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发酵罐系统中补料的作用 时间:2020.09.25
       目前,补料工艺已是工业发酵领域中研究较多、应用较广的技术之一,一般是在发酵进行至大宗生成产品的阶段,因合成产品和维持细胞运动的需要,有选择地增补营养物质。合适的补料工艺能够有效地控制微生物的中间代谢,使之向着有利于产品积累的偏向生长。本文对补料工艺特点、补料原则、补料动力学和补料控制理论等问题进行综述。

       补料发酵补加的营养物质大致有五类:
       ①增补菌体所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等 ;
       ②增补菌体所需氮源,如卵白胨、豆饼粉、玉米浆、酵母粉和尿素等有机氮源,有些发酵还接纳通入氨气或添加氨水等 ;
       ③加入某些菌体生长代谢所需的微量元素和无机盐,如磷酸盐、硫酸盐等 ;
       ④关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 ;
       ⑤对一些抗生素发酵,往往需要增补抗生素形成的前体。
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       补料的作用
       (1)有利于菌体的高密度培养:高密度发酵的生物量可达60 ~150g/L , 需投入2 ~ 5 倍于生物量的营养物。所以,若将所有的补料一次加到培养基中,过高浓度的营养物势必造成菌体代谢的紊乱,体现为迟滞期延长,比生长速率降低,得率下降 ;
       (2)降低培养基中有毒底物对菌体生长的抑制有些发酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物质作为培养基身分,这些物质纵然在较低浓度下,也会对微生物生长爆发抑制作用。而通过补料,可减小抑制作用 ;
       (3)解除高浓度营养物和剖析代谢物引起的阻遏作用:葡萄糖剖析代谢物可阻遏包括纤维素酶、卵白酶、淀粉酶、转化酶以及氨基酸合成酶等酶的合成。通过补料来控制菌体生长速率以使酶的合成明显去阻遏 ;通过补料还可以减小剖析代谢爆发的乙醇、甲酸、乳酸等副产品对菌体生长的倒运影响 ;
       (4)维持有利的发酵条件:发酵历程中经常爆发 pH 值的变革,直接加酸或加碱可以快速调解酸碱度,而通过补加碳源或氮源,可以缓慢而根外地调解 pH 值。关于好氧发酵, 一次性投糖过多会造成细胞生长过快,快速消耗氧气,而通例的通风搅拌无法满足供氧需求。补料可以缓解该矛盾,别的,补料还可调解发酵液粘度、氧通报系数等物性参数, 改善发酵情况,有利于细胞生长和产品合成。


       无反响控制补料方法有三种:恒速补料、变速补料和指数补料
       (1)恒速补料 
       在恒速补料发酵中,以预先设定的恒定速率补加限制性营养物。相对菌体来说,营养物浓度是逐渐降低的,菌体比生长速率也是下降的,而菌体总量是线性增加的。恒速补料在一定水平上满足了菌体对养料的需要,制止了营养物抑制,但这种要领往往只是凭据一个参数指标控制的。这类操作常见于早期报道 ;
       (2)变速补料 
       变速补料是在培养历程中补加速率以梯度、阶段或线性等方法不绝增加。它可以在菌体浓度较高的情况下加入更多营养物来增进细胞的生长,实现细胞比生长速率不绝增加,有利于产品的形成。尽管比较粗糙,但要优于恒速补加法  ;
       (3)指数补料
       指数补料是一种简单而行之有效的要领。补加速率呈指数增加,它能够使反应器中营养物浓度控制在较低的水平,而使菌体的比生长速率为恒定值,菌体密度呈指数增加。指数补料较好地配合菌体的生长历程,又不需要特别庞大的仪器,因而受到了较多的重视。
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       反响控制补料   
       实际发酵历程� ;嵊朐ど枥逃衅�,,如果能实时地纠正偏差,就可使反应朝预定偏向进行,不然将很难抵达预期的目标。反响控制补料就是在发酵历程中对反应器内的营养物浓度、产品浓度以及细胞浓度等参数进行实时或在线检测和控制。

       中间补料的前提就是了解发酵参数与微生物代谢、营养物利用以及产品形成之间的关系,选择恰当的反响控制参数� ?煽刂频牟问兄苯诱闪坎问图浣诱闪坎问�。直接丈量参数为温度、pH 、溶解氧浓度、光密度、营养物浓度、压力和尾气身分等,它们均可用仪器设备直接丈量。间接丈量参数包括比生长速率、菌体细胞浓度、摄氧率、氧气转移率、二氧化碳增长率和呼吸商等。它们可用一个或多个直接丈量参数值评估或盘算获得。
    
      (1)简单反响控制(又称简单循环法)补料
 
     此法控制与营养物利用相偶联的pH 或溶解氧浓度等参数,使之坚持恒定。例如,预先设定pH恒定值,发酵中菌体代谢爆发酸性物质或铵,使pH值爆发改变,从而启动控制开关,开始补料,pH恢复至恒定值 ;以溶解氧浓度作为补料开关则是凭据培养基中某种要害营养物(主要是碳源)消耗,会导致溶解氧浓度迅速改变。该要领操作较为简单,但带有经验性,易滞后 ;
       (2)凭据营养物摄取或需求量来控制补料
       就是在线检测培养基中营养物浓度,通过补料将营养物控制在设定值内。这类要领在补料控制中常见,控制的工具往往是葡萄糖浓度 ;
       (3)凭据比生长速率来控制补料 
       菌体的比生长速率μ越大,说明该微生物生长得越快,消耗营养物越多 ;
       (4)凭据尾气身分剖析来控制补料
       营养物的利用通常陪同着CO2 等气体的释放。 测定出口气体,类似于剖析营养物,也能用来控制补料速率 ;
       (5)凭据细胞形态学控制补料
       在一些微生物培养时,细胞形态学变革与培养条件(如溶解氧浓度, 剪切速度, 培养基身分密切相关) ;
       (6)神经网络控制补料
       人工神经网络控制就是模拟人类大脑的运行机制,接纳处理单位取代神经元,依靠贮存于处理单位之间相互关联的信息实现控制� ?山幽烧庖荒P屠丛けǚ⒔妥刺欠裾�,预测发酵阶段,预测代谢状态、产品、营养物浓度和种种抑制状态的爆发等 ;
       (7)模糊控制的补料
       发酵中的可测参数与生物的生长和代谢之间,难以用确切的数学关系来描述,而用隶属函数来描述它们的模糊关系似乎越发恰当。当通例检测和控制要领难以精确地反应系统的运行状态时,模糊控便可应用到控制历程。模糊控制是工程师的经验与上述相关控制要领结合的产品,或者完成是经验的产品。
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