补料的作用和控制

fenggou82 · 发表于 2007-6-15 08:59:17

补料的作用和控制

1.补料分批培养的优点和应用

  补料分批培养（简称FBC）是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法。是一种控制发酵的好方法。

FBC具有以下的优点：

（1）可以解除底物抑制，产物反馈抑制和分解产物阻遏；

（2）可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一切影响，改善发酵液流变学性质；

（3）可用作控制细胞质量手段，以提高发芽孢子比例；

（4）可用作为理论研究的手段，为自动控制和最优控制提供实验基础，同连续培养相比，FBC 不需要严格的无菌条件，生产菌也不会产生老化和变异等问题，使用范围也比连续培养广泛。

2.FBC的作用

FBC 的操作是比较简单的，效果也是比较明显的。但是这种控制方法是建立在什么理论基础上？对微生物的生理和产物的合成又能产生什么作用？研究结果表明，FBC对微生物发酵有下列几个基本作用：                                     （1）可以控制抑制性底物的浓度

在许多发酵过程中，微生物的生长是受到基质浓度的影响。要想得到高密度的生物量，需要投入几倍的基质。按米氏方程，当营养浓度增加到一定量时，生长就显示饱和型动力学，再增加底物浓度，就可能发生一种基质抑制区，迟滞期延长，比生长速率减小，菌浓下降等。所以高浓度营养物质对大多微生物生长是不利的。抑制微生物生长有多种原因：一是有的基质过浓使渗透压过高，细胞因脱水而死亡；二是高浓度基质能使微生物细胞热致死，如乙醇浓度达10%时，就会使酵母细胞热致死；三是有的是因某一些基质对代谢关键酶或细胞组分产生抑制作用，如高浓度苯酚（3%~5%）可凝固蛋白质；四是高浓度基质还会改变菌体的生化代谢而影响生长。

  在微生物发酵中，有的基质又是合成产物必需的前体物质，浓度过高，就会影响菌体代谢或产生毒性，使产物产量降低。有的是受底物溶解度大小的限制，达不到应有的浓度而影响转化率。如甾类化合物转化中，因它们的水溶解度小，使基质的浓度低，造成转化率不高。

  为了在分批培养中，获得高浓度菌体或产物必须在基础培养基中防止有过高浓度的基质或抑制性底物，采用FBC方式，就可以控制适当的基质浓度，解除其抑制作用，又可以得到高浓度的产物。

（2）可以解除或减弱分解产物阻遏

在微生物合成代谢初级或次级代谢产物中，有些合成酶受到易利用的碳源或氮源的阻遏，特别是葡萄糖，它能够阻抑多种酶或产物的合成，如纤维素酶、青霉素等。通过补料来限制基质的浓度，就可解除酶或其产物合成受阻，提高产物产量。

（3）可以使发酵过程最佳化

  分批发酵动力学的研究，阐明了各个参数之间的相互关系。利用FBC技术，就可以使菌种保持在最大生产力的状态，应用计算机、传感器和数学模型而实现最优化控制。

3.FBC的补料方式和控制

  目前FBC的类型很多，就补料方式而言，有连续流加，不连续流加或多周期流加。每次流加又分为快速流加、恒速流加、指数速率流加和变速流加。从反应器中发酵体积来分，又有变体积和恒体积之分。从补加培养基的成分来分，又可分为单组分和多组分补料。

流加操作控制系统又分为有反馈控制和无反馈控制两类。这两类的数学模型在理论上没有什么差别。

  反馈控制系统是由传感器、控制器和驱动器三个单元所组成。根据控制依据的指标不同，又分为直接方法和间接方法。间接方法是以溶氧、PH、呼吸商、排气中CO2分压及代谢产物浓度等作为控制参数。直接方法是直接以限制性营养物（如碳源、氮源或C/N等）的浓度作为反馈控制的参数。对间接方法来说，选择与过程直接相关的可检参数作为控制指标，是研究的关键。这就需要详尽考查分批发酵的代谢曲线和动力学特性，获得各个参数之间的有意义的相互关系，来确定控制参数。对于通气发酵，利用排气中的CO2含量作为FBC 反馈控制参数是较为常用的间接方法。如控制青霉素生产所用的葡萄糖流加的质量平衡法，就是利用CO2的反馈控制。已在上一节说明它们之间的关系。它是依靠精确测量CO2的逸出速度和葡萄糖流加速度，达到控制菌体的比生长速率和菌浓。PH也已用作糖的流加控制的参数。…… 。反馈控制的FBC ，常常是依据个别指标来进行，在许多情况下，并不能奏效，尚需进行多因子分析。

  无反馈控制FBC是指无固定的反馈控制参数来操作最优化的控制。过去是以经验为基础，后来才出现严格的数学模型。如青霉素FBC 中，以产物浓度为目的函数，研究了葡萄糖流加的最优化方法。运用Pontryaghin连续最大原理（一种最优化过程的数学原理）得到一个包含流加速率连续增加阶段在内的最优操作曲线。在头孢菌素C的发酵研究中，采用计算机模拟的办法，考虑到菌丝的分化，产物的诱导及分解产物对产物合成的抑制等多种因素，利用归一法原理，把复杂的多组分补料问题简化成各个单一组分的补料，从而确定了最优化的补料方式。