现代工业发酵调控学课件-储炬发酵过程优化5复习d(196KB).ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 分批发酵的优缺点 对不同对象，掌握工艺的重点也不同。 对产物为细胞本身，可采用能支持最高生长量的培养条件； 对产物为初级代谢物，可设法延长与产物关联的对数生长期； 对次级代谢物的生产，可缩短对数生长期，延长生产(静止)期，或降低对数期的生长速率，从而使次级代谢物更早形成。 分批发酵的优缺点 分批发酵在工业生产上仍有重要地位。采用分批作业有技术和生物上的理由，即操作简单，周期短，染菌的机会减少和生产过程，产品质量易掌握。 分批发酵不适用于测定其过程动力学，因使用复合培养基，不能简单地运用Monod方程来描述生长，存在基质抑制问题，出现二次生长(diauxic growth) 现象。 分批发酵的优缺点 如对基质浓度敏感的产物，或次级代谢物，抗生素，用分批发酵不合适，因其周期较短，一般在1－3天，产率较低。 由于养分的耗竭，无法维持下去。据此，发展了补料-分批发酵。 补料-分批发酵 补料(流加)-分批(fed-batch)发酵是在分批发酵过程中补入新鲜料液，以克服由于养分的不足，导致发酵过早结束。 由于只有料液的输入，没有输出，因此，发酵液的体积在增加。(除取样外) 目前工厂最常用的操作模式。 恒化器的稳态和补料-分批发酵的准稳态的主要区别在于恒化器的? 是不变的，而补料-分批发酵的? 是降低的。 补料-分批发酵 补料-分批发酵的优点在于它能在这样一种系统中维持很低的基质浓度，从而避免快速利用碳源的阻遏效应和能够按设备的通气能力去维持适当的发酵条件，并且能减缓代谢有害物的不利影响。 减少初始配料体积，有利于消毒时液面控制。 半连续发酵的不足之处 1) 放掉发酵液的同时也丢失了未利用的养分和处于生产旺盛期的菌体； 2) 定期补充和带放使发酵液稀释，送去提炼的发酵液体积更大； 3)发酵液被稀释后可能产生更多的代谢有害物，最终限制发酵产物的合成； 半连续发酵的不足之处 4) 一些经代谢产生的前体可能丢失； 5) 有利于非产生菌突变株的生长。据此，在采用此工艺时必需考虑上述的技术上限制，不同的品种应具体情况具体分析。 连续培养 连续培养是发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。 连续培养系统又称为恒化器(chemostat)，因培养物的生长速率受其周围化学环境，即受培养基的一种限制性组分控制。 连续培养中存在的问题 与分批发酵比较，连续发酵过程具有许多优点：在连续发酵达到稳态后，其非生产占用的时间要少许多，故其设备利用率高，操作简单，产品质量较稳定，对发酵设备以外的外围设备(如蒸汽锅炉，泵)的利用率高，可以及时排除在发酵过程中产生的对发酵过程有害的物质。但连续发酵技术也存在一些问题，如杂菌的污染，菌种的稳定性问题。 连续培养中存在的问题 对基因工程重组菌而言，连续培养的周期还与质粒稳定性有关。 在分批培养中任何能在培养液中生 长的杂菌将存活和增长。但在连续培养中杂菌能否积累取决于它在培养系统中的竞争能力。故用连续培养技术可选择性地富集一种能有效使用限制性养分的菌种。 生产菌种突变问题 微生物细胞的遗传物质DNA在复制过程中出现差错的频率为百万分之一。尽管自然突变频率很低，一旦在连续培养系统中的生产菌中出现某一个细胞的突变，且突变的结果使这一细胞获得高速生长能力，但失去生产能力的话，它会象图5.30b中的杂菌Z那样，最终取代系统中原来的生产菌株，而使连续发酵过程失败。 达到细胞高密度的手段 可用于细胞高密度培养的生物反应器类型有常用的搅拌罐，和带有外置式或内置式细胞持留装置的反应器，如透析膜反应器、气升式反应器、气旋式反应器与振动陶瓷瓶等。 存在问题 高密度细胞培养的主要问题是： 在水溶液中的固体与气体物质的溶解度 基质对生长的限制或抑制作用 基质与产物的不稳定性和挥发性 产物或副产物的积累达到抑制生长的 水平 高的CO2与热的释放速率 高的氧需求 培养基的粘度不断增加 优化能量流的策略： 1)若干类型的生长环境，如钾的限制，导致这种不经济的能量流失。 2)有些微生物在分泌产物时会诱发能量溢出反应。 优化能量流的策略： 3)向生长培养基添加一些能促进能量浪费的化合物(条件是这类化合物不会干扰下游过程或对产品质量有不利的影响)。 4)可用振荡的培养条件，即原则上添加能诱导能量溢出反应的一些化合物，如在碳限制条件下突然添加额外的碳源。 泡沫对发酵的影响及其控制 发酵过程中因通气搅拌与发酵产生的CO2以及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物质的存在，使发酵液含有一定数量的泡沫。