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發酵系統中補料的作用
雙擊自動滾屏 發布者:發酵罐生產企業江蘇元洲生物 發布時間:2019-1-19 閱讀:278

目前, 補料工藝已是工業發酵領域中研究最多、 應用最廣的技術之一,一般是在發酵進行至大量生成產物的階段, 因合成產物和維持細胞活動的需要, 有選擇地補充營養物質。合適的補料工藝能夠有效地控制微生物的中間代謝, 使之向著有利于產物積累的方向發展。本文對補料工藝特點、補料原則、補料動力學和補料控制理論等問題進行綜述。

用于補料的5類營養物質

補料發酵補加的營養物質大致有五類:

①補充菌體所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等;

② 補充菌體所需氮源, 如蛋白胨、豆餅粉、玉米漿、酵母粉和尿素等有機氮源, 有些發酵還采取通入氨氣或添加氨水等;

③加入某些菌體生長代謝所需的微量元素和無機鹽,如磷酸鹽、硫酸鹽等;

④對于產誘導酶的微生物, 常在補料中適當加入該酶的作用底物, 以提高酶的產量;

⑤對一些抗生素發酵, 往往需要補充抗生素形成的前體。

補料的作用

(1)有利于菌體的高密度培養:高密度發酵的生物量可達60 ~150g/L , 需投入2 ~ 5 倍于生物量的營養物。所以, 若將所有的補料一次加到培養基中, 過高濃度的營養物勢必造成菌體代謝的紊亂, 表現為遲滯期延長, 比生長速率降低, 得率下降。

(2)降低培養基中有毒底物對菌體生長的抑制有些發酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物質作為培養基成分, 這些物質即使在較低濃度下, 也會對微生物生長產生抑制作用。而通過補料, 可減小抑制作用

(3)解除高濃度營養物和分解代謝物引起的阻遏作用:葡萄糖分解代謝物可阻遏包括纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、轉化酶以及氨基酸合成酶等酶的合成。通過補料來控制菌體生長速率以使酶的合成明顯去阻遏;通過補料還可以減小分解代謝產生的乙醇、甲酸、乳酸等副產物對菌體生長的不利影響。

(4)維持有利的發酵條件:發酵過程中常常發生 pH 值的變化, 直接加酸或加堿可以快速調整酸堿度, 而通過補加碳源或氮源, 可以緩慢而根本地調整 pH 值。對于好氧發酵, 一次性投糖過多會造成細胞生長過快, 快速消耗氧氣, 而常規的通風攪拌無法滿足供氧需求。補料可以緩解該矛盾,此外, 補料還可調整發酵液粘度、氧傳遞系數等物性參數, 改善發酵環境, 有利于細胞生長和產物合成

無反饋控制補料方式有三種:恒 速補料、變速補料和指數補料

(1)恒速補料 :

在恒速補料發酵中, 以預先設定的恒定速率補 加限制性營養物。相對菌體來說, 營養物濃度是逐漸降低的, 菌體比生長速率也是下降的, 而菌體總量是線性增加的。恒速補料在一定程度上滿足了菌體對養料的需 要, 避免了營養物抑制, 但這種方法往往只是根據一個參數指標控制的。這類操作常見于早期報道。

(2)變速補料 

變速補料是在培養過程中補加速率以梯度、階段或線性等方式不斷增加。它可以在菌體濃度較高的情況下加入更多營養物來促進細胞的生長, 實現 細胞比生長速率不斷增加, 有利于產物的形成。盡管比較粗糙, 但要優于恒速補加法 。

(3)指數補料

指數補料是一種簡單而行之有效的方法。補加速率呈指數增加, 它能夠使反應器中營養物濃度控 制在較低的水平, 而使菌體的比生長速率為恒定值, 菌體密度呈指數增加。指數補料較好地配合菌體的生長過程, 又不需要特別復雜的儀器, 因而, 受到了較多的重視。

反饋控制補料   

實際發酵過程?;嵊朐ど韞逃釁? 如果能及時地糾正偏差, 就可使反應朝預定方向進行, 否則將很難達到預期的目標。反饋控制補料就是在發酵過程中對反應器內的營養物濃度、產物濃度以及細 胞濃度等參數進行實時或在線檢測和控制。

中間補料的前提就是了解發酵參數與微生物代謝、營養物利用以及產物形成之間的關系, 選擇恰當的反饋控制參數??煽刂頻牟問兄苯硬飭坎問圖浣硬飭坎問?。直接測量參數為溫度、pH 、溶解氧濃度、光密度、營養物濃度、壓力和尾氣成分等, 它們均可用儀器設備直接測量。間接測量參數包括比生長速率、菌體細胞濃度、攝氧率、氧氣轉移率、二氧化碳增長率和呼吸商等。它們可用一個或多個直接測 量參數值評估或計算得到。

(1)簡單反饋控制(又稱單一循環法)補料

此法控制與營養物利用相偶聯的pH 或溶解氧濃度等參數, 使之保持恒定。例如, 預先設定pH 恒定值, 發酵中菌體代謝產生酸性物質或銨, 使pH 值發生改變, 從而啟動控制開關, 開始補料, pH 恢復至恒定值;以溶解氧濃度作為補料開關則是根據培養基中某種關鍵營養物(主要是碳源)消耗, 會導致溶解氧濃度迅速改變。該方法操作較為簡單, 但帶有經驗性, 易滯后。

(2)根據營養物攝取或需求量來控制補料

就是在線檢測培養基中營養物濃度, 通過補料將營養物控制在設定值內。這類方法在補料控制中常見, 控制的對象往往是葡萄糖濃度。

(3)根據比生長速率來控制補料 

菌體的比生長速率μ越大, 說明該微生物生長得越快, 消耗營養物越多。

(4)根據尾氣成分分析來控制補料

營養物的利用通常伴隨著CO2 等氣體的釋放。 測定出口氣體, 類似于分析營養物, 也能用來控制補料速率。在王澤建等發表的《生理代謝參數RQ 在指導發酵過程優化中的應用》一文中有很多RQ指導補料的應用。

(5)根據細胞形態學控制補料

在一些微生物培養時, 細胞形態學變化與培養條件(如溶解氧濃度, 剪切速度, 培養基成分密切相關)

(6)神經網絡控制補料

人工神經網絡控制就是模擬人類大腦的運行機制, 采用處理單元代替神經元, 依靠貯存于處理單元之間相互關聯的信息實現控制??剎捎謎庖荒P屠叢けǚ⒔妥刺欠裾? 預測發酵階段, 預測代謝狀態、產物、營養物濃度和各種抑制狀態的產生等

(7)模糊控制的補料

發酵中的可測參數與生物的生長和代謝之間, 難以用確切的數學關系來描述, 而用隸屬函數來描述它們的模糊關系似乎更加恰當。當常規檢測和控制方法難以精確地反映系統的運行狀態時, 模糊控便可應用到控制過程。模糊控制是工程師的經驗與上述相關控制方法結合的產物,或者完成是經驗的產物。

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