万方数据
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第10章生物过程的优化和放大 生物过程的研究一般经历 摇瓶培养→小罐培养→中试→生产规模 10.1 生物过程的优化 优化方法 1单次单因子法 2统计法：Plackett-Burman法，部分因子设计法响应面法，响应面法 响应面法：中心组合设计法，Box-Behnken法 3改进单纯形法 统计法一般需要经过以下几步：实验设计；实验结果的数据分析，以得到合适的数学模型；数学模型的检验，即方差分析；求解最优化值及其校验。 一、Plackett-Burman法 Plackett-Burman法是一种两水平的实验设计方法，它试图用最少的实验次数达到使因子的主效果得到尽可能精确的估计，适用于从众多的考察因子中快速有效地筛选出最为重要的几个因子，但无法考察各因子对发酵的相互交叉的影响，因此常作为响应面法的初步实验，用于确定影响发酵过程的重要因子。 1. 实验设计 Hadamard矩阵 设计的准则为： 1)若要考察k 个因子，则需要进行N=k+1个实验，为便于进行方差分析，往往要求k 至少 包括1-3个虚构变量，即空项，且k为奇数； 2)每个因子取两个水平，即用“＋”、“－”分别代表其高、低水平，低水平为原始培养条件， 高水平约取低水平的1.25倍； 3)矩阵每行含“＋”的数目为(k+1)/2，含“-”的数目为(k-1)/2，而每列含“+ ”、“-”的数目相等； 4)矩阵第一行任意排列，但必须符合上述要求，最后一行全部为“-”；其余行以上一行的最 后一列为该行的第一列，上一行的第一列为该行的第二列，其余类推。 2. 数据分析 3. 方差分析 二、响应面法 1. 实验设计 2. 数据分析 3. 方差分析 4. 优化 10.2 生物过程的放大 不管是微生物细胞、动、植物细胞还是重组质粒，要进行工业化生产，都必须经过放大中试阶段，生化过程的放大有各种各样的方法和手段，其放大方法和原理林林总总，对具体某一体系来说，用何种放大模式可以快捷地成功过渡到工业化生产，没有固定模式，必须针对具体菌种生理生化及培养基及环境条件的放大效应综合考虑，至目前为止，生化过程放大一直是个长脖子的事。 传统的工业放大，一般要经过四个阶段：实验室摇瓶培养、实验室小型发酵罐培养、中间工厂和生产工厂。 一、摇瓶与罐培养的差异 摇瓶的试验条件放大到生产罐或小发酵罐的试验条件转移到大发酵罐时，它们所得产物的产量往往不完全一致，特别是产抗生素的新菌株，差异更大，当然也有一致的巧合。引起这种
工业发酵进展
微生物发酵培养基的优化方法 对于微生物的生长及发酵，其培养基成份非常复杂，特别是有关微生物发酵的培养基，各营养物质和生长因子之间的配比，以及它们之间的相互作用是非常微妙的。面对特定的微生物，人们希望找到一种最适合其生长及发酵的培养基，在原来的基础上提高发酵产物的产量，以期达到生产最大发酵产物的目的。发酵培养基的优化在微生物产业化生产中举足轻重，是从实验室到工业生产的必要环节。能否设计出一个好的发酵培养基，是一个发酵产品工业化成功中非常重要的一步。以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度（便于下游处理），较高的底物转化率（降低原料成本）和较高的生产强度（缩短发酵周期）。设计发酵培养基时还应时刻把工 实验室最常用的优化方法是单次单因子法，这种方法是在假设因素间不存在交互作用的前提下，通过一次改变一个因素的水平而其他因素保持恒定水平，然后逐个因素进行考察的优化方法。但是由于考察的因素间经常存在交互作用，使得该方法并非总能获得最佳的优化条件。另外，当考察的因素较多时，需要太多的实验次数和较长的实验周期[3]。所以现在的培养基优化实验中一般不采用或不单独采用这种方法，而采用多因子试验。 2.多因子试验 多因子试验需要解决的两个问题: (1)哪些因子对响应具有最大(或最小)的效应，哪些因子间具有交互作用。 (2)感兴趣区域的因子组合情况，并对独立变量进行优化。
3.正交实验设计 正交实验设计是安排多因子的一种常用方法，通过合理的实验设计，可用少量的具有代表性的试验来代替全面试验，较快地取得实验结果。正交实验的实质就是选择适当的正交表，合理安排实验的分析实验结果的一种实验方法。具体可以分为下面四步： （1）根据问题的要求和客观的条件确定因子和水平，列出因子水平表； （2）根据因子和水平数选用合适的正交表，设计正交表头，并安排实验； （3）根据正交表给出的实验方案，进行实验； （4）对实验结果进行分析，选出较优的“试验”条件以及对结果有显著影响的因子。 正交试验设计注重如何科学合理地安排试验，可同时考虑几种因素，寻找最佳因 次 报道。CastroPML报道用此法设计20种培养基，做24次试验，把gamma干扰素的产量提高了45%。 6.部分因子设计法 部分因子设计法与P1ackett-Burman设计法一样是一种两水平的实验优化方法，能够用比全因子实验次数少得多的实验，从大量影响因子中筛选出重要的因子。根据实验数据拟合出一次多项式，并以此利用最陡爬坡法确定最大响应区域，以便利用响应面法进一步优化。部分因子设计法与Plaekett-Burman设计法相比实验次数稍多，如6因子的26-2部分因子设法需要进行20次实验，而Plackett-Burman设计法只需要7次实验。 7.响应面分析法
图表比较分批发酵、连续（流加）发酵和分批补料发酵优缺点? 表一：分批发酵、连续（流加）发酵和分批补料发酵简单比较
呼吸作用与发酵的根本区别在于：电子受体不是将电子直接传递给底物本身的中间产物，而是交给电子传递系统，并逐步释放能量后再交给最终的电子受体。 4、发酵过程杂菌污染的途径有哪些？如出现杂菌污染，应如何处理？ 答：发酵过程杂菌污染的途径有 1.种子带菌，2.培养基及设备消毒不够，3.设备破损，4.空气系统，5.操作不当（取样、补料、消泡、控制）等。（2分） 如出现杂菌污染，应对染菌时间、种类、染菌规模进行分析根据具体情况处理，（1分）如： 1.种子带杂菌——灭菌，排掉。（0.5分） 2.发酵前期——严重：实消后补种、料。不严重：运转并观察。（0.5分） 3.发酵中期——分析微生物数量、种类、物料性质，再做处理。（0.5分） 4.发酵后期——同中期，并考虑产率与成本关系，考虑放罐。（0.5分） 5、连续发酵有何优缺点？ 答：（1）、设备生产能力大、利用率高、没有中间清洗杀菌、没有发酵适应期。（1分）（2）、连续化、自动化、人平生产率高、成本降低。（1分） （3）、发酵稳定、便于管理。（1分） 缺点：营养利用率略低、控制要求高。（2分） 6、摇瓶提高溶氧方法有哪些？发酵罐提高溶氧方法有哪些？ 答：摇瓶提高溶氧可考虑减小装液比，增加摇床转速，不会造成染菌的情况下减少瓶口砂布层数等方法。（3分）发酵罐提高溶氧的方法有选择合理罐型，增加高径比，适当提高通气量，适当提高搅拌速度（搅拌罐）等方法。（3分）
6、泡沫对发酵有何影响？常用的消泡方法有何优缺点？ 答：泡沫对发酵的影响有：（1）泡沫持久存在，妨碍CO2的排除，影响微生物对氧的吸收，破坏正常生理代谢，不利发酵和生物合成。（2）泡沫大量产生，使发酵罐有效容积大大减少，影响设备利用率。（3）泡沫过多，控制不好，会引起大量跑料，造成浪费和环境污染（4）泡沫升到灌顶，可能从轴封渗出，增加染菌机会（5）泡沫过多也会影响氧传递、通风与搅拌效果。（3分，答出3点以上即可） 化学消泡优点：化学消泡剂来源广泛，消泡效果好作用迅速可靠，用量少，不需改造设备，大小规模适用，易实现自动控制。缺点：消泡剂对微生物生长有毒性。（1分） 物理消泡优点：不用在发酵液中加其他物质，节省原料，减少由于加消泡剂引起的污染机会。缺点：不如化学消泡迅速、可靠，需一定设备及消耗动力，不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。（1分） 7、改变细胞膜通透性的方法有哪些？ 答：（1）选择生物素缺陷型限制生物素用量，（2）生物素过量时采用油酸缺陷型菌株，限制油酸用量，（3）添加含高级脂肪酸的表面活性剂，拮抗脂肪酸的合成，（4）选育甘油缺陷型，限制甘油含量，（5）添加青霉素控制细胞壁后期合成。（每点1分） 基于工业发酵的基本模式,在微生物定向育种和发酵条件控制方面所采取的五字策略是“进、通、节、堵、出” ①进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；②通，使来自上游和各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物； ③节，阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物； ④堵，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径； ⑤出，促进目的产物向胞外空间分泌。 五、分析问答题：（15分） 1、在某菌种发酵生产中，最近发现发酵过程中糖氮的消耗减慢了，发酵周期延长了，产品得率下降，试分析可能的原因，并进一步验证和提出解决的办法。 答：经分析很可能发生了菌种衰退。（3分，写出分析的根据） 验证方法：1、显微镜镜检，观察菌种形态上有无发生变异，2、平板培养，观察菌落生长情况，3、摇瓶培养，测定相关生理指标。换过菌种或进行菌种复壮，看上述现象是否消失。（5分） 要解决好菌种衰退问题要做到： （1）做好菌种的保藏工作（5分，回答5点以上即可，每点给1分） A、使菌种在保藏中处于休眠状态，孢子、芽孢。低温、干燥、缺氧、营养缺乏、代谢活动下降。 B、要纯粹，要作无菌检查 C、新鲜的斜面，生长要丰满，取幼龄菌接种 D、接种量要适当，斜面生长不过密 E、保藏培养基，C源比例少，营养贫乏一些，否则产酸，产生代谢产物，引起变异。保藏培养基不加或少加葡萄糖，活化用0.1％葡萄糖
发酵过程优化原理复习 1、 发酵过程优化的目标 答：①建立生物反应过程的数量化处理和动力学模型。 ②实现发酵过程优化，以更好地控制发酵过程； ③规避生物技术产业化过程的技术风险，追求其经济效益； 2、发酵过程优化主要涉及的研究内容 答：①细胞生长过程研究，了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布； ②根据微生物代谢反应符合质量守恒定律，对微生物反应的化学计量进行研究，简化对发酵过程的质量衡算； ③研究生物反应速率及其影响因素，建立生物反应动力学，这也是是发酵过程优化研究的核心内容。 ④生物反应器工程，包括生物反应器及参数的检测与控制，它们是发酵过程优化最基本的手段。 3、Hasting （1954年）指出生化工程要解决的十大问题是哪些？ 答：深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害。其中通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点。 4、Cooney 指出，要实现发酵过程的优化与控制，必须解决好哪些问题？ 答：必须解决好5个问题：①生物模型；②传感器技术；③适用于生物过程的最优化技术；④系统动力学；⑤计算机-监测系统-发酵罐之间的接口技术 5、流加发酵、分批发酵、连续发酵方式的优缺点比较 答：①与传统的分批发酵相比，流加发酵可以解除底物抑制、葡萄糖效应和代谢阻遏等；与连续发酵相比，流加发酵则具有染菌可能性更小，菌种不易老化变异等优点。 ②与流加发酵和连续发酵相比，分批发酵工艺操作简单， 比较容易解决杂菌污染和菌种退化等问题， 对营养物的利用效率较高，产物浓度也比连续发酵要高。但其 人力、物力、动力消耗较大，生产周期较长，生产效率低。 ③连续发酵最大的优点是，微生物细胞的生长速度、代谢活性处于恒定状态，可达到稳定高速培养微生物或产生大量代谢产物的目的，且便于进行微生物代谢、生理生化和遗传特性的研究，在工业上可减少分批培养中每次清洗、装料、消毒、接种、放罐等操作时间，提高了生产效率和自动化程度。 6、重组生物药物生产过程的优化包括哪6个方面 答：①适宜宿主的选择；②重组蛋白积累位点（如可溶的胞内积累、胞内聚合积累、周质积累或胞外积累）的确定；③重组基因最大表达的分子策略；④细胞生长和生产环境的优化；⑤发酵条件的优化；⑥后处理过程的优化。 7、操作细胞循环生物反应器时必须考虑哪两个因素？为什么？ 答：①稀释率（流速/体积），因为稀释率的大小影响细胞的生长速率，不同的实验目的对稀释率的要求也不同； ②循环速率（指通过过滤系统的培养基速率），因为高的循环速率可使组分混合均匀，但循环速率过高会使作用在细胞上的剪切力过高，也会导致过滤单元膜的迅速损坏。 因此，很难同时确定合适的稀释率与循环速率，这也是限制细胞循环技术应用的一个重要因素。 8、细胞生长过程可以分为哪3个步骤，运输过程包括其中的两个步骤，在细胞膜上的运输过程是研究者普遍关心的内容，在细胞膜上可能存在哪些运输机制？各有何特点？ 答：（1）细胞生长过程的3个步骤：①底物传递进入细胞；②通过胞内反应，将底物转变为细胞质和代谢产物；③代谢产物排泄进入非生物相； （2）研究表明在膜上存在3种不同的运输机制：①自由扩散；②协助扩散；③主动运输。 特点：①自由扩散和协助扩散只有存在浓度梯度时，由高浓度向低浓度的运输才可能发生，统称被动运输，在运输过程中不需要提供外部能量； 自由扩散分子扩散的质量通量遵守Fick 第一定律，通过自由扩散进行运输的化学物质主要有氧气、二氧化碳、水、有机酸和乙醇等；协助扩散是通过膜上的转运蛋白来进行物质运输的，具有选择性，其运输速率比自由扩散又快又多，运输速率遵循典型的饱和型动力学。 ③主动运输是逆着浓度梯度进行运输，需要输入一定的吉布斯自由能，以特定的膜内蛋白作为运输过程的媒介，可以逆着浓度梯度的方向进行运输，因此是一个耗能的过程，根据运输动力来源可以分为一级主动运输和次级主动运输两大类，还有一种特别的主动运输过程为基团转移。 9、发酵过程数量化处理包括哪些方面的内容？常规的参数一般包括哪些？通常如何测量这些参数？ 发酵过程的数量化处理包括：①发酵过程的速度；②化学计量学和热力学；③生产率、转化率和产率； 10、比速率和速率有什么区别？ 答：比速率是一个相对速度，表示细胞的个体行为，反应了细胞的生长和代谢能力，它与生物量（以细胞干重表示）或有催化活性物质的量（如酶量）有密切的关系，各种比速率的单位均为h -1，定义类似于化学反应动力学中比速率r i *的定义 速率：是绝对速率，所表示的是细胞的整体行为，不能代表系统的特征。 11、生物反应过程中有关的宏观产率系数及定义 答：宏观产率系数（或称得率系数）Y i/j （i 表示菌体或产物，j 表示底物）是常用于对C 源等底物形成菌体或产物的潜力进行评价，将消耗的量同 形成的量关联起来，定量表示细胞或产物甚至热量的产率，也能用于定量的表示不同消耗量之间或形成量之间的相互关系，最初是由Monod 以质量单位和商的形式定义的： 12、Y A TP 与其它产率系数相比有何特点？ 答： ，是Bauchop 以异化代谢中ATP 的生长量作为菌体产率的基准而定义的。Y ATP 与微生物及底物种类无关，基本为一常数。 在复合培养基的厌氧培养中，不管微生物和环境的性质如何，Y ATP 总是约为10.5g/mol 。但该值对微生物生长具有普遍性。在基本培养基中无论是厌氧还是需氧培养，单一碳源中一部分作为能源通过异化代谢分解，其余部分用于同化构成菌体。假设用于同化的这部分碳源与ATP 生成无关，则对于异化代谢的碳源亦服从Y ATP ≈10g/mol 。 13、复合培养基厌氧培养过程中细胞的生物合成步骤及ATP 的生成和利用途径 P26 14、代谢产物理论产率系数和实际过程产率系数有何区别？影响实际过程产率系数的因素有哪些？ 答：假设发酵过程中完全没有菌体生成，则Y P/S 可以达到最高值，即为理论代谢产物产率，可以根据化学计量关系、生物化学计量关系计算。 而在实际发酵过程中的实际产率是变化的，所以需对产率系数的概念进行修正。实际产率值取决于各种生物和物理参数。 ，式中μ为比生长速率；m 为混合度；s 为底物浓度；t 为平均停留时间；t m 为混合时间； OTR 为氧传递速度 15、微生物反应动力学模型的类型及着眼点。Monod 模型属于什么模型？其使用的条件包括哪些? 底物消耗的质量细胞形成的质量==-=≈--=??-=ds dx dt ds dt d Y r r //x s s x x s x s x t 00t s /x Y M Y A x ATP/s s x/s ?=??=TP Y ATP
20 Amino Acids H
nWzg%R&e Glycine (Gly, G) 甘氨酸F6IX n+? Alanine (Ala, A) 丙氨酸is Nr1R6n{ Valine (Val, V) 缬氨酸1,IONN=E% Leucine (Leu, L) 亮氨酸B),W!?YO " Isoleucine (Ile, I) 异亮氨酸D_tPM! A b Phenylalanine (Phe, F) 苯丙氨酸N3"aq|^qP Tyrosine (Tyr, Y) 酪氨酸&b01Y` Tryptophan (Try, Trp, W) 色氨酸txf q" J-u Serine (Ser, S) 丝氨酸;+q0PCw Threonine (Thy, T) 苏氨酸64#V-z Cysteine (CysH, Cys, C) 半胱氨酸Yhb| 发酵过程及优化实验 ——产淀粉酶细菌的优化实验 淀粉酶是一类能催化淀粉糖苷键水解的酶类，作用于淀粉分子产生糊精、低聚糖及葡萄糖等多种产物。而淀粉酶是应用最广的酶制剂之一，占全球酶工业市场份额的25%-33%。淀粉酶广泛分布于动物、植物和微生物有机体中。 目前，已报道的能够产生淀粉酶的微生物种属包括不动杆菌属、微球菌属、黄隐球酵母、盐单胞菌属、青霉菌属、类芽孢杆菌属、链霉素属、假单胞菌属和杆菌菌属等。 实验一培养基的配置、灭菌 一、实验目的 1. 温故配制微生物培养基的原理及配制的一般方法、操作步骤。 2. 了解鉴别性培养基的原理，并掌握配制鉴别性培养基的放到和步骤。 二、实验原理 鉴别性培养基是一类在成分中加有能与目的菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂，从而达到只需用肉眼辨别颜色就能方便地从近似菌落中找出目的菌菌落的培养基。如对于淀粉酶产生菌的筛选，选用的是在含有淀粉的培养基中培养微生物，滴加碘液进行染色，若出现透明圈，则表明该菌能产生胞外淀粉酶。 三、材料和器材 （1）培养基： 普通培养基：牛肉膏3g，蛋白胨10g，NaCl 5g，自来水1000mL，pH7.2~7.4。鉴别型培养基：牛肉膏3g，蛋白胨10g，可溶性淀粉10g，NaCl 5g，琼脂20g，自来水1000mL，pH7.2~7.4。另一个鉴别性培养基加可溶性淀粉15g每1000ml。（2）器皿：电子天平，烧杯，锥形瓶，量筒，培养皿，玻棒，涂布棒，移液管等。 （3）其他：药匙，记号笔，报纸等。 （4）碘原液：称取碘化钾22g，加少量蒸馏水溶解，加入碘11g，溶解后定容至500mL，贮于棕色瓶中。 稀碘液：取碘原液2mL，加碘化钾20g，用蒸馏水定容至500mL，贮于棕色瓶中。 四、方法和步骤 1．配制基本培养基，分装50mL至250mL锥形瓶，供实验菌株扩增。 2．配制鉴别培养基，检测实验菌株是否能产胞外淀粉酶。 补料分批发酵过程控制系统研究 黄 丽，孙玉坤，黄永红, 薛力红 （江苏大学 电气信息工程学院， 江苏 镇江 212013） 摘 要：发酵过程是一个复杂的生化反应过程，笔者从系统的角度分析了补料分批发酵过程的特点及主要影响因素。在此基础上，提出了一套适合于现场的控制策略，设计了一个能够对生物发酵生产过程中的温度、压力、溶解氧、PH值及补料进行自动控制，以Motorola 公司的MC68HC08GP32芯片为核心的计算机控制系统。 关键词：补料分批发酵；温度控制；溶解氧控制；PH值控制；模糊控制 中图分类号：TP273 文献标识码：A Study of Control System About Batch Feed Ferment Process Huang Li, Sun Yukun, Huang Yonghong, Xue Lihong (School of Electrical and Information Engineering , Jiangsu University , Zhenjiang 212013 , China) Abstract: Fermentation is a very complicated biochemistry reaction process. According to the characteristic and central influencing factors, a suit of control system that is adaptive to scene is designed. The system was set up for microbe fermenting and producing process by temperature control , pressure control, DO，PH automatic control and automatic adding nutriment .And MC68HC08GP32 of Motorola is the core of this computer control system. Key words: fed-batch fermentation; temperature; dissolved oxygen; PH; fuzzy control 1 引言 近年来，生物技术迅速发展，生化反应过程，如发酵工业越来越引起科技界、工业界的重视。发酵过程是一个非常复杂的生物化学变化过程，生物发酵有两个核心：一是涉及获得特殊反应或过程所需的最良好的生物细胞（或酶）；二是选择最精良的发酵设备，开发最优技术，创造充分发挥生物细胞（或酶）作用的最佳环境。其中第二个核心部分涉及到微生物细胞发挥作用的系统或反应器方面的问题，其首要问题是提供使微生物能够最优生长、最优形成产物的可控系统和环境。例如，提出各环境参数的控制策略，提供设备设计及仪表装置，以使温度、通气、PH值等物理、化学条件得到有效的维持和控制，从而使微生物细胞呈现出最佳的性能，生成和积累大量产物。 补料分批发酵（fed-batch fermentation）是介于分批发酵和连续发酵之间的过渡类型。这种发酵是指分批发酵中间间歇地或连续地补加一种或多种成分新鲜培养基，但所需产物不到某一时刻不从罐内放出的一种与分批发酵相似的发酵方法。这种方法几乎遍及整个发酵工业，如生产酵母、氨基酸、抗生素、霉制剂、维生素等。它兼有分批发酵和连续发酵的优点，而且克服了两者的缺点，是目前发酵工业中较有代表性的一种发酵工艺。 补料分批发酵过程主要分为以下两个阶段： 准备阶段 包括菌种培养；培养基配制；消毒灭菌。 发酵阶段 包括接种；分批发酵；补料。 基金项目：江苏省高新项目(1191140002) 作者简介：黄丽(1977-)，女，甘肃天水人，教师，主要研究方向：智能控制；孙玉坤（1958-），男，江苏靖江人，教授，博导，主要从事智能控制及应用、电力电子技术应用方面的研究。 发酵工艺优化 从摇瓶试验到中试发酵罐试验的不同之处 1、消毒方式不同，摇瓶是外流蒸汽静态加热（大部分是这样的），发酵罐是直接蒸汽动态加热，部分的是直接和蒸汽混合，会因此影响发酵培养基的质量，体积，PH，透光率等指标。扩大时摇考虑 2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时的菌株损失和菌种的适应性等。 3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面直接接触。发酵罐是和空气混合接触，考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。 4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决的。 5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅拌，对菌株的剪切力较小。发酵罐是直接机械搅拌，注意剪切力的影响和无菌的影响。 6、PH的控制，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补料控制PH，发酵可以直接流加控制PH，比较方便。 7、温度控制，摇瓶是空气直接接触或者传热控制温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控制，注意降温和加热的影响。 8、注意染菌的控制方法不一样，发酵罐根据染菌的周期和染菌的类型等可以采取一些必要的措施减少损失。 9、发酵罐可以取样或者仪表时时检测，但是摇瓶因为量小不能方便的进行控制和检测。 10、原材料不一样，发酵所用原材料比较廉价而且粗旷，工艺控制和摇瓶区别很大等等 发酵工艺中补料的作用 补料分批培养(fed—batch culture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、与传统的分批集中补料培养相比、它有以下优点： (1)可以避免在分批发酵中因—次投料过多造成发酵液环境突变，造成菌丝大量生长等问题，改善发酵液流变等性质，使得发酵过程泡沫得以控制，节省消泡剂，并提高了装罐系数。 (2)可以控制细胞质量，以提高芽抱的比例，并使pH得以稳定。 (3)可以解除底物抑制，产物反馈抑制和分解阻遏。 (4)可以使“放料和补料”方法得以实施。该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后，在发酵液体积测量监控下，放出一部分发酵液，同时连续补充——部分新鲜营养液，实现连续带放、既有利于提高产物产量．又可降低成本，使得发酵指数得以大幅度提高。 (5)利用FBC技术、可以使菌种保持最大的生产力状态．随着传感技术以及对发酵过程动力学理沦深入研究、用模拟复杂的数学模型使在线方式实最优控制成为可能。 连续补料控制目前采用有反馈控制和无反馈控制两种方式。有反馈控制：选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标，例如可以测量、控制发酵液PH、采用定量控制葡萄糖流加。稳定PH在次级代谢最旺盛水平。而无反馈控制FBC是指无固定的反馈参数，以经验和数学模型相结合的办法来操作最优化控制、从而使抗生素发酵产量得以大幅度提高。例如发酵过程中前体的补加。由此可见，要实现对发酵过程的有效控制，就先要解决补科的连续控制问题。 目前国外发酵生产过程连续补料采用：流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、小型电动、气动隔膜调节阀和控制器来实现连续补料控制。菜发酵工厂在中试试验中还成功地运用了电子称加三阀控制的自动补科系统 至于装液量的问题，应该从以下几个方面考虑： 1、保持在你所需要的转速培养情况下（尤其是在后期，菌丝很多时，转速很高时），不能让发酵液把你的塞子湿掉，容易造成染菌。 2、装液量的体积在消毒过程中，不能因为沸腾把塞子湿掉，或者跑出三角瓶，装液量太多会出现这样的情况。很容易染菌。 3、根据你的菌种的情况和发酵液的粘度，需要的混匀程度等等方面也要考虑。 4、建议你做一个梯度试验（40－50－60－70－80等）就可以找到你所需要的装液量。 关于剩余空气的排除在灭菌完毕后（100度左右），立刻用盖子或者其他的用品把你的培养摇瓶盖好，有时候这么点空气根本对兼性厌氧发酵没有什么影响，如果你的菌种要求很严的话，最好用干冰加入已经灭菌的空摇瓶后，立刻用其他的样品培养基分装即可。当然也可以用氮气。最好是二氧化碳。 你可以再查查看是否有其他的方法，我说的也不完全。！！ 发酵工艺优化---现代发酵工业调控策略 发布日期：2010-04-10 来源：[标签:来源] 作者：[标签:作者] 浏览次数：716 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 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。基于此，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。他认为，必须高度重视细胞代谢流分布变化的有关现象，研究细胞代谢物质流与生物 发酵过程中的优化 高望 （兰州理工大学生命科学与工程学院） 摘要：发酵过程优化控制技术是发酵工程的重要技术。综述了近年来微生物发酵过程优化控制技术的研究现状，综合运用微生物反应计量学、生化反应和传递动力学、生物反应器工程及代谢工程理论，(1) 基于微生物反应计量学的培养环境优化技术；(2) 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术；(3) 基于反应动力学模型的优化技术；(4) 基于代谢通量分析的优化技术；(5) 基于系统观点的生物反应系统优化技术；（6）基于环境胁迫的优化技术；（7）基于辅因子调控的优化技术 关键词：发酵过程优化 1 发酵过程优化技术 1.1基于微生物反应计量学的培养环境优化技术 研究微生物从培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，确定不同环境条件对微生物生长和代谢产物分布的影响，进而优化微生物生长的物理和化学环境，保证微生物生长处于最适的环境条件下，为进一步的发酵过程优化奠定基础。：(1) 培养基组成的优化技术。 (2) 发酵环境条件的优化技术。研究表明，培养基中的氮含量与葡 萄糖消耗及丙酮酸积累密切相关。氮源缺乏时, 葡萄糖消耗和丙酮酸生产均受到抑制。在小型反应器流加发酵中采用氨水控制pH 值( 相当于同时提供氮源) , 细胞能够持续、快速地积累丙酮酸。[1]李寅；陈坚；梁大芳营养条件对光滑球拟酵母发酵生产丙酮酸的影响[J]生物工程学报2000,16（2）：225-227 1.2 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术 对分批发酵过程的研究发现，适合微生物生长的温度、pH 值、剪切和溶解氧浓度往往并不一定适合目标产物的形成，提出分阶段溶解氧和搅拌转速控制策略、分阶段温度控制策略及分阶段pH 值控制策略，将环境条件控制在最适合细胞生长或最适合产物合成的水平。研究表明，郑美英等以Ｓｔｒｅｐｔｏｖｅｒｔｉｃｉｌｌｉｕｍｍｏｂａｒａｅｎｓｅ为出菌株，研究了培养中温度控制策略，并在小型发酵罐上进行了验证。得出ＴＧ发酵过程中温度控制策略为：Ｏ～１８ｈ，控制温度为３２℃，１８ｈ后将温度切换到２８℃。采用此温度控制策略在２．５Ｌ小罐上进行ＴＧ发酵，酶活比未控制温度时的最好水平提高了１４%，发酵时间也缩短了６ｈ。由此可见，采用合理的温度控制策略确实能够显著提高ＴＧ的发酵过程中的各项指标。郑美英堵国成陈坚分批发酵生产谷氨酰胺转氨酶的温度控制策略[J]生物工程学报，200,16（6）：759-761 刘延岭，邓林，周昌豹，陈丽微生物发酵生产谷氨酰胺转胺酶的研究进展四川食品与发酵 2004,4：1-4 1.3 基于反应动力学模型的发酵过程优化和控制技术 研究不同目标代谢产物发酵过程的反应动力学，应用统计热力学理论和功能单元扩展理论，建立目标代谢产物分批发酵过程的动力学模型，用龙格库特法求取模型方程数值解，然后用单纯形搜索法或最速下降法寻出动力学模型方程中的最优参数，并对动力学模型的适用性进行评价。基于分批发酵动力学模型，在下列3 个方面已取得一定成果：①采用奇异优化理论，优化透明质酸的流加培养过程，并通过重复操作和优化补料组合发酵模式，显著提高透明质酸的生产强度[23]；②应用最小值原理，分别建立真氧产碱杆菌细胞生长期和聚羟基丁酸合成期底物流加的准优化控制策略，确定以指数速率流加和变速流加相结合的流加操作方式，得到以聚羟基丁酸最大生产强度和最高转化率为目标的准优化控制策略并成功应用[24－25]；③在无反馈控制的情况下，比较了不同流加培养模式对重组大肠杆菌生产谷胱甘肽的影响，发现采用简单的指数速率流加方式即可实现重组大肠杆菌的高密度培养[26]。 1.4 基于代谢通量分析（MFA）的发酵过程优化技术 参考已知的生化反应计量关系和特定微生物的代谢途径和生理代谢特征，构建生物合成特定目标代谢产物的代谢网络。利用代谢通量分析方法，对代谢中间产物进行拟稳态假设，然后通过测定细胞和代谢产物浓度的变化速率，计算得出胞内各条代 谢途径的通量变化。根据代谢通量分析的计算数据，分析特定目标代谢产物，如丙酮酸、透明质酸和生物絮凝剂生物合成途径中主要代谢节点的性质(刚性、弱刚性或弹性)，结合发酵 图表比较分批发酵、连续(流加)发酵与分批补料发酵优缺点? 表一:分批发酵、连续(流加)发酵与分批补料发酵简单比较 呼吸作用与发酵的根本区别在于:电子受体不就是将电子直接传递给底物本身的中间产物,而就是交给电子传递系统,并逐步释放能量后再交给最终的电子受体。 4、发酵过程杂菌污染的途径有哪些？如出现杂菌污染,应如何处理？ 答:发酵过程杂菌污染的途径有1、种子带菌,2、培养基及设备消毒不够,3、设备破损,4、空气系统,5、操作不当(取样、补料、消泡、控制)等。(2分) 如出现杂菌污染,应对染菌时间、种类、染菌规模进行分析根据具体情况处理,(1分)如: 1、种子带杂菌——灭菌,排掉。(0、5分) 2、发酵前期——严重:实消后补种、料。不严重:运转并观察。(0、5分) 3、发酵中期——分析微生物数量、种类、物料性质,再做处理。(0、5分) 4、发酵后期——同中期,并考虑产率与成本关系,考虑放罐。(0、5分) 5、连续发酵有何优缺点？ 答:(1)、设备生产能力大、利用率高、没有中间清洗杀菌、没有发酵适应期。(1分) (2)、连续化、自动化、人平生产率高、成本降低。(1分) (3)、发酵稳定、便于管理。(1分) 缺点:营养利用率略低、控制要求高。(2分) 6、摇瓶提高溶氧方法有哪些？发酵罐提高溶氧方法有哪些？ 答:摇瓶提高溶氧可考虑减小装液比,增加摇床转速,不会造成染菌的情况下减少瓶口砂布层数等方法。(3分)发酵罐提高溶氧的方法有选择合理罐型,增加高径比,适当提高通气量,适当提高搅拌速度(搅拌罐)等方法。(3分) 6、泡沫对发酵有何影响？常用的消泡方法有何优缺点？ 答:泡沫对发酵的影响有:(1)泡沫持久存在,妨碍CO2的排除,影响微生物对氧的吸收,破坏正常生理代谢,不利发酵与生物合成。(2)泡沫大量产生,使发酵罐有效容积大大减少,影响设备利用率。(3)泡沫过多,控制不好,会引起大量跑料,造成浪费与环境污染(4)泡沫升到灌顶,可能从轴封渗出,增加染菌机会(5)泡沫过多也会影响氧传递、通风与搅拌效果。(3分,答出3点以上即可) 化学消泡优点:化学消泡剂来源广泛,消泡效果好作用迅速可靠,用量少,不需改造设备,大小规模适用,易实现自动控制。缺点:消泡剂对微生物生长有毒性。(1分) 物理消泡优点:不用在发酵液中加其她物质,节省原料,减少由于加消泡剂引起的污染机会。缺点:不如化学消泡迅速、可靠,需一定设备及消耗动力,不能从根本上消除引起稳定泡沫的因素。(1分) 7、改变细胞膜通透性的方法有哪些？ 答:(1) 选择生物素缺陷型限制生物素用量,(2) 生物素过量时采用油酸缺陷型菌株,限制油酸用量,(3) 添加含高级脂肪酸的表面活性剂,拮抗脂肪酸的合成,(4)选育甘油缺陷型,限制甘油含量,(5)添加青霉素控制细胞壁后期合成。(每点1分) 基于工业发酵的基本模式,在微生物定向育种与发酵条件控制方面所采取的五字策略就是“进、通、节、堵、出” ①进,促进细胞对碳源营养物质的吸收;②通,使来自上游与各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物; ③节,阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流,使碳架物质相对集中地流向目的产物; ④堵,消除或削弱目的产物进一步代谢的途径; ⑤出,促进目的产物向胞外空间分泌。 五、分析问答题:(15分) 1、在某菌种发酵生产中,最近发现发酵过程中糖氮的消耗减慢了,发酵周期延长了,产品得率下降,试分析可能的原因,并进一步验证与提出解决的办法。 答:经分析很可能发生了菌种衰退。(3分,写出分析的根据) 验证方法:1、显微镜镜检,观察菌种形态上有无发生变异,2、平板培养,观察菌落生长情况,3、摇瓶培养,测定相关生理指标。换过菌种或进行菌种复壮,瞧上述现象就是否消失。(5分) 要解决好菌种衰退问题要做到: (1)做好菌种的保藏工作(5分,回答5点以上即可,每点给1分) A、使菌种在保藏中处于休眠状态,孢子、芽孢。低温、干燥、缺氧、营养缺乏、代谢活动下 发酵工艺优化 发酵工艺优化 从摇瓶试验到中试发酵罐试验的不同之处 1、消毒方式不同，摇瓶是外流蒸汽静态加热（大部分是这样的），发酵罐是直接蒸汽动态加热，部分的是直接和蒸汽混合，会因此影响发酵培养基的质量，体积，PH，透光率等指标。扩大时摇考虑 2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时的菌株损失和菌种的适应性等。 3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面直接接触。发酵罐是和空气混合接触，考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。 4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决的。 5、搅拌方式不同，摇瓶是摇转方式进行混合搅拌，对菌株的剪切力较小。发酵罐是直接机械搅拌，注意剪切力的影响和无菌的影响。 6、PH的控制，摇瓶一般通过碳酸钙和间断补料控制PH，发酵可以直接流加控制PH，比较方便。 7、温度控制，摇瓶是空气直接接触或者传热控制温度，但是发酵罐是蛇罐或者夹套水降温控制，注意降温和加热的影响。 8、注意染菌的控制方法不一样，发酵罐根据染菌的周期和染菌的类型等可以采取一些必要的措施减少损失。 9、发酵罐可以取样或者仪表时时检测，但是摇瓶因为量小不能方便的进行控制和检测。 10、原材料不一样，发酵所用原材料比较廉价而且粗旷，工艺控制和摇瓶区别很大等等 发酵工艺中补料的作用 补料分批培养(fed—batch culture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、与传统的分批集中补料培养相比、它有以下优点： (1)可以避免在分批发酵中因—次投料过多造成发酵液环境突变，造成菌丝大量生长等问题，改善发酵液流变等性质，使得发酵过程泡沫得以控制，节省消泡剂，并提高了装罐系数。 (2)可以控制细胞质量，以提高芽抱的比例，并使pH得以稳定。 (3)可以解除底物抑制，产物反馈抑制和分解阻遏。 (4)可以使“放料和补料”方法得以实施。该方法在发酵后期、产生了一定数量代谢产物后，在发酵液体积测量监控下，放出一部分发酵液，同时连续补充——部分新鲜营养液，实现连续带放、既有利于提高产物产量．又可降低成本，使得发酵指数得以大幅度提高。 (5)利用FBC技术、可以使菌种保持最大的生产力状态．随着传感技术以及对发酵过程动力学理沦深入研究、用模拟复杂的数学模型使在线方式实最优控制成为可能。 连续补料控制目前采用有反馈控制和无反馈控制两种方式。有反馈控制：选择与过程直接关系的可检测参数作为控制指标，例如可以测量、控制发酵液PH、采用定量控制葡萄糖流加。稳定PH在次级代谢最旺盛水平。而无反馈控制FBC是指无固定的反馈参数，以经验和数学模型相结合的办法来操作最优化控制、从而使抗生素发酵产量得以大幅度提高。例如发酵过程中前体的补加。由此可见，要实现对发酵过程的有效控制，就先要解决补科的连续控制问题。 目前国外发酵生产过程连续补料采用：流量计(电磁流量计、液体质量流量计)、小型电动、气动隔膜调节阀和控制器来实现连续补料控制。菜发酵工厂在中试试验中还成功地运用了电子称加三阀控制的自动补科系统 微生物发酵过程优化控制技术进展 摘要发酵工程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。在发酵工程领域，为了提高发酵水平和生产率，更多的研究工作集中在菌种的筛选和改造上。随着生物科学技术的发展，基因工程与代谢工程研究领域都出现了长足的进步与发展，利用基因重组与诱发等技术可以实现高产菌株普遍生产。但只有通过发酵过程的优化控制，才能实现产品质量最高、生产力最大、成本消耗最低的生产过程，因此对微生物发酵过程的优化控制成为发酵工程中研究人员日益关注的焦点。 关键词微生物发酵；影响因素；优化控制技术 1 培养基对发酵的影响 1.1 发酵培养基碳源和氮源的选择 碳源用于提供微生物能量来源、构建细胞以及形成产物。碳源包括单糖、双糖、多糖、天然复合物、油脂等，比如葡萄糖、蔗糖、淀粉以及豆油等。氮源是微生物蛋白质和其他含氮有机物的重要来源，与此同时，氮源也参与形成含氮产物。氮源包括无机氮源以及有机氮源，比如氨盐、硝酸盐、蛋白胨以及豆粉等。 1.2 发酵培养基中无机盐对发酵的影响 无机盐对代谢产物的生成及微生物的正常生长都具有相当重要的影响。在微生物的生长代谢过程中，磷参与了微生物细胞中核酸等辅酶的构成，是微生物能量代谢、生长的重要因素之一。在苏云金芽泡杆菌的发酵产物苏云金素的分子结构中包含磷酸根，所以在其发酵培养基中添加更多磷酸盐，更有利于产物苏云金素的合成。钙离子在微生物发酵过程中的主要作用是调节细胞的生理状态，比如说维持细胞的胶体状态、降低细胞膜的通透性等。与此同时，在大多数发酵培养基里面，添加适量的CaCO3，能够对发酵液含菌量的变化起到相当明显的影响，其主要原因是CaCO3的添加对发酵液的pH具有非常良好的缓冲作用，从而大大改善了菌体的生长环境。镁元素是许多酶的催化剂。锰、锌、铁、钼以及钴等元素是微生物所需要的微量元素[1]。 2 培养条件对发酵的影响 2.1 种子质量对发酵的影响 在发酵培养基中接入合适的接种量以及种龄适宜的优质种子液，能够使目标微生物更加迅速地进入到对数生长期，从而使发酵周期大大地减短，进而促使产物质量得以有效提升。如果种龄过长则会直接导致菌体过早的发生衰退，菌体的生产能力也随之而有一定程度的下降；如果种龄过短，则会直接导致菌体生长缓慢，产物合成时间大大推迟。若接种量过小，那么便会使得菌体细胞的生长量变发酵过程及优化实验
补料分批发酵过程控制系统研究 黄 丽,孙玉坤,黄永红, 薛力红
发酵工艺优化
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发酵过程中的优化
分批发酵、连续流加发酵和分批补料发酵优缺点比较
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微生物发酵过程优化控制技术进展
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