第二章 流加发酵与高密度培养
第二章 流加发酵与高密度培养
微生物的高细胞密度培养
概述
发酵研究和工业的一个主要目标是使 体积生产率(g/L•h)最大化,即在 给定体积中和一定时间内获得尽可能 多的产品数量。 高细胞密度培养是高生产效率的要求。 历史上,高细胞密度培养首先建立在 酵母上,用以生产单细胞蛋白、乙醇 和菌体。
概述
后来,建立起其它的嗜温菌的高密度培养,生 产各种类型产品。 甲基营养生物的高密度培养导致了聚羟基烷酸 的高效生产。 如今,微生物的高细胞密 度培养的范畴已包括细菌、 古细菌和真核生物(酵母)。
温度的影响
把培养温度从 37 ℃降到 26 -30℃,会降低营养吸收和 生长速度,因此会减少有毒副产物和代谢产生的热量。 降低温度也能减少细胞对氧的需求。
降低重组细胞温度也有可能减少包含体形式的蛋白质 的产生。
以上这些优点说服了许多研究者使用低温,对大肠杆菌 进行高细胞密度培养。
HCDC遇到的问题
二氧化碳和放热的影响
HCDC中高细胞密度培养中的二氧化碳会影响细胞的生长。 高CO2分压(>0.3atm)会降低生长速率并刺激乙酸的生成。
放热也是高细胞密度培养的一个问题。
热量的主要来源是搅拌产生的机械热和细胞代谢产生的热量。
这些问题可通过降低细胞比生长速率而部分的解决。
HCDC遇到的问题
HCDC中各种微生物的最大细胞密度
微生物 细菌 Methylobacterium extorquens Escherichia coli DCW(g/l) 233 190 180 148 145 184 184 157 141 100 132 114 268 208 235 100
概述
Bacillus subtilis Alcaligenes eutrophus NCIMB 11599 Streptomyces laurentii Lactococcus lactis Pseudomonas putida BM01 古细菌 Marinococcus M52 Sulfolobus hibatae 真核 Candida brassicae Saccharomyces serevisiae Pichia pastoris
高密度发酵
Fig. 3 Fatty acid profiles(in mg/g cell dry weight(CDW)) as a function of time filled circles = C16:0(十六碳酸), empty circles = C16:1, filled triangles = C18:0, empty triangles = C18:1(油酸), and filled squares = C18:2(亚油酸)
When the total biomass was characterised at the end of the fermentation,he cell viability was also measured. The HCD fermentations showed similar viabilities at the end of fermentation, but the REF condition showed a slightly decreased percentage of living cells. This indicates that the long duration of fermentation had a negative influence on the yeast viability but that yeast viability remained at an acceptable level in all fermentations .
The role of oxygen in yeast metabolism during high cell density brewery fermentations
Appl Microbiol Biotechnol
发酵工艺优化 高密度发酵 免费
发酵工艺优化前言:发酵工艺的优化在发酵行业起到很大的作用,尤其是在发酵生产中,它是提高发酵指标的一项非常,有用的技术手段.同时也是搞发酵行业的人的必备知识要求之一,借此我想通过和大家交流共同提高发酵方面的知识水平.一、发酵工艺优化方法与思路:发酵工艺优化的方法有很多,它们之间不是孤立的,而是相互联系的。
在一种发酵中,往往是多种优化方法的结合,其目的就是发酵是细胞大规模培养技术中最早被人们认识和利用的。
发酵技术在医药、轻工、食品、农业、环保等领域的广泛应用,使这一技术在国民经济发展中发挥着越来越重要的作用。
为了提高发酵生产水平,人们首先考虑的是菌种的选育或基因工程的构建。
而实际上,发酵工艺的优化,包括生物反应器中的工程问题,也同样非常重要。
发酵环境条件的优化是发酵过程中最基本的要求,也是最重要、最难掌握的技术指标。
温度、pH值、溶氧、搅拌转速、氨离子、金属离子、营养物浓度等的优化控制,依据不同的发酵而有所不同。
同时,微生物在生长的不同阶段、生产目的代谢产物的不同时期,对环境条件可能会有不同的要求。
因此,应该在生物反应器内,使温度、pH值、溶氧、搅拌转速等不断变换,始终为其提供最佳的环境条件,以提高目的产物的得率,在发酵放大实验中,一般都很注重寻找最佳的培养基配方和最佳的温度、pH值、溶氧等参数,但往往忽视了细胞代谢流的变化。
例如:在溶解氧浓度的测量与控制时,关心的是最佳氧浓度或其临界值,而不注意细胞代谢时的摄氧率;用氨水调节pH值时,关心的是最佳pH值,却不注意添加氨水时的动态变化及其与其他发酵过程的参数的关系,而这些变化对细胞的生长代谢却非常重要。
注意:大家可以从以下各个方面进行交流.尽量能够分类进行叙述,我总结了以下几累,也不是很全,当然从其他的方面进行交流也可以,但是希望你注明附加说明!二. 好氧发酵1. PH工艺的优化2. 溶氧工艺的优化3.原材料工艺的优化4.消毒(灭菌)工艺的优化5.菌种制备工艺的优化6.小试到中试,中试到生产等扩大实验的工艺优化7.成本工艺优化8.种子罐工艺的优化9.发酵罐工艺参数控制的优化10.仪表控制的工艺优化11.环境的工艺优化12.染菌处理的工艺优化13.紧急情况处理的工艺优化(停电\停水\停气\停汽等)14.补料工艺的优化15.倒种工艺的优化16发酵设备的工艺优化17.其他的工艺优化三. 厌氧工艺的优化四.固体发酵的工艺优化五.其他1. PH工艺的优化A.配料中的PH 很重要,其中有配前PH,配后PH,消前PH,消后PH,接种前PH,工艺控制PH等,配前PH,配后PH,可以用来检测厡材料的质量,初步估计配料的情况,如果出了错误,有时候可以从PH中的变化看出来,能够减少错误的发生.B.另外,每次有新的配方我们总是要用PH方法检测其中的每种厡材料是否会和其他的发生反应,可以互相两两混合,检测PH的变化,也可以用来作为配微量元素的检测.C.消前PH可以用来减少消毒过程对培养基的破坏,因为培养基在消毒中会有PH的变化,在不同的PH条件下对培养基破坏也不一样,因此可以在消毒的时候选择合适的PH,消毒完后可以调节过来,这样一来可以对PH敏感的一些原材料减少破坏,这种方法在生产中已经取得了初步的成绩,提高了指标.D.工艺控制的PH,在发酵的产抗期间,通过在不同的发酵时间调整不同的PH,可以减少杂质的产生,同时还可以缓解溶氧,比如在头孢发酵中,通过在后期调整PH可以减少DCPC的含量,给提取工序带来很大的好处,E.补料罐通过PH的调节可以更好的通过流加物料而不影响发酵.(部分发酵在不同时期的PH有所不同,所以通过补料罐的调整可以对发酵指标有所提高)F.发酵过程中的PH调节可以通过各种方法,不一定要添加氨水和氢氧化钠,可以添加玉米桨等其他的物料来进行调节.G.控制放罐时的PH可以对后面的过滤有所影响,所以一定要控制好放罐前的PHH.绘制种子瓶和种子罐以及发酵罐等整个发酵过程的PH生长曲线,可以用来参考控制工艺,检测无菌情况的发生.六、A. 华东理工大学的张嗣良提出了“以细胞代谢流分析与控制为核心的发酵工程学”的观点。
发酵工艺:工程菌高密度发酵工艺开发策略8项(以大肠杆菌为例)
发酵工艺:工程菌高密度发酵工艺开发策略8项(以大肠杆菌为例)利用重组DNA技术获取的生物药物在人类文明史上具有划时代的意义。
许多价值高产量低的功能蛋白如干扰素、白细胞介素、集落刺激因子、生长激素、胰岛素、人血白蛋白、蛋白酶等都在工程菌中获得了高效率表达。
由于工程菌高密度培养能够提高单位体积的产量,在工业生产上可以提高效率降低成本。
所以,高密度培养一直都是发酵工程师们所追捧的热点。
本文就工程大肠杆菌高密度发酵工艺开发中涉及的关键控制点加以探讨。
1工程菌种稳定可靠的菌种是工业化大生产的有力保障,直接关系到生产效率和成本高低。
不同于传统诱变育种模式,在对待工程菌菌种问题上,有人认为基因工程菌种构建完成后无需经过严格单克隆筛选,既节约时间成本又大大减少了工作量,这其实是一个认识误区。
这样做出来的菌种很难连续稳定传代50次以上,给中试放大以及后续的长期稳定生产留下了隐患。
业内一般以能否稳定遗传50代作为判断工程菌种优劣的一个标准。
发酵所需的接种量不是越大越好,要适当。
接种量过小导致适应期过长,菌种易提前老化,也增加了杂菌污染的风险。
接种量过大会过早引起溶氧不足,导致发酵失控。
且营养物质消耗过快也会影响后期正常生长。
一般大肠杆菌接种量遵循逐级增大的原则,并将最后一级的放大倍数控制在10倍左右。
种子培养一定要在最佳条件下进行,培养时间不宜过长,当种子生长至最佳状态时果断移种。
如果种子做的不好,其负面影响往往在发酵中后期会有所体现。
工程菌种培养会加入抗生素,不仅是为了抑制杂菌生长,更重要的是为了给菌种形成正向的抗性筛选压力,及时淘汰质粒丢失的菌株或者衰老的菌体,保证质粒携带菌群的正常生长与表达。
2高密度发酵培养基除了必须的碳源以外,有机复合氮源在蛋白表达阶段不可或缺。
有机复合氮源可提供丰富的氨基酸、小肽、嘌呤、嘧啶、维生素、生物素以及一些生物活性物质,能减轻细胞代谢负担,促进外源蛋白表达。
如果酵母膏和蛋白胨是以流加的方式添加时,存在一种非常有趣的代谢机制:当流加培养基中只有酵母膏时,重组蛋白不稳定;而当流加培养基中只有蛋白胨时,大肠杆菌难以再利用其所产生的乙酸。
酵母菌的高密度发酵
5g
7g 0.56g 1000ml
总计 (用量)
1015g 99g 1.8g 72g 90g 24.5g 2.4g 7g 0.56g 1000ml 1.8ml
2013.5.23— 2013.5.26 上交课程设计说明书,并由指导老师填写评语和成绩。
任务下达日期:
2013 年 5 月 13 日
任务完成日期:
2013 年 5 月 26 日
指导教师(签名):
学生(签名):
酿酒酵母的高密度发酵
摘要:高密度培养酿酒酵母的生长状况,用上海联环生物工程设备有限公司的型号:
-1-
发酵液的流变学 接种量 生长抑制性物质
酿酒酵母发酵条件的确定: 接种量:3% 温度:30℃ PH:5.0 OD 溶解度:20%~80% 罐压:0.05Mpa CO2 溶解度:1%-3% 转速:300-400 调节 PH:氨水 补料时间:有待观察 通气量:100L/h
2.设计方案
2.1 酿酒酵母简介
15g/L,PH5.0. 发酵培养基:(NH4)2SO4 15g/L,KH2PO4 8.0g/L,MgSO4 3.0g/L,酵母膏 15g/L ,消泡剂
0.3ml/L,ZnSO4 0.4g/L. 流加培养基:KH2PO4 9.0g/L,MgSO4 2.5g/L,K2SO4 3.5g/L,Na2SO4 0.28g/L,葡萄糖 500g/L。 调节 PH 的氨水浓度:30%氨水
SGJ-10L 发酵罐,采用分批补料培养技术,维持葡萄糖的浓度处于一定浓度,并用分批 补加氮源,同时溶氧控制在 20%~80%。转速 300~400rpm。培养期间每隔 4h 测一次数据, 主要测量还原糖含量,氨基氮含量,菌体密度。
关键词:酿酒酵母 高密度培养 菌体浓度
白酒酿造优化方案(复习重点)
1、何谓流加发酵?答:所谓流加发酵,即补料分批发酵(Fed-batch fermentation),有时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新鲜培养基的发酵方法2、写出Monod 方程,并写出其成立的条件和各参数的意义。
答: 条件:温度和pH 恒定时(1)菌体生长为均衡型非结构生长;(2)培养基中只有一种底物是生长限制性底物;(3)菌体产率系数恒定参数意义:μmax 称为最大比生长速率(h-1),Ks 称为半饱和常数(g/L),S 为限制性底物浓度。
3、细胞高密度培养过程存在的问题有哪些?其相应解决措施有哪些?答:问题:1.产物或代谢副产物的积累对生长的抑制2.氧的限制3.HCDC 中培养基粘度不断增加,引起混合不充分4.CO2和热量的高释放率解决措施1.控制比生长速率在产生乙酸的临界值以下选择合适的培养基2提高通气速率和搅拌速度富氧空气和纯氧在加压环境下培养 SK S s +=max μμ3有必要研究发酵罐中的搅拌模型,找到改善搅拌的方法。
4通过降低细胞比生长速率而部分的解决把培养温度从37℃降到26-30℃,会降低营养吸收和生长速度,因此会减少有毒副产物和代谢产生的热量。
降低温度也能减少细胞对氧的需求。
降低重组细胞温度也有可能减少包含体形式的蛋白质的产生。
4、无反馈控制的流加策略有哪些?答:开环(无反馈)控制恒速流加——以预先决定的(恒定的)速率流加营养物质,比生长速率逐渐降低。
加速流加——以逐渐增加的速率流加营养物质。
可补偿一些比生长速率的降低。
指数流加——以指数的速率流加营养物质。
可得到恒定的比生长速率。
闭环(反馈)控制即时DO——当DO降低时补加营养物质。
即时pH——主要碳源耗尽引起pH上升时补加营养物质。
二氧化碳释放率(CER)——CER基本正比于碳源的消耗速度。
这一方法最为经常用于控制比生长速率。
细胞浓度——营养物质流加速率由细胞浓度决定。
底物浓度控制——营养物质流加速率直接由主要碳源的浓度控制5、何谓发酵产物的理论得率?可由哪些途径计算得到?答:假设发酵过程中完全没有菌体生成,则YP/S 可达理论最高值,称为理论代谢产物产率 计算途径(a )根据化学计量关系计算例如,由葡萄糖、氨和氧生成谷氨酸的化学计量方程为∶依此计算 =147/180=0.82 (b )由生物化学计量关系计算根据由底物生成目标代谢产物的代谢途径,进行代谢过程中有关NAD(P)+和ATP 等辅底物的物料衡算,结合化学计量关系可求出下式 由该反应式得 =(147×12)/(13×180)=0.75由于NADPH 和ADP 的再生过程要消耗底物,故依这种方法求得的值要小于单纯依据化学计量关系求得的结果。
一种酿酒酵母高密度发酵培养的方法
一种酿酒酵母高密度发酵培养的方法酿酒酵母是一种广泛应用的微生物,被用于生产啤酒、葡萄酒、烈性酒等多种酒类。
为了提高酒类的品质和产量,酵母的高密度发酵培养技术逐渐成为研究热点。
本文将介绍一种酿酒酵母高密度发酵培养的方法。
一、培养基选择培养基是酵母高密度发酵的基础,其成分和配比对发酵效果有着重要的影响。
以葡萄糖、酵母粉为基础配方,加入一定量的氮源、微量元素、维生素等成分,可制备出生长迅速的培养基。
二、罐内发酵方法罐内发酵又称低削减法发酵,是一种高效的酿酒酵母培养技术。
罐内发酵可以利用罐内喷射气体、调节罐体液位和控制酵母密度等手段,实现高密度的酵母发酵过程。
通常,罐体内的酵母密度可以达到10亿/mL以上。
酵母密度越高,发酵剂的产量也越大。
三、发酵过程控制为使酵母高密度发酵过程顺利进行,要对各项发酵参数进行严格控制,包括pH值、温度、氧气供应、液位等。
通常,发酵过程分为两个阶段:生长阶段和发酵期。
在生长阶段,必须控制适宜的温度和氧气供应,促进酵母的快速生长和繁殖。
在发酵期,需要控制pH值和酵母密度,调整发酵条件,使其符合酿酒工艺的要求。
四、灭菌处理培养过程中,为了杜绝污染和保证酿酒酵母的稳定性,必须对生产线上的设备、培养罐和培养基等进行严格的灭菌处理。
灭菌可以采用物理或化学方法,如高温蒸汽、紫外线照射、乙醛气体等,目的是消除微生物的污染。
总的来说,酿酒酵母高密度发酵培养技术是一项研究难度大、技术门槛高、操作复杂的技术,其成功与否与酵母菌株的选取、培养基的配制、罐内发酵的操作水平、发酵过程参数的调控等因素密不可分。
只有全面考虑各个环节的影响,才能实现高密度的酿酒酵母发酵过程,提高酿酒工艺的效率与品质。
发酵食品学第二章发酵的生化历程及工艺调控课件
(周期短,质量稳定,便于调控)
三、环境条件(发酵条件)
❖ 决定了微生物作用的方向,也决定了产 物的形成。
❖ 环境条件包括:
❖ 固态发酵:原料配比及预处理、气体环境、 Aw、RH、pH、热传递与控温等。
❖ 液态发酵:发酵液浓度(基质浓度变化)、 溶氧、pH、T、发泡与消泡、无菌检查、发 酵终点判断等。
❖ 老化本质:α化的淀粉分子又自动排列成序,形 成致密、高度晶化的不溶性的淀粉分子胶束
可视为糊化的逆转,但不是彻底复原,仍为生淀粉 (β—)的结构状态,但晶化程度比生淀粉低。
淀粉的水解
❖ 淀粉水解历程: 淀粉(深蓝)
(多苷链的片段)
糊精(蓝)
(低于6个残基)
无色糊精
单糖
寡糖
注:糊精化程度低的称为可溶性淀粉,碘检时仍呈蓝色
第二节、发酵食品生产的一般工艺
一、发酵工艺的类型
❖ 按发酵基质的物理性质分: ❖ 固态发酵(SSF, Solid State Fermentation) 是指在没有或几乎没有游离水的不流动基质上培养微生物 的过程,此基质称为“醅”。 ❖ 液态发酵(LSF,Liquid State Fermentation 或 Liquid Submerge Fermentation)基质是流动状态,称 为发酵“液”。 ❖ 半固态发酵(Semi---SSF)发酵基质是流动状 态,原料颗粒悬浮于液体中。 基质呈流动状态,称为“醪”
(4)果胶和木质素的降解
果胶酯酶、果胶水解酶、果胶裂解酶
果胶
单体、二聚体、三聚体
酚氧化酶、漆酶、过氧化物酶
木质素
香气成分前体(如:愈创木酚)
植物性原料用于发酵,果胶、木质素需先水解成糖,才 能将纤维素和其它内部成分暴露出来
高密度培养
基因工程菌高密度培养
High Cell-Density Culture
浙江工业大学 杭州
课前思考:
1、为什么凉开水养不活鱼?
2、为什么菜市场卖鱼的地方需 要一个鼓气设备? 3、什么物质在水中的溶解度随 着温度的升高而降低? 4、进一步增加鱼的密度,而且 要保证鱼不死,你能想出其它办法 吗?
c、磷:磷是DNA的组成成分
酵母膏、蛋白胨等可以提供全面的营养
3、解决环境毒性问题 部分微生物代谢产物对细胞有 一定的毒性。比如乙酸(酵解产物) pH改变
4、防止质粒丢失
丢失质粒的细胞具有生长优 势,但是它不含目的基因,所 以不能合成产物。
解决方案
1、关于供氧:
a、通入空气、搅拌
b、提高搅拌速度
关于质粒丢失:
在培养基中添加抗生素,丢失质 粒的细胞不能生长或死亡,即给予 适当的选择压力。
氨苄青霉素易失活,培养中 期补加氨苄青霉素,维持选择压 力
诱导时机的选择也非常重要 在生长前期,无诱导剂可以使 细胞快速生长,加入诱导剂诱导目 的基因表达会抑制细胞的增殖能力。 所以,过早诱导会影响细胞密度。 在细胞达到一定密度以后加入 诱导剂,可以得到高密度发酵液。 一般选在对数生长期的中后期诱导
高密度培养:
单位体积内细胞数量高于 常规的培养模式。 E.coli最高密度理论值:400g/L (DCW Dry Cell Weight) 国外达到:200g/L
国内小于50g/L
高密度培养的意义:
1、节约诱导剂的用量:摩尔浓度
相同,体积越小,诱导剂用量越少。
微生物的高密度培养
微生物的高密度培养高密度培养的定义:高密度培养:是应用一定的培养技术和设备来提高菌体生物量和目标产物时空产率的发酵技术。
一般认为,细胞密度接近理论值的培养为高密度培养。
但由于菌种、菌株及目标产物差异性较大,高密度培养的最终菌体生物量无法用一个确切的值或范围界定。
Riesenbere经计算认为,理论上大肠杆菌发酵所能达到的最高菌体密度为400g/L,考虑到实际情况的种种条件限制,Markel等认为最高菌体密度为200 g/L,此时,发酵液25%充满长3μm,宽1μm的菌体,发酵液粘度很高,几乎散失流动性。
而某些极端微生物细胞密度达到数克每升也可认为是高密度培养。
高密度培养技术最早用于酵母细胞的培养提高生物量或生产单细胞蛋白及乙醇的生产。
随着基因工程技术的发展和应用,构建基因工程菌已经成为提高目标蛋白表达水平的一项基本手段。
基因工程菌过量表达目标产物还有助于简化后续的分离纯化操作,同时也便于基因工程改造。
其中大肠杆菌、酵母是最常用的重组表达宿主菌高密度培养的优势:提高最终菌体生物量和目标产物的时空产率,缩小生物反应器体积,降低设备投资缩短发酵周期,减少水电使用,降低生产成本便于下游分离纯化工艺等高密度培养主要限制因素:固态或挥发性底物在液态培养基中,溶解限制底物对细胞生长可能存在限制或抑制作用。
底物和产物的稳定性差或易挥发产物降解产物或代谢副产物的积累,对细胞生长产生限制。
呼吸作用导致C02和热量的急剧积聚氧气需求量大,培养基黏度增加副产物的积累与毒害作用。
高密度培养的培养基:高密度培养要求培养基含有细胞生长所需的所有营养成分,配比均衡,且浓度不会对细胞生长产生抑制作用。
一般采用营养成分清晰的全合成培养基,便于发酵过程的调节控制和进一步的扩大培养。
培养基必须包含细胞生长必需的碳源、氮源、无机盐及生长因子。
高密度培养的初始发酵培养基营养成分必须低于抑制浓度,并结合恰当的流加补料策略提供营养物质,使细胞生长维持在最佳状态。
流加发酵与高密度培养
假定为常数,则上式积分可得: XV X F VF e (t t F )
由于生长符合Monod方程
d ( XV ) XV dt
m S
Ks S
dS 0 dt
V
dS dV S F S0 ( m) V X dt dt Yx / c
采用恒流速流加培养时,可得到如下 的物料平衡方程式:
d (VX )
a.恒速流加 (包括单一速率和分阶段恒速流加)
b.指数速率流加
c.底物在线测定后的反馈流加
(如葡萄糖反馈流加)
细胞平衡:dt 碳平衡:
Vrx
d (VS ) Vrs FS 0 dt
d. pH-stat
e. DO-stat
dVP 产物平衡: Vrp dt dV 体积平衡: F dt
3. 流加发酵过程中某些重要参数的确定
a. 最佳底物浓度的确定
(包括菌体生长阶段和产物合成阶段)
b. 底物的消耗速率
c. 体比生长速率()
d. 菌体对底物的产率系数(Yx/s)
及产物对底物的产率系数 (Yp/s)
2
2014/1/8
4. 合适的流加发酵类型的确定
5. 流加方式的应用 (1) 恒速流加
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: (1)状态方程的建立 (2)目标泛函的确定 (3)最优化底物流加方式的求解
流加发酵的物料衡算式可以表达为:
d ( XV ) XV dt d ( SV ) XV S F F dt
恒流速流加过程中的流量 F的确定:
(a)预试验中所得出的流加时刻菌体对
第二章流加发酵与高密度培养
几点假设如下: (a) 发酵罐内为理想混合; (b) 葡萄糖为唯一限制性碳源; (c) 残留菌体对葡萄糖的产率系数(YX/s)为常 数; (d) 菌体生长遵循Monod方程。
对底物葡萄糖进行衡算,则:
d(VS ) dt
FS0
(
Yx / s
ms ) VX
HCDC遇到的问题
减少乙酸合成的方法
控制比生长速率在产生乙酸的临界值以下
一般可通过控制限制性底物浓度控制比生长速率。 比生长速率临界值: 在复合和半合成培养基中,约为为0.2h-1和0.35h-1; 在合成培养基中,为0.14h-1。
HCDC遇到的问题
选择合适的培养基
例如,甘油比葡萄糖吸收进入细胞的速度要慢,可 能会减少流入糖酵解途径的碳,这会极大的减少乙 酸的合成。 此外,加入某些氨基酸(如谷氨酸、甲硫氨酸), 可减轻乙酸的毒害作用。 使用酸和碱调节pH而积累下来的盐会使乙酸的毒害 作用加强。
HCDC遇到的问题
代谢工程的方法减少乙酸合成
修饰
截断
磷酸转移 酶体系
TCA循环中 过剩的碳
Pta
乙酸
CoA Ack
葡萄糖
去往其它产物 (乙醇、乙醛等)
大肠杆菌
加强
乙酸代谢过程示意图
氧的限制
氧经常是高细胞密度培养的限制因素。 因为氧的溶解度很低。25℃、1大气压下,水中饱
和溶解氧浓度为7mgL-1。
指数速率流加的速率F的表达式为:
F
1 (
(S0 S) Yx / s
ms ) X FVF e(ttF )
其中tF为开始指数速率流加的时间, t≥tF,XF和VF分别为tF时刻的菌体浓度和 发酵液体积
发酵罐高密度异养培养小球藻的研究
发酵罐高密度异养培养小球藻的研究
马千然;汪苹
【期刊名称】《广东化工》
【年(卷),期】2013(040)004
【摘要】文章研究了小球藻利用发酵罐进行高密度异养培养.通过对流加培养和半连续培养两种培养方式的研究,测定小球藻Y4的生长量和油脂含量,确定藻株维持稳定生长的最优培养条件.实验结果表明,pH=7,DO=20%,补料最佳C/N为100,补料适宜碳浓度为30 g/L,取料量为1/5,小球藻Y4可以实现高密度稳定生长,且油脂含量较高,促进了小球藻高密度培养的开发和利用.
【总页数】3页(P15-17)
【作者】马千然;汪苹
【作者单位】北京工商大学食品学院,北京100048;北京工商大学食品学院,北京100048
【正文语种】中文
【中图分类】TQ
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5.小球藻异养培养的研究进展 [J], 闫海;张宾;王素琴;李雅雯;刘硕;杨帅
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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: (1)状态方程的建立 (2)目标泛函的确定 (3)最优化底物流加方式的求解
实用文档
流加发酵的物料衡算式可以表达为:
d(XV) XV
dt
实用文档
1. 流加发酵类型
流加发酵的分类
类别
流加方式
无反馈控 制
反馈控制
恒流量流加、变流量流加和间歇流加
直接控制流加、间接控制流加 定值控制流加、程序控制流加、最优控制流 加
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2. 采用流加发酵应该解决的关键问题
(1) 流加什么物质?
①补充微生物能源和碳源,如在发酵液中添 加葡萄糖、 饴糖、液化淀粉。作为消泡剂的天然 油脂,有时也能同时起到补充碳源的作用
1.非 生 产 时 间 长 2.需 较 多 的 操 作 人 员 或 计 算 机 控 制 系 统 3.操 作 人 员 接 触 一 些 病 原 菌 和 有 毒 产 品 的 可 能性大
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流加发酵的研究进展
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
• 高菌体浓度培养即高密度培养系统
• 非生长耦联性次级代谢产物(如产物的合 成需要某些营养物质或前体)
• 利用营养突变体的系统(过量加入营养物只能使菌体
迅速生长,而目的代谢产物的产量会减少。而当营养物严重缺乏 时,菌体生长受抑制,代谢产物的产量也会减小 )
• 营养缺陷型菌株的培养
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二、如何进行流加发酵操作? 1. 流加发酵类型 2. 采用流加发酵应该解决的关键问题? 3.流加发酵过程中某些重要参数的确定 4.合适的流加发酵类型的确定 5. 流加方式的应用
(2) 指数速率流加
在菌体生长阶段采用指数速率流加 法的几点假设如下: (a) 发酵罐内为理想混合; (b) 葡萄糖为唯一限制性碳源; (c) 残留菌体对葡萄糖的产率系数(YX/s)为 常数; (d) 菌体生长遵循Monod方程。
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对底物葡萄糖进行衡算,则:
d(dVt)SF0S(Yx/s ms)VX
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
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流加发酵所取得的三个方面的重大进展
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补充菌体所需要的氮源,有机氮或氨 水
③加入某些微生物生长或合成需要的微 量元素或无机盐
④加入酶合成诱导物或前体物质
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(2) 如何流加? a.底物流加速率 b.流加开始时间及总流加时间 c.需控制的底物浓度
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3. 流加发酵过程中某些重要参数的确定 a. 最佳底物浓度的确定
(包括菌体生长阶段和产物合成阶段) b. 底物的消耗速率 c. 菌体比生长速率() d. 菌体对底物的产率系数(Yx/s)
d(dStV)XVSFF
d(PV) XV
dt
dV F dt
流加发酵的最优化理论有:格林原理、庞特里金最小值 (最大值)原理等
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在采用流加发酵技术之前要考虑的两个 问题
一、何时采用流加发酵方式? 二、如何进行底物的流加?
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一、何时采用流加发酵方式?
• 所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制 作用
流加发酵与高密度培养
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流加发酵
所谓流加发酵,即补料分批发酵(Fedbatch fermentation),有时又称半连续 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新鲜培养基的发 酵方法
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分批、连续、流加操作方式的比较
分批发酵 连续发酵
流加发酵
优点 1.一 般 投 资 较 小 2.易 转 产 、 生 产 灵 活 3.分 批 操 作 中 某 一 阶 段 可 获 得 高 的 转化率 4.发 酵 周 期 短 , 菌 种 退 化 率 小 1.可 实 现 有 规 律 的 机 械 、 自 动 化 2.操 作 人 员 少 3.反 应 器 体 积 小 、 非 生 产 时 间 少
4.产 品 质 量 稳 定 5.操 作 人 员 接 触 毒 害 物 质 的 可 能 性 小 6.测 量 仪 器 使 用 寿 命 长 1.操 作 灵 活 2.染 菌 、 退 化 的 几 率 小 3.可 获 得 高 的 转 化 率
4.对 发 酵 过 程 可 实 现 优 化 控 制 5.因 经 常 灭 菌 会 降 低 仪 器 使 用 寿 命
及产物对底物的产率系数(Yp/s)
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4. 合适的流加发酵类型的确定 a.恒速流加(包括单一速率和分阶段恒速流加 b.指数速率流加 c.底物在线测定后的反馈流加 (如葡萄糖反馈流加) d. pH-stat e. DO-stat
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5. 流加方式的应用 (1) 恒速流加
采用恒流速流加培养时,可得到如下 的物料平衡方程式:
F为体积流加速率(L/h),S0为流加液中基质 浓 度 (g/L) , Yx/s 为 菌 体 对 底 物 的 产 率 系 数 (g/g),ms为细胞比维持系数(g/g/h),X为菌 体浓度(g/L),V为培养液体积(L),μ为菌体 比生长速率(h-1)。
缺点 1.因 放 罐 、 灭 菌 等 原 因 , 非 生 产 时 间 长 2.经 常 灭 菌 会 降 低 仪 器 寿 命 3.前 培 养 和 种 子 的 花 费 大
4.需 较 多 的 操 作 人 员 或 较 多 的 自 动 控 制 系 统 1.操 作 不 灵 活 2.因 操 作 条 件 不 易 改 变 , 原 料 质 量 必 须 稳 定 3.若 采 用 连 续 灭 菌 , 加 上 控 制 系 统 和 自 动 化 设备,投资较大 4.必 须 不 断 地 排 除 一 些 非 溶 性 的 固 型 物 5.易 染 菌 , 菌 种 易 退 化
d(VX)
细胞平衡:dt Vrx
碳平衡: d(dVtS)VsrFS0
产物平衡:d V P
dt
V rp
Hale Waihona Puke 体积平衡:d V F dt
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恒流速流加过程中的流量F的确定: (a)预试验中所得出的流加时刻菌体对
所流加基质的消耗速率 (b)发酵液中残留基质浓度 (c)流加后需要控制的发酵液中的基质
浓度
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