發(fā)酵罐系統(tǒng)中補料的作用
時間：2020.09.25
目前，補料工藝已是工業(yè)發(fā)酵領域中研究較多、應用較廣的技術之一，一般是在發(fā)酵進行至大量生成產(chǎn)物的階段，因合成產(chǎn)物和維持細胞活動的需要，有選擇地補充營養(yǎng)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(chǎn)物積累的方向發(fā)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。
補料發(fā)酵補加的營養(yǎng)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)量；
⑤對一些抗生素發(fā)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(yǎng)：高密度發(fā)酵的生物量可達60 ～150g/L , 需投入2 ～ 5 倍于生物量的營養(yǎng)物。所以，若將所有的補料一次加到培養(yǎng)基中，過高濃度的營養(yǎng)物勢必造成菌體代謝的紊亂，表現(xiàn)為遲滯期延長，比生長速率降低，得率下降；
（2）降低培養(yǎng)基中有毒底物對菌體生長的抑制有些發(fā)酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物質作為培養(yǎng)基成分，這些物質即使在較低濃度下，也會對微生物生長產(chǎn)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(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(chǎn)生的乙醇、甲酸、乳酸等副產(chǎn)物對菌體生長的不利影響；
（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(fā)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(guī)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(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，有利于細胞生長和產(chǎn)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(shù)補料
（1）恒速補料
在恒速補料發(fā)酵中，以預先設定的恒定速率補加限制性營養(yǎng)物。相對菌體來說，營養(yǎng)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(yǎng)料的需要，避免了營養(yǎng)物抑制，但這種方法往往只是根據(jù)一個參數(shù)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(yǎng)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(yǎng)物來促進細胞的生長，實現(xiàn)細胞比生長速率不斷增加，有利于產(chǎn)物的形成。盡管比較粗糙，但要優(yōu)于恒速補加法 ；
（3）指數(shù)補料
指數(shù)補料是一種簡單而行之有效的方法。補加速率呈指數(shù)增加，它能夠使反應器中營養(yǎng)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(shù)增加。指數(shù)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(fā)酵過程常會與預設過程有偏差,，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(fā)酵過程中對反應器內的營養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度以及細胞濃度等參數(shù)進行實時或在線檢測和控制。
中間補料的前提就是了解發(fā)酵參數(shù)與微生物代謝、營養(yǎng)物利用以及產(chǎn)物形成之間的關系，選擇恰當?shù)姆答伩刂茀?shù)。可控制的參數(shù)有直接測量參數(shù)和間接測量參數(shù)。直接測量參數(shù)為溫度、pH 、溶解氧濃度、光密度、營養(yǎng)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(shù)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(shù)值評估或計算得到。
（1）簡單反饋控制(又稱單一循環(huán)法)補料
此法控制與營養(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，預先設定pH恒定值，發(fā)酵中菌體代謝產(chǎn)生酸性物質或銨，使pH值發(fā)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(jù)培養(yǎng)基中某種關鍵營養(yǎng)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(jīng)驗性，易滯后；
（2）根據(jù)營養(yǎng)物攝取或需求量來控制補料
就是在線檢測培養(yǎng)基中營養(yǎng)物濃度，通過補料將營養(yǎng)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(jù)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(yǎng)物越多；
（4）根據(jù)尾氣成分分析來控制補料
營養(yǎng)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(yǎng)物，也能用來控制補料速率；
（5）根據(jù)細胞形態(tài)學控制補料
在一些微生物培養(yǎng)時，細胞形態(tài)學變化與培養(yǎng)條件(如溶解氧濃度, 剪切速度, 培養(yǎng)基成分密切相關)；
（6）神經(jīng)網(wǎng)絡控制補料
人工神經(jīng)網(wǎng)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(jīng)元，依靠貯存于處理單元之間相互關聯(lián)的信息實現(xiàn)控制。可采用這一模型來預報發(fā)酵狀態(tài)是否正常，預測發(fā)酵階段，預測代謝狀態(tài)、產(chǎn)物、營養(yǎng)物濃度和各種抑制狀態(tài)的產(chǎn)生等；
（7）模糊控制的補料
發(fā)酵中的可測參數(shù)與生物的生長和代謝之間，難以用確切的數(shù)學關系來描述，而用隸屬函數(shù)來描述它們的模糊關系似乎更加恰當。當常規(guī)檢測和控制方法難以精確地反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)時，模糊控便可應用到控制過程。模糊控制是工程師的經(jīng)驗與上述相關控制方法結合的產(chǎn)物，或者完成是經(jīng)驗的產(chǎn)物。
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補料發(fā)酵補加的營養(yǎng)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)量；
⑤對一些抗生素發(fā)酵，往往需要補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60 ～150g/L , 需投入2 ～ 5 倍于生物量的營養(yǎng)物。所以，若將所有的補料一次加到培養(yǎng)基中，過高濃度的營養(yǎng)物勢必造成菌體代謝的紊亂，表現(xiàn)為遲滯期延長，比生長速率降低，得率下降；
（2）降低培養(yǎng)基中有毒底物對菌體生長的抑制有些發(fā)酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物質作為培養(yǎng)基成分，這些物質即使在較低濃度下，也會對微生物生長產(chǎn)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(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(chǎn)生的乙醇、甲酸、乳酸等副產(chǎn)物對菌體生長的不利影響；
（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(fā)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(guī)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(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，有利于細胞生長和產(chǎn)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(shù)補料
（1）恒速補料
在恒速補料發(fā)酵中，以預先設定的恒定速率補加限制性營養(yǎng)物。相對菌體來說，營養(yǎng)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(yǎng)料的需要，避免了營養(yǎng)物抑制，但這種方法往往只是根據(jù)一個參數(shù)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(yǎng)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(yǎng)物來促進細胞的生長，實現(xiàn)細胞比生長速率不斷增加，有利于產(chǎn)物的形成。盡管比較粗糙，但要優(yōu)于恒速補加法 ；
（3）指數(shù)補料
指數(shù)補料是一種簡單而行之有效的方法。補加速率呈指數(shù)增加，它能夠使反應器中營養(yǎng)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(shù)增加。指數(shù)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。
實際發(fā)酵過程常會與預設過程有偏差,，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(fā)酵過程中對反應器內的營養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度以及細胞濃度等參數(shù)進行實時或在線檢測和控制。
中間補料的前提就是了解發(fā)酵參數(shù)與微生物代謝、營養(yǎng)物利用以及產(chǎn)物形成之間的關系，選擇恰當?shù)姆答伩刂茀?shù)。可控制的參數(shù)有直接測量參數(shù)和間接測量參數(shù)。直接測量參數(shù)為溫度、pH 、溶解氧濃度、光密度、營養(yǎng)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(shù)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(shù)值評估或計算得到。
此法控制與營養(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，預先設定pH恒定值，發(fā)酵中菌體代謝產(chǎn)生酸性物質或銨，使pH值發(fā)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(jù)培養(yǎng)基中某種關鍵營養(yǎng)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(jīng)驗性，易滯后；
（2）根據(jù)營養(yǎng)物攝取或需求量來控制補料
就是在線檢測培養(yǎng)基中營養(yǎng)物濃度，通過補料將營養(yǎng)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(jù)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(yǎng)物越多；
（4）根據(jù)尾氣成分分析來控制補料
營養(yǎng)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(yǎng)物，也能用來控制補料速率；
（5）根據(jù)細胞形態(tài)學控制補料
在一些微生物培養(yǎng)時，細胞形態(tài)學變化與培養(yǎng)條件(如溶解氧濃度, 剪切速度, 培養(yǎng)基成分密切相關)；
（6）神經(jīng)網(wǎng)絡控制補料
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（7）模糊控制的補料
發(fā)酵中的可測參數(shù)與生物的生長和代謝之間，難以用確切的數(shù)學關系來描述，而用隸屬函數(shù)來描述它們的模糊關系似乎更加恰當。當常規(guī)檢測和控制方法難以精確地反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)時，模糊控便可應用到控制過程。模糊控制是工程師的經(jīng)驗與上述相關控制方法結合的產(chǎn)物，或者完成是經(jīng)驗的產(chǎn)物。
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