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保興生物:補料(FBC)對發酵的影響及控制

時間: 2019-05-30來源: 作者:

安徽快三走势图最新行情 www.qltam.com 補料分批發酵(fed-batch culture,FBC)

??????????又稱半連續培養或半連續發酵,是指在分批發酵過程中,間歇或連續地補加一種或多種成分的新鮮培養基的培養方法,是分批發酵和連續發酵之間的一種過渡培養方式,是一種控制發酵的好方法,現已廣泛用于發酵工業。

1? FBC的作用????????

1可以控制抑制性底物的濃度

高濃度營養物抑制微生物生長:

基質過濃使滲透壓過高,細胞因脫水而死亡;

高濃度基質能使微生物細胞熱致死(themal death),如乙醇濃度達10%時,就可使酵母細胞熱致死;

有的是因某種或某些基質對代謝關鍵酶或細胞組分產生抑制作用,如高濃度苯酚(3%~5)可凝固蛋白;

高濃度基質還會改變菌體的生化代謝而影響生長等。

v??有的基質是合成產物必需的前體物質,濃度過高,就會影響菌體代謝或產生毒性,使產物產量降低。如苯乙酸、丙醇(或丙酸)分別是青霉素、紅霉素的前體物質,濃度過大,就會產生毒性,使抗生素產量減少。

v??有的底物溶解度小,達不到應有的濃度而影響轉化率。如甾類化合物轉化中,因它們的溶解度小,使基質的濃度低,造成轉化率不高。

v??采用FBC方式,可以控制適當的基質濃度,解除抑制作用,得到高濃度的產物。

2解除或減弱分解代謝物的阻遏

v??有些合成酶受到迅速利用的碳源或氮源的阻遏,如葡萄糖阻抑纖維素酶、赤霉素、青霉素等多種酶或產物的合成。通過補料來限制基質葡萄糖的濃度,就可解除酶或其產物的阻遏,提高產物產量。

v??緩慢流加葡萄糖,纖維素酶的產量幾乎增加200倍;將葡萄糖濃度控制在0.02%水平,赤霉素濃度可達905 mgL;采用滴加葡萄糖的技術,可明顯提高青霉素的發酵單位等。這都是利用發酵技術解決分解代謝物阻遏的實際應用。在植物細胞培養中,也采用該技術來提高產量。

3)可以使發酵過程最佳化

v??分批發酵動力學的研究,闡明了各個參數之間的相互關系。利用FBC技術,就可以使菌種保持在最大生產力的狀態。

v??隨著FBC補料方式的不斷改進,為發酵過程的優化和反饋控制奠定了基礎。

v??隨著計算機、傳感器等的發展和應用,已有可能用離線方式計算或用模擬復雜的數學模型在線方式實現最優化控制。

FBC的優點:

v??①解除底物抑制、產物反饋抑制和分解代謝物的阻遏;

v??避免一次投料過多造成細胞大量生長所引起的一切影響,改善發酵液流變學性質;

v??可提高發芽孢子的比例,控制細胞質量;

v??不需要嚴格的無菌條件,產生菌不易老化變異,比連續發酵適用廣泛。

2 補料內容

????能源和碳源;

????氮源;

????微量元素;

????誘導物;

3 補料的原則

原則:根據菌體生長代謝規律;

?????生產需要;

??????環境條件

方法:充足而不過量(少量多次或分批流加)

4? 補糖的控制


補糖時機

v??過早,刺激生長,加速糖利用;

v??過遲,所需能量跟不上。如谷氨酸發酵在對數生長期的末期補料。

判斷:培養基條件,菌種,發酵狀況(殘糖,pH,菌形態等),在需要時加入;

舉例:四環素,P20310-14

補糖方式

v??連續流加:每次流加又可分為快速流加、恒速流加、指數速率流加和變速流加。

v??少量多次間歇補入

v??大量少次補入??????????

?????

?????可與其他組分一起進行多組分補料。

??????以不引起發酵液成分劇烈波動為前提;

補糖量——加入與消耗平衡,維持穩定的糖濃度;

例:

a?四環素發酵還原糖維持在0.8-1.2%

b?谷氨酸追加糖液發酵:在原工藝基礎上,加大接種量到10%,增加生物素用量達5μg/L,減少初糖濃度(12%——7-8%)盡快獲得大量的生產型菌體,當菌體處在生長對數期后進入產酸期,糖濃度在2%左右時,連續流加糖液,維持2%左右的糖濃度。

????優點:低濃度發酵,以利于生長和發酵;

???? ??????????總糖濃度達20%,產酸高。

???補糖開始時,不但CRR、OUR大幅度提高,連RQ也提高約10%,表明通過補糖不但提供了更多的碳源,而且隨著體系內葡萄糖濃度提高,糖代謝相關酶活力也提高,產能增加。

???發酵中后期為保證產生次級代謝產物,有意使菌體處于半饑餓狀態,在營養限制的條件下,維持產生次級代謝產物的速率在較高水平。

5 補償氮源及無機鹽

v??流加尿素,一方面調節pH,另一方面補氮。

v??谷氨酸發酵時,初次加入尿素量和補加量取決于菌種的脲酶活力強弱和耐尿能力。

v??脲酶活力低,耐尿素強,初次加入用量多2%,流加次數少

v??脲酶活力強,耐尿素低,初次加入用量少0.6%,流加以少量多次好

6? 補料的控制


v??流加操作控制系統分為有反饋控制和無反饋控制兩類。反饋控制系統是由傳感器、控制器和驅動器三個單元所組成。根據控制依據的指標不同,又分為直接方法和間接方法。

v??間接方法:以溶氧、pH值、呼吸商、排氣中CO2分壓及代謝產物濃度等作為控制參數。對間接方法來說,選擇與過程直接相關的可檢參數作為控制指標,是研究的關鍵。通氣發酵利用排氣中CO2含量作為FBC反饋控制參數是較為常用的間接方法。

v??直接法:隨著一系列技術障礙的克服,該法將會得到迅速普及。反饋控制的FBC,常常是依據個別指標來進行,在許多情況下,并不能奏效,尚需進行多因子分析。

v??FBC還可采用“放料和補料”(withdraw and fill)方法:發酵一定時間,產生了代謝產物后,定時放出一部分發酵液(可供提煉),同時補充一部分新鮮營養液,并重復進行。

維持一定菌體生長速率,延長發酵產物生產期,有利于提高產物產量,降低成本。注意染菌。

v??如控制青霉素生產所用的葡萄糖流加的質量平衡法,就是利用CO2的反饋控制。它是依靠精確測量CO2的釋放率CRR和葡萄糖的流動速度,達到控制菌體的比生長速率和菌濃。

v??pH值也可用作糖的流加控制的參數。

注意事項:

v??適宜料液比

v??無菌操作

v??碳氮平衡,經濟合理


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