生物发酵过程控制与优化解析

补料策略
补糖速率的最佳点与设备供氧能力有关： • 设备供氧能力大的，补糖速率也需相应加大， 生产水平也相应提高； • 设备供氧能力差的，补糖速率也需相应减小， 生产水平也相应降低；
流加方法
• 一次大量 • 多次少量（大多数采纳） • 连续流加（快速、恒速、指数和变 速）
补料时机的判断
• • • • • 有用菌的形态 发酵液中糖浓度 DO浓度 尾气中的氧和二氧化碳 摄氧率或呼吸商的变化
溶氧作为发酵异常的指标
• 操作故障或事故引起的异常：未及时开搅拌、搅拌发生故障时， 溶氧比平时低很多； • 一次加油过量，使溶氧显著降低； • 出现发酸现象：底物浓度过大，溶氧较低时产生乙醇，并与有 机酸反应形成有酒香味的脂类 • 污染杂菌：污染好气菌，溶氧跌到0；污染不太好氧的杂菌， 使生产菌受到抑制时，溶氧升高； • 溶氧作为控制代谢方向的指标：如：发酵中前期好气培养，后 期转为厌气培养。又如：当补料速度较慢和供氧充足时，糖完 全转化为酵母，二氧化碳和水；若补料速度过高，溶氧降到临 界值以下，便会出现糖的不完全氧化，生成乙醇，结果酵母产 量减少。
• 酶活 • 基质利用速率 • 细胞结构
pH选择和控制
• 生长期和生产期可选不同pH。 • pH上升超过最适值，意味着细菌处在饥饿状态， 可加糖调节； • 糖过量又会使pH下降，可加碱或氨水调节。
注：用pH控制加糖速率的缺点，是发酵中后期pH的 变化不敏感，容易造成补料系统错乱。
氧对发酵的影响
• 临界氧：不影响呼吸所允许的最低溶氧浓 度。 • 溶氧单位：空气饱和度（%）； • 在培养过程中，溶氧不是越高越好，过高 的溶氧对生长可能不利；
根据尾气二氧化碳含量控制加糖速率
例如青霉素发酵： • 加糖会引起尾气二氧化碳增加和pH下降，这是因 为糖被利用产生有机酸和二氧化碳，并溶于水中， 而使pH下降； • 糖、二氧化碳和pH相关； • 二氧化碳对糖浓度比pH敏感，故而根据尾气二氧 化碳释放率控制加糖速率。
根据乙醇释放速率来调整补料速率
生物发酵过程控制与优化
杨建新 2014.10.8
细菌群体的生长周期
• 停滞期 • 对数或指数生长期 • 静止期（产生次级代谢产物）
发酵条件的影响极其控制
常规发酵条件： 罐温、搅拌转速、搅拌功率、空气流量、罐压、液 位、补料、加糖、油或前体、通氨速率和补水等。 表征过程性质的状态参数： pH、DO、溶解二氧化碳、氧化还原电位、尾气中的 氧气和二氧化碳含量、基质（如葡萄糖）浓度、产 物浓度、代谢中间体或前体浓度、菌浓等 通过直接参数求得的间接参数： 比增长速率、摄氧率（OUR）、二氧化碳释放速率 （CER）、呼吸商（RQ）、氧得率系数、氧体积传 质速率、基质消耗速率、产物合成速率等
氧在水中的饱和浓度、 低 比界面面积 氧在水中的饱和浓度 中
罐压
低
中
好
溶解二氧化碳问题
养分浓度
需求
中
低
高
不肯定
响应慢
表面活性剂
氧的传质系数 需求、氧在水中的饱 和浓度
低
低
变化
不Leabharlann Baidu定
需实验确定
温度
低
低
变化
不肯定
不是常有用
用流加糖控制溶氧
• 当溶氧高于控制点时，糖阀加大，糖的利 用需要消耗更多的氧，导致溶氧下跌； • 反之，当溶氧下降到控制点以下时，糖阀 关小，甚至关闭，摄氧速率也会随后降低， 引起溶氧上升；
根据摄氧率控制补料速率
• 摄氧率与基质消耗速率之间存在线性关系； • 根据尾气中的氧浓度，可求得摄氧率； • 调节补料速率使菌处于半饥饿状态，以使 发酵液有足够的氧，从而获得高生产速率。
控制加糖速率来维持DO和pH
例青霉素发酵： • 在快速生长期加入过量葡萄糖会导致酸的积累和 氧的需求大于发酵的供氧能力，加糖不足又会使 发酵液中的有机氮当做碳源利用，导致pH上升和 菌量失调； • 在生长期控制加糖速率来维持DO和pH • 在生产期以DO为控制因素
溶氧控制
• 例1：限制养分的供给以降低菌的生长速率， 可达到限制菌对氧的大量消耗，从而提高 溶氧水平； • 例2：降低发酵温度可得到较高的溶氧值。 前提是对产物合成没有副作用。
溶氧控制措施的比较
措施 搅拌转速 挡板 空气流量 作用参数 氧的体积传质系数 氧的体积传质系数 高 中 投资 运行成本 低 低 低 效果 高 高 低 对生产的作用 好 好 可能引起泡沫 备注 要避免过分剪切
碳源
•
•
• •
葡萄糖、乙醇、甘油、乳糖，构建细胞形成产物 培养基中碳源浓度超过5%,细菌生长因细胞脱水 而开始下降； 并且在某一浓度下，碳源会阻遏负责产物合成的 酶，出现碳分解代谢物阻遏； 因此要控制碳源浓度； 控制方法：使补入碳源速率等于其消耗速率
氮源
氨、硝酸盐，合成氨基酸等 • 铵离子或某些氮源的积累会阻遏次级代谢 产物的合成； • 因此要控制氮的水平
• 乙醇释放速率受氧的供应和葡萄糖的影 响； • 故可用乙醇释放速率控制糖流加
比生长速率的影响与控制
• 需要将残糖保持在最适合的浓度； • 测葡萄糖浓度或乙醇浓度和呼吸商。
泡沫对发酵的影响及控制
• 发酵过程中因通气搅拌，发酵产生的二氧化碳以及发酵液中 糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫物质的存在，使发酵液含有 一定数量的泡沫。发酵过程中泡沫的多寡与通气搅拌的剧烈 程度和培养基的成分有关。 有利作用： • 泡沫的存在可以可以增加气液接触表面，有利于氧的传递； 不利作用： • 降低发酵罐的装填系数 • 增加了菌群的非均一性 • 增加了染菌的机会 • 引起逃液，招致产物损失
溶氧控制
• 发酵液中溶氧的任何变化都是氧的供需不平衡的结果； • 发酵罐的供氧能力无论提得多高，若工艺条件不配合，还 会出现溶氧供不应求的现象。若有效利用现有的设备条件 便能适当控制菌的摄氧率。 • 控制摄氧率的方法：控制加糖或补料速度、改变发酵温度、 液化培养基、中间补水、添加表面活性剂，能改善溶氧状 况和维持合适的溶氧水平。 • 增加氧在水中的饱和度：在通气中掺入纯氧、提高罐压、 改变通气速率（在速率较大时，对溶氧提高不明显，反而 会增加泡沫） • 提高设备的供氧能力：改善搅拌更有效。
矿物盐
磷酸盐、镁盐、锰盐、铁盐、钾盐和氯化物 • 阻遏几种次级代谢物的生物合成； • 因此要控制浓度
温度对发酵的影响
• 保证酶活性的重要条件 • 微生物生长 • 产物合成
最适温度控制
• 变温培养 发酵中前期：稍高温度促进生长； 生产期：稍低温度维持较长生产期； 后期：升温，促进微生物分泌。
pH的影响