(简)发酵过程参数相关分析(庄英萍)

几个重要的间接参数计算公式
（二）、 参数相关基本特性
各种直接参数、间接参数以及手工测定的实
验室参数随着发酵过程的进行而变化，并且参数间
发生某种耦合相关，这种参数相关反映了发酵过程 多尺度（水平）的问题特征。
发酵过程检测参数的特性
所检测到的参数均是动态平衡的结果 检测参数 = 供给 — 消耗 残留基质浓度对代谢的影响 限制性基质的概念
物理参数
温度 压力 功率输入 通气流量 泡沫水平 加料速率 基质 前体 诱导物 培养液重量 培养液体积 生物热 培养液表观 粘度
直接参数
化学参数
成分浓度 糖 氮 前体 诱导物 产物 中间代谢物 金属离子 脱氢酶活力 各种酶活力 细胞内成分 蛋白质 DNA RNA
积累消耗量 基质 酸 碱 消泡剂 细胞量 气泡含量 气泡表面积 表面张力
化学过程：发生某些化学反应的结果
*酸碱加入
∽ ｐＨ， 加入某种酸碱物质引起的pH的变化
理化相关
* 搅拌转速、通气流量、罐压力 ∽ 溶解氧 DO
转速↑，气泡↑，气液接触表面积↑，KLa↑，OTR〉OUR，DO↑
理化相关
* 通气流量 ∽ 排气二氧化碳（ECO2 ) * 通气流量 ∽ 溶解二氧化碳（PＣＯ２） ∽ｐＨ
生物相关
产生的二氧化碳可以用青霉素产生菌的生长和产物形成的化学 简式来说明： 菌体生长：C6H12O6+NH3+3.3O2+0.06H2SO4 0.42C7.1H13.2O4.4N0.06S+3CO2+4.8H2O 菌体维持：C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O 青霉素生产： C6H12O6+(NH4)2SO4 + 0.5O2 + PAA C9H12O4N2S+2CO2+H2O 糖对pH的影响主要从二个方面起作用，一方面，由于糖的 补入，立即被菌体利用形成CO2，溶解的二氧化碳使培养液的pH
h
ECO2 EO2
DO
加糖
加糖
rpm
rpm
碳源限制，临界氧浓度以上 （EO2变化显著）
非碳源限制，临界氧浓度以上 （EO2变化不显著）
h
h
补糖与排气CO2 、pH的关系
青霉素发酵过程，补糖将引起排气CO2浓度 的增加和培养液pH下降，产生的二氧化 碳和pH的变化可用下述简图描述：
加糖
pH ECO2 (h)
带有计算机系统的的生物反应器检 测参数示意图
间接参数
摄氧率（ OUR） 二氧化碳生成率（ CER） 呼吸商（ RQ ） 细胞浓度（ X ） 细胞生长速率（ Rx） 比生长速率（μ） 细胞得率（ Y X/S） 糖利用率 氧利用率 比基质消耗率（ u） 前体利用率 产物量（ P） 比生产率（υ） 体积氧传递系数（ KLa） 功率、功率准数 雷诺数 细胞量 生物热 碳平衡 能量平衡
pH 氧化还原电位 溶解氧浓度 溶解 CO2 浓度 排气 O2 分压 排气 CO2 分压 其他排气成分
生化反应过程中参数检测的复杂性
1)反应器上插入的传感器必须能耐热，经受高温灭 菌； 2)菌体以及其他固体物质极易吸附在传感器的表面， 使一些传感器的使用性能受到影响； 3)生物反应过程往往是耗氧的过程，故在反应器内 通气带来的气泡影响，往往对测量过程会造成干扰； 4）使用在反应器上的传感器，其结构必须防止杂 菌进入和避免产生灭菌死角，因而使传感器结构复 杂或使其检测性能产生变化； 5)生化反应过程中化学成分的分析往往是重要的检 测内容，但对其电信号的转换困难。
高搅拌转速时菌体生长与KLa变化
高转速时的头孢C菌丝形态变化
头孢菌素C发酵过程菌体生长引起的参数变化
头孢菌素Ｃ发酵过程菌体生长与产量的关系
金霉素发酵后期发酵液稀化现象
发酵过程中泡沫与KLa的关系
代谢引起的生物相关
通过生物细胞及代谢途径的不同所引起的活性 变化,直接对控制对象特性发生影响。
菌体细胞代谢活性变化而直接引起的某测定参数的变 化，即为代谢特性参数相关。 ----代谢强度的变化 ----代谢途径的变化 ----引起的基质消耗或代谢产物形成的不同 代谢活性变化：环境条件的线性或动力学因素、细胞 内某调节因子引起的代谢流迁移、基因水平的信息流。
发酵过程中补糖策略的实施
发酵过程中以某一营养物质作为限制性基质， 采用营养物流加技术是常用的一种发酵调控策略。 其中以流加糖（淀粉或葡萄糖）是最普遍采用的方 法，归纳起来主要有以下几点理由。 适应生物反应器的供氧能力，控制菌体生长速率与 最大生物量。 在菌体生长期完成后，在细胞水平控制比生长速率， 使菌体酶体系处于最有利于生产的状态，或控制比 生长速率来解决基因水平上的分解代谢产物的阻遏 作用。 低浓度葡萄糖可以降低高浓度时所引起的分解代谢 阻遏作用。
当在28～30℃培养时，利用cI的温
度敏感突变基因的突变体可以产生 有活性阻遏蛋白，阻遏PL,R转录，
细菌大量生长。温度上升到42℃，
造成阻遏蛋白失活，PL,R解除阻遏， 启动外源基因的高效转录和表达， 从而合成大量有价值的外源蛋白。
参数曲线相关分析的优势
从发酵过程多尺度系统理论来看，参数趋势曲 线相关有可能是某一尺度的线性或动力学行为， 也可能是多尺度系统的结构性突变，因此用常 规的单一尺度模式有时就无法解释过程中发生 的许多现象。 虽然这些过程检测大多是环境中的状态或操作 量，但可以通过进一步分析，得到反映分子、 细胞和反应器工程水平的不同尺度问题的联系， 从而实现跨尺度观察和跨尺度操作。
发酵过程参数检测技术要求越来越高
微生物学 生物化学 分子生物学 发酵工艺学 参数检测 (自动或手工检测) 综合性研究：
化学工程
现代控制理论 各种工程开发
在线计算机
定性和定量的描述
工业生产
——随着生物技术的快速发展，生化工程对传感技术、计 算机数据处理的要求越来越高，有望形成新的技术领域
（一）、 发酵过程的参数分类及检测
菌体生长与参数相关
菌体生长时菌量必定增加，由于测定技术的困难，可用菌体干重、 取样离心体积（PMV）、显示粘度、发酵液流出时间等表示。 菌体生长时，OUR与CER发生变化。但是由于OUR与所利用的碳源 的还原度有关，以及与菌体代谢途经密切相关，而CER主要涉及 到碳平衡，所以一般宜以CER与菌体生长相关。 氮源在菌体代谢过程中不能作为能源供应，因此氮源的变化一般 与菌体的维持无关。但是菌体生长时，必需由氮源提供生长所需 的N元素材料。 菌体生长所引起的培养液流变特性的变化，由此而引起反应器混 和传递特性的变化。KLa就是一个反映这种特性的较容易测定的 特征参数。 磷是菌体生长的重要因子，它既是菌体生长时的组成材料又是微 生物进行平衡生长的限制因素之一，因此在培养液中测定总磷或 溶磷含量是必要的，由此可以与其他生长有关的参数相关联。
代谢曲线对照
常规发酵过程分析的缺陷性
分析发酵数据时，通过产品小试研究形成工厂生产的 工艺控制为目标，把重点放在寻找最佳的操作点或某 参数时序变化规律，在方法上主要依据人工经验的试 差法，由此逐渐形成作为生产工艺管理的工艺规程。 ----缺乏机理性认识，有局限性。 发酵过程动力学研究强调了参数趋势曲线的动态性并 采用了过程数学模拟等进行仿真，可进一步总结经验 规律，引入动态优化控制方法，为过程工艺优化研究 提供了内容。 ----强调参数各自的时序变化，缺乏数据时序 变化之间的相关分析
发酵过程的特性
发酵过程多以分批操作形式进行，随着细胞生长 和代谢过程的变化，各种测量参数（自动或手工 实验室测定）随时间的变化而变化，通过对这些 变化进行研究，有可能获得对发酵工艺和过程控 制的有关认识，有利于发酵过程优化。 有必要在计算机辅助下对过程进行时序性综合研 究和分析。 通过这些趋势曲线可以看出检测参数的多样性、 时变性、相关耦合性和不确定性。
发酵过程特性产生的原因
随着菌体生长和基质消耗，过程状态随时间变化的， 因此测量参数的时变性反映了发酵过程的时变系统特 征。 由于发酵过程多容量性和严重非线性特征，表现在过 程测量参数的离散性，主要是细胞代谢对环境因子的 高度敏感性和细胞代谢的不可逆性，有时还表现在基 因水平的启动和表达的影响，输入的初始条件极细微 的差别会产生结果的巨大变化，即发酵过程混沌现象。 由于对上述现象缺乏认识，更无法控制，也就描述为 测量参数的不确定性，应加强有关生物学机理的认识， 才能在产品的工业发酵生产上取得突破性进展。
参数相关耦合的定义
参数耦合相关是指各种直接参数、间接参数 以及实验室手工参数随着发酵过程的进行而 变化，并且参数间发生某种耦合相关。 这种参数相关是生物反应器中物料、能量或 信息传递、转换、以及平衡或不平衡的结果， 其微观因素也许只是发生在基因、细胞或反 应器工程水平的某一个尺度上，但最终会在 宏观过程中有所反映，这就为我们研究生物 反应器中不同尺度的数据关联分析方法提供 了线索。
罐压测量与DO值
常规测量与代谢流方法测量的差异
理化相关（二）
*加油泡沫 ∽ ＣＥＲ， 气泡破裂释放ＣＯ2
理化相关
* 搅拌转速 ∽ ｐＨ
CO2 释放后pH变化
* 温度↓∽ DO
传感原理 ：T↓,OUR↓,DO↑
理化相关的普遍特性
* 理化相关对不同细胞对象具有普遍性，
不因细胞生理活性的变化呈现不同的特 性。 要注意过程数据采集的非同步性引 起的误相关，特别要注意间接参数的变 化产生的对过程研究的误导。
直接参数 通过传感器把非电量变化直接转化为电量变化，
实时地送计算机数据采集。物理参数、化学参数、 生物量参数就地测量(in line)、在线测量（on line）
手工参数:取样后实验室手工测量参数，离线输入。 间接参数:由一些直接参数计算得到的各种反映过程特性的
参数。反映菌体代谢活性、反应器工程特性、反应 器操作特性等。
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