發(fā)酵罐知識(shí)
發(fā)酵罐系統(tǒng)中補(bǔ)料的作用
時(shí)間：2020.09.25
目前，補(bǔ)料工藝已是工業(yè)發(fā)酵領(lǐng)域中研究較多、應(yīng)用較廣的技術(shù)之一，一般是在發(fā)酵進(jìn)行至大量生成產(chǎn)物的階段，因合成產(chǎn)物和維持細(xì)胞活動(dòng)的需要，有選擇地補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。合適的補(bǔ)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(chǎn)物積累的方向發(fā)展。本文對(duì)補(bǔ)料工藝特點(diǎn)、補(bǔ)料原則、補(bǔ)料動(dòng)力學(xué)和補(bǔ)料控制理論等問題進(jìn)行綜述。
補(bǔ)料發(fā)酵補(bǔ)加的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大致有五類:
①補(bǔ)充菌體所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等；
②補(bǔ)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(jī)氮源，有些發(fā)酵還采取通入氨氣或添加氨水等；
③加入某些菌體生長(zhǎng)代謝所需的微量元素和無機(jī)鹽，如磷酸鹽、硫酸鹽等；
④對(duì)于產(chǎn)誘導(dǎo)酶的微生物，常在補(bǔ)料中適當(dāng)加入該酶的作用底物，以提高酶的產(chǎn)量；
⑤對(duì)一些抗生素發(fā)酵，往往需要補(bǔ)充抗生素形成的前體。
補(bǔ)料的作用
（1）有利于菌體的高密度培養(yǎng)：高密度發(fā)酵的生物量可達(dá)60 ～150g/L , 需投入2 ～ 5 倍于生物量的營(yíng)養(yǎng)物。所以，若將所有的補(bǔ)料一次加到培養(yǎng)基中，過高濃度的營(yíng)養(yǎng)物勢(shì)必造成菌體代謝的紊亂，表現(xiàn)為遲滯期延長(zhǎng)，比生長(zhǎng)速率降低，得率下降；
（2）降低培養(yǎng)基中有毒底物對(duì)菌體生長(zhǎng)的抑制有些發(fā)酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物質(zhì)作為培養(yǎng)基成分，這些物質(zhì)即使在較低濃度下，也會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。而通過補(bǔ)料，可減小抑制作用；
（3）解除高濃度營(yíng)養(yǎng)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(zhuǎn)化酶以及氨基酸合成酶等酶的合成。通過補(bǔ)料來控制菌體生長(zhǎng)速率以使酶的合成明顯去阻遏；通過補(bǔ)料還可以減小分解代謝產(chǎn)生的乙醇、甲酸、乳酸等副產(chǎn)物對(duì)菌體生長(zhǎng)的不利影響；
（4）維持有利的發(fā)酵條件：發(fā)酵過程中常常發(fā)生 pH 值的變化，直接加酸或加堿可以快速調(diào)整酸堿度，而通過補(bǔ)加碳源或氮源，可以緩慢而根本地調(diào)整 pH 值。對(duì)于好氧發(fā)酵， 一次性投糖過多會(huì)造成細(xì)胞生長(zhǎng)過快，快速消耗氧氣，而常規(guī)的通風(fēng)攪拌無法滿足供氧需求。補(bǔ)料可以緩解該矛盾，此外，補(bǔ)料還可調(diào)整發(fā)酵液粘度、氧傳遞系數(shù)等物性參數(shù), 改善發(fā)酵環(huán)境，有利于細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成。
無反饋控制補(bǔ)料方式有三種：恒速補(bǔ)料、變速補(bǔ)料和指數(shù)補(bǔ)料
（1）恒速補(bǔ)料
在恒速補(bǔ)料發(fā)酵中，以預(yù)先設(shè)定的恒定速率補(bǔ)加限制性營(yíng)養(yǎng)物。相對(duì)菌體來說，營(yíng)養(yǎng)物濃度是逐漸降低的，菌體比生長(zhǎng)速率也是下降的，而菌體總量是線性增加的。恒速補(bǔ)料在一定程度上滿足了菌體對(duì)養(yǎng)料的需要，避免了營(yíng)養(yǎng)物抑制，但這種方法往往只是根據(jù)一個(gè)參數(shù)指標(biāo)控制的。這類操作常見于早期報(bào)道；
（2）變速補(bǔ)料
變速補(bǔ)料是在培養(yǎng)過程中補(bǔ)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(yíng)養(yǎng)物來促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞比生長(zhǎng)速率不斷增加，有利于產(chǎn)物的形成。盡管比較粗糙，但要優(yōu)于恒速補(bǔ)加法 ；
（3）指數(shù)補(bǔ)料
指數(shù)補(bǔ)料是一種簡(jiǎn)單而行之有效的方法。補(bǔ)加速率呈指數(shù)增加，它能夠使反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)物濃度控制在較低的水平，而使菌體的比生長(zhǎng)速率為恒定值，菌體密度呈指數(shù)增加。指數(shù)補(bǔ)料較好地配合菌體的生長(zhǎng)過程，又不需要特別復(fù)雜的儀器，因而受到了較多的重視。
反饋控制補(bǔ)料
實(shí)際發(fā)酵過程常會(huì)與預(yù)設(shè)過程有偏差,，如果能及時(shí)地糾正偏差，就可使反應(yīng)朝預(yù)定方向進(jìn)行，否則將很難達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。反饋控制補(bǔ)料就是在發(fā)酵過程中對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度以及細(xì)胞濃度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或在線檢測(cè)和控制。
中間補(bǔ)料的前提就是了解發(fā)酵參數(shù)與微生物代謝、營(yíng)養(yǎng)物利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系，選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)?？煽刂频膮?shù)有直接測(cè)量參數(shù)和間接測(cè)量參數(shù)。直接測(cè)量參數(shù)為溫度、pH 、溶解氧濃度、光密度、營(yíng)養(yǎng)物濃度、壓力和尾氣成分等，它們均可用儀器設(shè)備直接測(cè)量。間接測(cè)量參數(shù)包括比生長(zhǎng)速率、菌體細(xì)胞濃度、攝氧率、氧氣轉(zhuǎn)移率、二氧化碳增長(zhǎng)率和呼吸商等。它們可用一個(gè)或多個(gè)直接測(cè)量參數(shù)值評(píng)估或計(jì)算得到。
（1）簡(jiǎn)單反饋控制(又稱單一循環(huán)法)補(bǔ)料
此法控制與營(yíng)養(yǎng)物利用相偶聯(lián)的pH 或溶解氧濃度等參數(shù)，使之保持恒定。例如，預(yù)先設(shè)定pH恒定值，發(fā)酵中菌體代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)或銨，使pH值發(fā)生改變，從而啟動(dòng)控制開關(guān)，開始補(bǔ)料，pH恢復(fù)至恒定值；以溶解氧濃度作為補(bǔ)料開關(guān)則是根據(jù)培養(yǎng)基中某種關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物(主要是碳源)消耗，會(huì)導(dǎo)致溶解氧濃度迅速改變。該方法操作較為簡(jiǎn)單，但帶有經(jīng)驗(yàn)性，易滯后；
（2）根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物攝取或需求量來控制補(bǔ)料
就是在線檢測(cè)培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物濃度，通過補(bǔ)料將營(yíng)養(yǎng)物控制在設(shè)定值內(nèi)。這類方法在補(bǔ)料控制中常見，控制的對(duì)象往往是葡萄糖濃度；
（3）根據(jù)比生長(zhǎng)速率來控制補(bǔ)料
菌體的比生長(zhǎng)速率μ越大，說明該微生物生長(zhǎng)得越快，消耗營(yíng)養(yǎng)物越多；
（4）根據(jù)尾氣成分分析來控制補(bǔ)料
營(yíng)養(yǎng)物的利用通常伴隨著CO2 等氣體的釋放。 測(cè)定出口氣體，類似于分析營(yíng)養(yǎng)物，也能用來控制補(bǔ)料速率；
（5）根據(jù)細(xì)胞形態(tài)學(xué)控制補(bǔ)料
在一些微生物培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞形態(tài)學(xué)變化與培養(yǎng)條件(如溶解氧濃度, 剪切速度, 培養(yǎng)基成分密切相關(guān))；
（6）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制補(bǔ)料
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制就是模擬人類大腦的運(yùn)行機(jī)制，采用處理單元代替神經(jīng)元，依靠貯存于處理單元之間相互關(guān)聯(lián)的信息實(shí)現(xiàn)控制?？刹捎眠@一模型來預(yù)報(bào)發(fā)酵狀態(tài)是否正常，預(yù)測(cè)發(fā)酵階段，預(yù)測(cè)代謝狀態(tài)、產(chǎn)物、營(yíng)養(yǎng)物濃度和各種抑制狀態(tài)的產(chǎn)生等；
（7）模糊控制的補(bǔ)料
發(fā)酵中的可測(cè)參數(shù)與生物的生長(zhǎng)和代謝之間，難以用確切的數(shù)學(xué)關(guān)系來描述，而用隸屬函數(shù)來描述它們的模糊關(guān)系似乎更加恰當(dāng)。當(dāng)常規(guī)檢測(cè)和控制方法難以精確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，模糊控便可應(yīng)用到控制過程。模糊控制是工程師的經(jīng)驗(yàn)與上述相關(guān)控制方法結(jié)合的產(chǎn)物，或者完成是經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)物。
以上就是關(guān)于發(fā)酵罐系統(tǒng)中補(bǔ)料的作用的相關(guān)介紹，霍爾斯公司致力于發(fā)酵罐技術(shù)推廣與工藝設(shè)備開發(fā)。通過多年的努力，已具備豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，為客戶提供設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)到設(shè)備生產(chǎn)、安裝調(diào)試等一系列服務(wù)，能夠提供整體解決方案和交鑰匙工程，贏得了客戶和業(yè)內(nèi)的良好口碑。想要了解更多關(guān)于發(fā)酵罐的相關(guān)信息，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注m.zqtser.com。
補(bǔ)料發(fā)酵補(bǔ)加的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大致有五類:
①補(bǔ)充菌體所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等；
②補(bǔ)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(jī)氮源，有些發(fā)酵還采取通入氨氣或添加氨水等；
③加入某些菌體生長(zhǎng)代謝所需的微量元素和無機(jī)鹽，如磷酸鹽、硫酸鹽等；
④對(duì)于產(chǎn)誘導(dǎo)酶的微生物，常在補(bǔ)料中適當(dāng)加入該酶的作用底物，以提高酶的產(chǎn)量；
⑤對(duì)一些抗生素發(fā)酵，往往需要補(bǔ)充抗生素形成的前體。
（1）有利于菌體的高密度培養(yǎng)：高密度發(fā)酵的生物量可達(dá)60 ～150g/L , 需投入2 ～ 5 倍于生物量的營(yíng)養(yǎng)物。所以，若將所有的補(bǔ)料一次加到培養(yǎng)基中，過高濃度的營(yíng)養(yǎng)物勢(shì)必造成菌體代謝的紊亂，表現(xiàn)為遲滯期延長(zhǎng)，比生長(zhǎng)速率降低，得率下降；
（2）降低培養(yǎng)基中有毒底物對(duì)菌體生長(zhǎng)的抑制有些發(fā)酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物質(zhì)作為培養(yǎng)基成分，這些物質(zhì)即使在較低濃度下，也會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。而通過補(bǔ)料，可減小抑制作用；
（3）解除高濃度營(yíng)養(yǎng)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(zhuǎn)化酶以及氨基酸合成酶等酶的合成。通過補(bǔ)料來控制菌體生長(zhǎng)速率以使酶的合成明顯去阻遏；通過補(bǔ)料還可以減小分解代謝產(chǎn)生的乙醇、甲酸、乳酸等副產(chǎn)物對(duì)菌體生長(zhǎng)的不利影響；
（4）維持有利的發(fā)酵條件：發(fā)酵過程中常常發(fā)生 pH 值的變化，直接加酸或加堿可以快速調(diào)整酸堿度，而通過補(bǔ)加碳源或氮源，可以緩慢而根本地調(diào)整 pH 值。對(duì)于好氧發(fā)酵， 一次性投糖過多會(huì)造成細(xì)胞生長(zhǎng)過快，快速消耗氧氣，而常規(guī)的通風(fēng)攪拌無法滿足供氧需求。補(bǔ)料可以緩解該矛盾，此外，補(bǔ)料還可調(diào)整發(fā)酵液粘度、氧傳遞系數(shù)等物性參數(shù), 改善發(fā)酵環(huán)境，有利于細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成。
無反饋控制補(bǔ)料方式有三種：恒速補(bǔ)料、變速補(bǔ)料和指數(shù)補(bǔ)料
（1）恒速補(bǔ)料
在恒速補(bǔ)料發(fā)酵中，以預(yù)先設(shè)定的恒定速率補(bǔ)加限制性營(yíng)養(yǎng)物。相對(duì)菌體來說，營(yíng)養(yǎng)物濃度是逐漸降低的，菌體比生長(zhǎng)速率也是下降的，而菌體總量是線性增加的。恒速補(bǔ)料在一定程度上滿足了菌體對(duì)養(yǎng)料的需要，避免了營(yíng)養(yǎng)物抑制，但這種方法往往只是根據(jù)一個(gè)參數(shù)指標(biāo)控制的。這類操作常見于早期報(bào)道；
（2）變速補(bǔ)料
變速補(bǔ)料是在培養(yǎng)過程中補(bǔ)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(yíng)養(yǎng)物來促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞比生長(zhǎng)速率不斷增加，有利于產(chǎn)物的形成。盡管比較粗糙，但要優(yōu)于恒速補(bǔ)加法 ；
（3）指數(shù)補(bǔ)料
指數(shù)補(bǔ)料是一種簡(jiǎn)單而行之有效的方法。補(bǔ)加速率呈指數(shù)增加，它能夠使反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)物濃度控制在較低的水平，而使菌體的比生長(zhǎng)速率為恒定值，菌體密度呈指數(shù)增加。指數(shù)補(bǔ)料較好地配合菌體的生長(zhǎng)過程，又不需要特別復(fù)雜的儀器，因而受到了較多的重視。
實(shí)際發(fā)酵過程常會(huì)與預(yù)設(shè)過程有偏差,，如果能及時(shí)地糾正偏差，就可使反應(yīng)朝預(yù)定方向進(jìn)行，否則將很難達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。反饋控制補(bǔ)料就是在發(fā)酵過程中對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度以及細(xì)胞濃度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或在線檢測(cè)和控制。
中間補(bǔ)料的前提就是了解發(fā)酵參數(shù)與微生物代謝、營(yíng)養(yǎng)物利用以及產(chǎn)物形成之間的關(guān)系，選擇恰當(dāng)?shù)姆答伩刂茀?shù)?？煽刂频膮?shù)有直接測(cè)量參數(shù)和間接測(cè)量參數(shù)。直接測(cè)量參數(shù)為溫度、pH 、溶解氧濃度、光密度、營(yíng)養(yǎng)物濃度、壓力和尾氣成分等，它們均可用儀器設(shè)備直接測(cè)量。間接測(cè)量參數(shù)包括比生長(zhǎng)速率、菌體細(xì)胞濃度、攝氧率、氧氣轉(zhuǎn)移率、二氧化碳增長(zhǎng)率和呼吸商等。它們可用一個(gè)或多個(gè)直接測(cè)量參數(shù)值評(píng)估或計(jì)算得到。
此法控制與營(yíng)養(yǎng)物利用相偶聯(lián)的pH 或溶解氧濃度等參數(shù)，使之保持恒定。例如，預(yù)先設(shè)定pH恒定值，發(fā)酵中菌體代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)或銨，使pH值發(fā)生改變，從而啟動(dòng)控制開關(guān)，開始補(bǔ)料，pH恢復(fù)至恒定值；以溶解氧濃度作為補(bǔ)料開關(guān)則是根據(jù)培養(yǎng)基中某種關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物(主要是碳源)消耗，會(huì)導(dǎo)致溶解氧濃度迅速改變。該方法操作較為簡(jiǎn)單，但帶有經(jīng)驗(yàn)性，易滯后；
（2）根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物攝取或需求量來控制補(bǔ)料
就是在線檢測(cè)培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物濃度，通過補(bǔ)料將營(yíng)養(yǎng)物控制在設(shè)定值內(nèi)。這類方法在補(bǔ)料控制中常見，控制的對(duì)象往往是葡萄糖濃度；
（3）根據(jù)比生長(zhǎng)速率來控制補(bǔ)料
菌體的比生長(zhǎng)速率μ越大，說明該微生物生長(zhǎng)得越快，消耗營(yíng)養(yǎng)物越多；
（4）根據(jù)尾氣成分分析來控制補(bǔ)料
營(yíng)養(yǎng)物的利用通常伴隨著CO2 等氣體的釋放。 測(cè)定出口氣體，類似于分析營(yíng)養(yǎng)物，也能用來控制補(bǔ)料速率；
（5）根據(jù)細(xì)胞形態(tài)學(xué)控制補(bǔ)料
在一些微生物培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞形態(tài)學(xué)變化與培養(yǎng)條件(如溶解氧濃度, 剪切速度, 培養(yǎng)基成分密切相關(guān))；
（6）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制補(bǔ)料
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制就是模擬人類大腦的運(yùn)行機(jī)制，采用處理單元代替神經(jīng)元，依靠貯存于處理單元之間相互關(guān)聯(lián)的信息實(shí)現(xiàn)控制?？刹捎眠@一模型來預(yù)報(bào)發(fā)酵狀態(tài)是否正常，預(yù)測(cè)發(fā)酵階段，預(yù)測(cè)代謝狀態(tài)、產(chǎn)物、營(yíng)養(yǎng)物濃度和各種抑制狀態(tài)的產(chǎn)生等；
（7）模糊控制的補(bǔ)料
發(fā)酵中的可測(cè)參數(shù)與生物的生長(zhǎng)和代謝之間，難以用確切的數(shù)學(xué)關(guān)系來描述，而用隸屬函數(shù)來描述它們的模糊關(guān)系似乎更加恰當(dāng)。當(dāng)常規(guī)檢測(cè)和控制方法難以精確地反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，模糊控便可應(yīng)用到控制過程。模糊控制是工程師的經(jīng)驗(yàn)與上述相關(guān)控制方法結(jié)合的產(chǎn)物，或者完成是經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)物。
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