补料的影响及其控制.pptx

;第七章 发酵工艺控制; 补料分批发酵(fed-batch culture，FBC)： 又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批发酵和连续发酵之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。;（一）补料分批发酵的作用 1） 可以控制抑制性底物的浓度 高浓度营养物抑制微生物生长： ① 基质过浓使渗透压过高，细胞因脱水而死亡； ② 高浓度基质能使微生物细胞热致死(themal death)，如乙醇浓度达10％时，就可使酵母细胞热致死； ③ 有的是因某种或某些基质对代谢关键酶或细胞组分产生抑制作用，如高浓度苯酚(3％～5％)可凝固蛋白； ④ 高浓度基质还会改变菌体的生化代谢而影响生长等。;⑤有的基质是合成产物必需的前体物质，浓度过高，就会影响菌体代谢或产生毒性，使产物产量降低。如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分别是青霉素、红霉素的前体物质，浓度过大，就会产生毒性，使抗生素产量减少。 ⑥有的底物溶解度小，达不到应有的浓度而影响转化率。如甾类化合物转化中，因它们的溶解度小，使基质的浓度低，造成转化率不高。 ⑦采用FBC方式，可以控制适当的基质浓度，解除抑制作用，得到高浓度的产物。 ;2） 解除或减弱分解代谢物的阻遏 有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏，如葡萄糖阻抑纤维素酶、赤霉素、青霉素等多种酶或产物的合成。通过补料来限制基质葡萄糖的浓度，就可解除酶或其产物的阻遏，提高产物产量。 缓慢流加葡萄糖，纤维素酶的产量几乎增加200倍；将葡萄糖浓度控制在0.02％水平，赤霉素浓度可达905 mg／L；采用滴加葡萄糖的技术，可明显提高青霉素的发酵单位等。这都是利用发酵技术解决分解代谢物阻遏的实际应用。在植物细胞培养中，也采用该技术来提高产量。;3）可以使发酵过程最佳化 利用FBC技术，就可以使菌种保持在最大生产力的状态。 随着FBC补料方式的不断改进，为发酵过程的优化和反馈控制奠定了基础。 随着计算机、传感器等的发展和应用，已有可能用离线方式计算或用模拟复杂的数学模型在线方式实现最优化控制。 ;FBC的优点： ① 解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏； ② 避免一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一切影响，改善发酵液流变学性质； ③ 可提高发芽孢子的比例，控制细胞质量； ④ 不需要严格的无菌条件，产生菌不易老化变异，比连续发酵适用广泛。;（二） 补料的控制 1.补料控制的内容 能源和碳源,如葡萄糖和液化淀粉等； 氮源,如蛋白胨、豆饼粉、玉米浆、酵母粉和尿素等有机氮源,有些发酵还采取通入氨气或添加氨水等 ； 微量元素和无机盐，如磷酸盐、硫酸盐等； 对于产诱导酶的微生物,常在补料中适当加入该酶的作用底物,以提高酶的产量； 对一些抗生素发酵,往往需要补充抗生素形成的前体。; 补料控制是否恰当，关键在于掌握适当的补料时间、补料速率和补料配比。;2. 补料的原则 中间补料的数量为基础料的1～3倍 。 补料的原则就在于控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。 现有的各种补料措施都是通过实验方法确定的。 ;大多数补料分批发酵均补加生长限制性基质 以经验数据或预测数据控制流加； 用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加； 以溶氧、pH、RQ、排气中CO2分压及代谢物质浓度等参数间接控制流加； 以物料平衡方程，通过传感器在线测定的一些参数计算限制性基质的浓度，间接控制流加。 ;（1）补料时间;补糖量——加入与消耗平衡，维持稳定的糖浓度； 例： a 四环素发酵还原糖维持在0.8-1.2% b 谷氨酸追加糖液发酵：在原工艺基础上，加大接种量到10%，增加生物素用量达5μg/L，减少初糖浓度（12%——7-8%）尽快获得大量的生产型菌体，当菌体处在生长对数期后进入产酸期，糖浓度在2%左右时，连续流加糖液，维持2%左右的糖浓度。 优点：低浓度发酵，以利于生长和发酵； ???? 总糖浓度达20%，产酸高。;补糖开始时，不但CRR、OUR大幅度提高，连RQ也提高约10％，表明通过补糖不但提供了更多的碳源，而且随着体系内葡萄糖浓度提高，糖代谢相关酶活力也提高，产能增加。 发酵中后期为保证产生次级代谢产物，有意使菌体处于半饥饿状态，在营养限制的条件下，维持产生次级代谢产物的速率在较高水平。 ;补加氮源及无机盐 流加尿素，一方面调节pH，另一方面补氮。 谷氨酸发酵时，初次加入尿素量和补加量取决于菌种的脲酶活力强弱和耐尿能力。 脲酶活力低，耐尿素强，初次加入用量多2%，流加次数少 脲酶活力强，耐尿素低，初次加入用量少0.6%，流加以少量多次好;在发酵30h，一次性加入0.1%、0.2％、0.3％、0