发酵过程优化

第一章、绪论

第一节发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容

一、发酵过程优化在工业中的地位

现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用

二、发酵过程优化的研究内容

第一个方面是细胞生长过程研究

第二个方面是微生物反应的化学计量

第三个方面是生物反应过程动力学的研究（主要研究生物反应速率及其影响因素）

第四个方面的内容是生物反应器工程（包括生物反应器及参数的检测与控制）

第二节、发酵过程优化的研究进展

一、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之一

生物反应动力学的研究内容：是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用，诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等及影响微生物反应宏观动力学的重要因素

生物反应动力学研究的目的：是为描述细胞动态行为提供数学依据，以便进行数量化处理

二、流加发酵

1、概述

流加发酵即补料分批发酵(fed-batch fermentation),有时又称版连续培养或连续发酵,是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方法

2、流加发酵与连续发酵和分批发酵的比较

流加发酵介于分批发酵和连续发酵之间,兼两者的优点,又克服了两者的缺点.

3、流加发酵的研究进展

(1)、在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加

1973年日本学者Yoshida 等人首次提出了“Fed-Batch Fermentation ”这个术语，并从理论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究才开始进入理论研究阶段

其后,随着研究深入,流加发酵在一下三个方面有重大进展 20世纪70年代中后期对流加发酵过程的动力学解析

结合发酵过程的可测参数对流加过程进行反馈控制（如DO 法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH 法、代谢物法、萤光法等） (2)流加发酵的最优化研究

流加发酵最优化研究的核心问题是找出最佳的底物流加方式，以维持发酵过程始终处于最佳状态

流加发酵最优化的研究内容包括：

状态方程的建立;目标泛函的确定;最优化底物流加方式的求解 (3)对流加过程进行反馈控制

流加发酵的物料衡算式可以表达为：

方程试中, μ , π , σ 分别代表菌体,产物生成比速度及其

质消耗比速,在等式中是以个相对于X,P,S 的函数,它可以是X,P,S 中某单一因子的函数,也可以是X,P,S 中两个或三个因子的函数. 4.高生产率和细胞密度发酵 细胞生长环境的优化策略 (1)培养基组成的优化 (2)特殊营养物的添加 (3)限制代谢副产物的积累 培养模式

(1)所培养细胞的具体代谢行为

(2)利用抑制性底物合成目的产物的潜力

(3)诱导条件以及测量细胞培养各项参数的能力 诱导策略

细胞循环发酵 (应用限制：作用于进入过滤单元的细胞的剪应力太大；系统的放大存在许多实际困难)

XV dt

XV d μ=)

(F S XV dt SV d F +-=σ)

(XV dt

PV d π=)

(F dt

dV

=

第二章、发酵过程优化原理

第一节、发酵过程优化的微生物反应原理

一概述

1 大肠杆菌生长过程中观察到下列现象∶

(1).在大肠杆菌快速生长期间，生物合成的中间体很少渗漏到胞外培养基中,结

构单元(氨基酸、核酸等)的合成速率和聚合形成大分子的速率一致

(2). 大肠杆菌胞内的大分子物质随比生长速率而变化

(3).一旦生长培养基中的结构单元足够，细胞就不再合成这些物质

(4)特定的代谢途径代谢特定的底物，只有底物存在时，细胞才合成相应的酶

(5)若两个不同的底物同时存在于培养基中，细胞先合成能在一种底物上以较

高比生长速率生长的酶系，当这种底物消耗完毕，再合成利用另一底物的酶。

二微生物的生长

1 细胞生长过程可分为三个步骤:

(1)底物传递进入细胞

(2)通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物

(3)代谢产物排泄进入非生物相，即胞外培养基

底物、代谢产物和细胞质成分的定义为：

底物是一种存在于初始非生物相或者摄入物中起作用的可交换的化合物

代谢产物是一种作为代谢物产生于某代谢途径进入非生物相的化合物

细胞质成分是一种细胞利用底物产生的不可交换的化合物

2 研究表明在膜上可能存在三种不同的运输机制：

(1)自由扩散

(2)协助扩散

(3)主动运输

前两种机制是沿着浓度梯度进行运输，是被动的过程，在运输过程中不需要提供外部能量。而主动过程逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能。

3 微生物细胞的胞内反应

(1)分解代谢反应

糖类在转化为代谢产物(CO2、乳酸、乙酸和乙醇等)的同时，还形成ATP、NADH和NADPH。NADH和NADPH都在分解代谢反应中产生，但NADPH 主要消耗于合成代谢中，NADH则主要消耗于分解代谢途径，如氧化磷酸化(2)生物合成和聚合反应

为了合成细胞物质，需要合成结构单元并将其聚合。合成蛋白质需消耗大量的自由能，细胞一般根据其自身需求来调节蛋白质的合成,其合成由蛋白质合成系统(PSS)负责，该系统中核糖体是主要部分

E. coli中大约70%能量和还原力用于合成蛋白质.

(3)次级代谢反应

细胞代谢和生长过程偶联在一起的过程，称之为初级代谢

许多工业上重要的产品，其合成反应并不与生长过程偶联，我们称之为次级代谢，这些反应合成的产物叫次级代谢产物，就象初级代谢形成的产物叫初