第二章 流加发酵与高密度培养

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
• 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
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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
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)。
(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
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
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
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：
流加发酵的最优化研究
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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
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流加发酵的物料衡算式可以表达为：
d(XV) XV
dt
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
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
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）
d(VX)
细胞平衡：dt Vrx
碳平衡： d(dVtS)VsrFS0
产物平衡：d V P
dt
V rp
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 (Βιβλιοθήκη Baidu)流加后需要控制的发酵液中的基质
浓度
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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)