发酵技术中的补料的控制
发酵罐中补料分批发酵研究
发酵罐中补料分批发酵研究实验目的加深对培养方法的认识，了解补料分批续培养过程控制方法。
实验原理补料分批培养，是一种介于分批培养和连续培养之间的过渡培养方式，是在分批培养的过程中，间隙或连续地补加新鲜培养基的培养方法。
流加培养同时兼有间歇培养和连续培养的某些特点，其优点是，可使发酵系统中维持很低的底物浓度，减少底物的抑制或其分解代谢物的阻遏作用，不会出现当某种培养基成分的浓度高时影响菌体得率和代谢产物生成速率的现象。
菌种与培养基啤酒酵母培养基(g/L)葡萄糖20，酵母浸粉 5.0，KH2PO43.0，Na2HP041.0，MgSO41.0，pH 5.0。
流加的浓葡萄糖液质量浓度为25 g／100 ml。
保持培养基中糖的质量浓度在0.5 g/L，流加液的糖的质量浓度为25—30 g/100 m1。
实验方法流加培养前的准备工作在培养罐中加入去离子水，将温度传感器、除菌过滤器安装好，用硅橡胶管连接好取样口、流加液入口，不需要的接口全部封好。
橡胶管用弹簧夹夹住，排气口用一小段棉花塞好。
确认所有连接没有问题后，打开通风排气系统，检查是否有漏气、阻塞现象(轻轻堵住排气口，看其他地方是否漏气)，确认正常。
种子培养自斜面菌种挑起一环啤酒酵母菌体。
接入装有50ml 培养基的250 ml三角瓶中，摇匀后，置于24℃培养箱培养36 h。
将上述培养好的液体种子接入用250ml三角瓶装的灭过菌的100ml液体培养基中，接种量10％，在24℃下培养36h。
流加培养培养罐中加入已调配好的培养基后，放在灭菌锅中灭菌121℃，20－30 min，葡葡糖和消泡剂分别同时灭菌。
培养罐取出后，开通冷却水进行冷却，同时开动搅拌器，通入无菌压缩空气以防产生负压,冷却到发酵温度25 ℃。
利用硅皮管将25 g/100m1葡萄糖液贮瓶和0.1 mol/L氨液贮瓶分别连接蠕动泵和培养罐上的入口，再将两个贮瓶上的排气口塞上棉花用弹簧夹夹住。
消泡剂贮瓶排气口塞上锦花。
发酵条件及工艺控制
补糖量的控制： 动力学方法
依据μ、 qP 、 qC等动力学参数 之间的关系，计算加糖量
以次级代谢产物为例：
控制原则：
μ、
qP
、 qC之间的关系：
Growth
2-3 pH units
pH
影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微
生物对这些物质的利用
二、影响发酵pH变化的因素：
pH的变化决定于所用的生产菌：
培养基中营养物质的代谢引起pH的变化： 培养基pH在发酵过程中能被菌体代谢所改变。若阴离子
氮源被利用后产生NH3 ，则pH上升；有机酸的积累，使 pH下降。 一般来说，高碳源培养基倾向于向酸性pH转移，高氮源 培养基倾向于向碱性pH转移，这都跟碳氮比直接有关。 生理酸性物质和生理碱性物质的消耗
确定基础培养基的适当配比，防止培养 基过于丰富或过于稀薄。
通过调节中间补料的速度和量来控制。
第二节 温度的影响及控制
一、温度对发酵的影响：
酶活
影响各种酶促反应的速度
发改酵变温发度酵升高液，的生物长理代性谢质加快：，生
产期提前。
温度
发温改酵度变温影菌度响体太基高代质，和谢菌氧产体的物容吸的易收合衰速老成度，方发向
三、最适pH的选择
选择原则：有利于菌体生长和产物的合成。一 般根据试验结果确定。 根据不同菌种的生理特性，确定不同的最适pH
同一菌种根据不同阶段，生长期采用最适生长的 pH，在产物采用最适产物合成的pH。
最适pH与微生物生长，产物形成之间相互关系有四种类型：
发酵技术中的补料的控制(精)
关键。通气发酵利用排气中CO2含量作为FBC反馈控制参数是较为常用的间接方法。
直接法:随着一系列技术障碍的克服,该法将会得到迅速普及。反馈控制的FBC ,常常是依据个别指标来进行,在许多情况下,并不能奏效,尚需进行多因子分析。FBC还可采用“放料和补料” (withdraw and fill方法:发酵一定时间,产生了代谢产物后,定时放出一部分发酵液(可供提炼,同时补充一部分新鲜营养液,并重复进行。
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。
无菌操作
碳氮平衡,经济合理
3可以使明了各个参数之间的相互关系。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:
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;
发酵补料操作流程
发酵补料操作流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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发酵生产过程中的自动补料系统
线上的R2线圈失电,同时49534线上的R2继电器断开,则电机M停止。
此时该停止信号在控制室控制屏上同时出现声/光报警,提醒操作人员注意,从而达到设置此连锁的目的。
6 系统调试根据上述的逻辑控制原理及电气控制电路,在完成现场及控制室设备的安装及接线后,即可进行调试,在此项目中我们是分步进行调试的:611 首先调试逻辑电路在FOXBORO卡件安装前,先进行组态,即按我们要求分别在逻辑卡件2AX+DSS上进行,组态成我们所需要的:与门,或非门和或门(组态的方式在该卡件的说明书上有详细的说明,只需按上面的方法执行即可),安装到机柜后,按我们设计的逻辑电路接线。
在该工作完成后,在输入卡上模拟1和0信号,对照工艺要求的逻辑输出表,看输出结果是否与我们所要求的相符。
612 现场设备调试(1)现场设备流量开关为FCI公司的FL T93-L型一体化管道式流量开关,该流量开关在定货时即已按我们的要求进行了组态和设置,只需正确安装即可;如要改变设置,亦可按照说明书上的说明进行。
(2)低转速开关我们选用的是M ILL TRON ICS 公司的产品:由MPS-1小型化速度传感器,预放大板RMA和MPA-4报警板组成。
在上述设备安装完成后,现场主要是调整MPS-1探头的位置,即将探头与转动轴上凸处调到3mm—8mm即可;另外在MPA-4报警板上,我们将转速设置在10转/分左右,将延时时间设置在10秒左右,根据现场的实际情况,经多次调整,直至满足我们要求为止。
(3)控制回路的调试:此部分调试主要是检查线路及各个继电器之间的接线是否正常,同样的原理,我们模拟一个信号,看最终输出到MCC(马达控制中心)的信号是否正确,是否是我们所需要的逻辑输出。
(4)系统联调:由于在系统联调之前,我们均已做了一些相应的单调,因此在联调时,基本上没有出现什么问题,即使出现了一些问题,也是一点小问题,很快就解决了。
7 投运及验收目前该连锁系统已顺利通过了工艺的模拟验收,并已于3个月前投入运行,整个系统一直稳定可靠,达到和满足了当初工艺提出的要求。
发酵过程控制 补料 、发酵终点判断
太长或太短均会使产物质量下降，含量增加。
3、特殊因素 异常情况：染菌、代谢异常(糖耗缓慢等)。 为避免损失，可提前或拖后放罐时间来挽救。
算限制性基质的浓度，间接控制流加；
用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。
五、补料控制参数的选择
为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的 反馈控制参数，以及了解这些参数与微生物代谢、 菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。
采用最优的补科程序也是依赖于比生长曲线 形态、产物生成速率及发酵的初始条件等情况。 因此，欲建立分批补料培养的数学模型及选择最 佳控制程序都必须充分了解微生物在发酵过程中 的代谢规律及对环境条件的要求。
生产能力（或称生产率、产率）： 是指单位时间内单位罐体积发酵液的产物积
累量而言。
生产率单位：一般为g／(L·h)或kg／(m3·h)，产 物浓度单位为g／L或kg／m3，发酵时间单位为h。
二、影响放罐时间的因素
合理的放罐时间是由实验来确定的，即根据 不同的发酵时间所得的产物产量计算出发酵罐的 生产率和产品成本，采用生产率高而成本又低的 时间，作为放罐时间。
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。
为实现这一目标，在中间补料控制时，必 须选择恰当的反馈控制参数和补料速率。
四、补料控制的策略
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； 以pH、尾气、溶氧、产物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
第十节 发酵终点的判断
一、发酵终点的判断原则
一种提升阿卡波糖发酵水平的补料控制方法
一种提升阿卡波糖发酵水平的补料控制方法阿卡波糖是一种广泛应用于糖尿病治疗的药物，其生产过程中发酵环节至关重要。
本文将介绍一种提升阿卡波糖发酵水平的补料控制方法，以帮助提高生产效率和产品质量。
阿卡波糖发酵过程中，补料控制是影响发酵水平的关键因素之一。
以下是一种有效的补料控制方法，旨在提高阿卡波糖的发酵水平。
1.补料策略（1）分阶段补料：将发酵过程分为三个阶段，分别为诱导期、对数期和稳定期。
在不同阶段，根据微生物的生长需求和代谢特点，调整补料量和补料成分。
（2）控制补料速率：在发酵过程中，控制补料速率，使微生物在适宜的生长环境下进行代谢，提高阿卡波糖产量。
2.补料成分（1）碳源：以葡萄糖为主要碳源，根据发酵过程中微生物的消耗情况，适时补充葡萄糖，保持碳源浓度在适宜范围内。
（2）氮源：以酵母膏和蛋白胨为氮源，通过补料控制氮源浓度，满足微生物生长需求。
（3）磷酸盐：在发酵过程中，适当补充磷酸盐，以提高阿卡波糖的产量。
3.补料控制参数（1）溶氧：通过调节搅拌速度和空气流量，控制发酵罐内的溶氧浓度，使微生物在适宜的氧气环境下生长。
（2）pH值：监测发酵过程中的pH值，通过补料调整，保持pH值在适宜范围内。
（3）温度：控制发酵罐内的温度，使其在微生物生长的适宜范围内。
4.补料控制实施（1）自动控制系统：采用PLC控制系统，实现补料过程的自动化，提高补料的准确性和稳定性。
（2）传感器监测：安装溶氧、pH值、温度等传感器，实时监测发酵过程中的关键参数，为补料控制提供依据。
（3）数据分析：收集发酵过程中的数据，通过数据分析，优化补料策略，提高阿卡波糖的发酵水平。
通过以上补料控制方法，可以有效提高阿卡波糖的发酵水平，提高生产效率和产品质量。
发酵过程补料控制
五、补料控制参数的选择
为了有效地进行中间补料，必须选择恰当的 反馈控制参数，以及了这些参数与微生物代谢、 菌体生长、基质利用以及产物形成之间的关系。
采用最优的补科程序也是依赖于比生长曲线 形态、产物生成速率及发酵的初始条件等情况。 因此，欲建立分批补料培养的数学模型及选择最 佳控制程序都必须充分了解微生物在发酵过程中 的代谢规律及对环境条件的要求。
为实现这一目标，在中间补料控制时，必 须选择恰当的反馈控制参数和补料速率。
四、补料控制的策略
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； 以pH、尾气、溶氧、产物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；
用传感器直接测定限制性基质的浓度，直接控制流加。
六、补料速率的确定
优化补料速率也是补料控制中十分重要 的一环，因为养分和前体需要维持适当的浓度， 而它们则以不同的速率被消耗，所以补料速率要 根据微生物对营养等的消耗速率及所设定的培养 液中最低维持浓度而定。
六、补料速率的确定
例如，用连续培养方法测定了在不同比生长速率下 青霉素生产菌产黄青霉的碳、氯、氧、磷、硫和乙酸盐 及菌最适生长所需的各种基质的补料速率。
发酵过程补料控制
一、补料的目的
➢可以控制抑制性底物的浓度
基质浓度 前体
➢可以解除或减弱分解产物的阻遏
代谢阻遏
➢可以使发酵过程最优化
碳源 氮源 无机盐
二、补料的内容
补充微生物能源和碳源的需要。 补充菌体所需要的氮源。 补充微量元素或无机盐。 补充前体、促进剂等。
三、补料的原则
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。
发酵技术中的补料的控制
发酵技术中的补料的控制补料分批发酵(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。
1 FBC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。
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。
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。
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分批发酵动力学的研究，阐明了各个参数之间的相互关系。
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。
5发酵过程控制5(补料)
中间补料的原因
●中后期营养不足，菌体过早衰老； ●初始培养基营养过于丰富造成菌浓过大而缺氧； ●初始培养基中葡萄糖过多引起抑制； ●代谢后碳氮源不平衡、微量元素缺乏； ●合成产物或中间产物积累的毒性。
2013年8月7日星期三
长江大学生科院生物工程系
2013年8月7日星期三
辐射病及辐射防护 保护肝脏 抗过敏 ◆ 指数流加补料分批培养 改善某些疾病的病程和症状 ◆ 恒pH补料分批培养模式 养颜美容护肤 增加视力及眼科疾病 抗衰老作用
长江大学生科院生物工程系
19
培养条件：
装液量3L/5L罐 接种量5% 空气流量1 L/L· min
用适量的酸、碱调节培养液的pH至6.5
2013年8月7日星期三 长江大学生科院生物工程系 7
补糖控制考虑：补糖时间、补糖量、补糖方式
参考数据：糖耗速率、残糖浓度、pH变化、菌体 浓度、菌丝形态、发酵液黏度、溶氧浓度等。一般 选择其中两到三个参数来考虑。
常用的两个参考指标：还原糖水平和总糖水平。
2013年8月7日星期三
长江大学生科院生物工程系
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常用的两个参考指标
●根据还原糖水平，如赤霉素还原糖降到0.6%就需要补糖；
●根据总糖水平，如抗生素发酵，有的是2%或3%不等。 具体要根据菌的酶系和pH变化的大小来决定补还原糖还 是总糖。如，菌体淀粉酶活力高就可补淀粉之类的物质(总糖)， 若淀粉酶活力低那就补还原糖；补还原糖pH变化明显，而补 淀粉，由于它是水解糖，pH变化很小较稳定。 注意：不同的发酵阶段控制的残糖浓度有可能不同。 如金霉素，前期3.5%，中期2.5%，后期1.5%。
●恒速流加方式改善了发酵后期的营养条件，使得细胞干
pH值反馈控制赖氨酸补料发酵中的碳氮源补加方法
中图分类号：TQ922.3
文献标识码：A
文章编号：1009−606X(2011)03−0492−05
1 前言
赖氨酸是当前世界上除谷氨酸外产量居第二的商 品氨基酸. 根据谷氨酸棒杆菌合成赖氨酸代谢途径[1−3]， 发酵过程的控制分为两部分：前期需要较高的基质浓 度，促进菌体生长；后期要维持较低的基质浓度甚至是 亚饱和状态[4,5]，促进赖氨酸合成. 目前赖氨酸发酵主要 采取小批量间歇补料方式或人工定时调整补料流加速 率保持发酵液基质浓度恒定的恒基质浓度补料方式[6]， 前者虽然操作简单，但补料速率与发酵液基质消耗速率 不同步，发酵液基质浓度波动大；后者操作工序复杂， 不能及时根据发酵过程中各种底物浓度的变化作出调 整，导致基质浓度控制滞后.
6.1 g/L. 赖氨酸发酵不仅需补充碳源，还需补加氮源. 氨水可提供部分氮源，另外还需补加其他无机氮源，主 要是硫酸铵. 这是因为仅用氨水补充氮源会造成发酵液 pH 值过高，而铵离子和硫酸根离子同时存在可激活谷 氨酸棒杆菌中天冬氨酸激酶，解除天冬氨酸对磷酸烯醇 式丙酮酸羧化酶的反馈抑制[10]，增强赖氨酸合成补偿代 谢机制[11,12]，从而达到增强赖氨酸合成途径的效果. pH 值反馈控制补料方式在赖氨酸生产上的应用尚未见报 道，利用 pH 值反馈实现碳氮源同时补加也是其他 pH 值反馈补料发酵不曾涉及的.
Dry weight of cell, CDW (g/L) Concentration of glucose (g/L)
Fig.1 Consumption relationship between glucose and ammonia after feeding in three fed-batch fermentations under constant glucose concentration
第七章 发酵过程的控制
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的 pH值下降，或与其他化学物质发生化学反 应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
发酵条件及工艺控制
菌体浓度的增加速度（生长速度）受环境条件的 影响
最适菌体浓度的确定
优化控制的目标：在最短的时间内产生最大量的 产物。(dP/dtMAX)
dP/dt =qP X qP=f〔 X， μ ， qO 2 qS CL〕
以青霉素发酵为例
在发酵罐上安装夹套和蛇管，通过循环冷却水控制。 冷却介质：深井水或冷冻水 控制方式：手动控制或自动控制
温度计 温度控制器
调节阀
第三节 pH的影响及控制 一、pH对发酵的影响：
影响菌体原生质膜电荷的改变，引起膜对离子的渗透作用， 影响了营养物的吸收和代谢产物的分泌。
影响菌体生长代谢的酶活性
影响代谢产物的合成方向
在发酵过程中直接补加酸或碱
过去流加硫酸或氢氧化钠， 现采用补加氨水、尿素、硫酸铵
在发酵过程中调节补糖速度控制pH
pH的控制系统
经消毒的pH电极装入发 酵罐内定时直接测定培 养基的pH，同时还可以 与控制仪表连结，通过 回路系统控制阀门或泵 进行pH调节。
Controlled
Uncontrolled 6.5
调节阀
设定控制器 pH电极
pH
第四节 氧的供需及对发酵的影响
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程 中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因 素。
在28℃氧在发酵液中的100％的空气饱和浓度只有 0.25 mmol.L-1左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生 长期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若 此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几分钟之内便耗竭， 使溶氧成为限制因素。
（2）μ较宽， Qp范围较窄，或μ较窄， Qp范围较宽（难控制，应严格 控制）；
发酵技术中的补料的控制
发酵技术中的补料的控制补料分批发酵(fed-batchculture，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。
1FBC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(themaldeath)，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。
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。
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。
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905mg／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分批发酵动力学的研究，阐明了各个参数之间的相互关系。
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。
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发酵技术中的补料的控制
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。
1 FBC 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。
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。
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。
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
分批发酵动力学的研究,阐明了各个参数之间的相互关系。
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。
2 补料内容
①能源和碳源;
②氮源;
③微量元素;
④诱导物;
3 补料的原则
原则:根据菌体生长代谢规律;
生产需要;
环境条件
方法:充足而不过量（少量多次或分批流加
4 补糖的控制
补糖时机
过早,刺激生长,加速糖利用;
过迟,所需能量跟不上。
如谷氨酸发酵在对数生长期的末期补料。
判断:培养基条件,菌种,发酵状况（残糖, pH ,菌形态等,在需要时加入;
举例:四环素, P203图10-14
补糖方式
连续流加:每次流加又可分为快速流加、恒速流加、指数速率流加和变速流
加。
少量多次间歇补入
大量少次补入
可与其他组分一起进行多组分补料。
以不引起发酵液成分剧烈波动为前提
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5μ g/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。
5 补偿氮源及无机盐
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
6 补料的控制
流加操作控制系统分为有反馈控制和无反馈控制两类。
反馈控制系统是由传感器、控制器和驱动器三个单元所组成。
根据控制依据的指标不同,又分为直接方法和间接方法。
间接方法:以溶氧、pH 值、呼吸商、排气中CO2分压及代谢产物浓度等作为控制参数。
对间接方法来说,选择与过程直接相关的可检参数作为控制指标,是研究的
关键。
通气发酵利用排气中CO2含量作为FBC 反馈控制参数是较为常用的间接方法。
直接法:随着一系列技术障碍的克服,该法将会得到迅速普及。
反馈控制的FBC , 常常是依据个别指标来进行,在许多情况下,并不能奏效,尚需进行多因子分析。
FBC 还可采用“放料和补料” (withdraw and fill方法:发酵一定时间,产生了代谢产物后,定时放出一部分发酵液(可供提炼,同时补充一部分新鲜营养液,并重复进行。
维持一定菌体生长速率,延长发酵产物生产期,有利于提高产物产量,降低成本。
注意染菌。
如控制青霉素生产所用的葡萄糖流加的质量平衡法, 就是利用CO 2的反馈控制。
它是依靠精确测量CO 2的释放率CRR 和葡萄糖的流动速度,达到控制菌体的比生长速率和菌浓。
pH 值也可用作糖的流加控制的参数。
注意事项:
适宜料液比
无菌操作
碳氮平衡,经济合理。