補償?shù)醇盁o機鹽v流加尿素，一方面調節(jié)pH，另一方面補氮。v谷氨酸發(fā)酵時，初次加入尿素量和補加量取決于菌種的脲酶活力強弱和耐尿能力。v脲酶活力低，耐尿素強，初次加入用量多2%，流加次數(shù)少v脲酶活力強，耐尿素低，初次加入用量少0.6%，流加以少量多次好6補料的控制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、控制器和驅動器三個單元

8、所組成。根據控制依據的指標不同，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分壓及代謝產物濃度等作為控制參數(shù)。對間接方法來說，選擇與過程直接相關的可檢參數(shù)作為控制指標，是研究的關鍵。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：隨著一系列技術障礙的克服，該法將會得到迅速普及。反饋控制的FBC，常常是依據個別指標來進行，在