发酵罐系统中补料的作用
时间：2020.09.25
目前，补料工艺已是工业发酵领域中研究较多、应用较广的技术之一，一般是在发酵进行至大宗生成产品的阶段，因合成产品和维持细胞运动的需要，有选择地增补营养物质 。合适的补料工艺能够有效地控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产品积累的偏向生长 。本文对补料工艺特点、补料原则、补料动力学和补料控制理论等问题进行综述 。
补料发酵补加的营养物质大致有五类:
①增补菌体所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等 ；
②增补菌体所需氮源，如卵白胨、豆饼粉、玉米浆、酵母粉和尿素等有机氮源，有些发酵还接纳通入氨气或添加氨水等 ；
③加入某些菌体生长代谢所需的微量元素和无机盐，如磷酸盐、硫酸盐等 ；
④关于产诱导酶的微生物，常在补料中适当加入该酶的作用底物，以提高酶的产量 ；
⑤对一些抗生素发酵，往往需要增补抗生素形成的前体 。
补料的作用
（1）有利于菌体的高密度培养：高密度发酵的生物量可达60 ～150g/L , 需投入2 ～ 5 倍于生物量的营养物 。所以，若将所有的补料一次加到培养基中，过高浓度的营养物势必造成菌体代谢的紊乱，体现为迟滞期延长，比生长速率降低，得率下降 ；
（2）降低培养基中有毒底物对菌体生长的抑制有些发酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物质作为培养基身分，这些物质纵然在较低浓度下，也会对微生物生长爆发抑制作用 。而通过补料，可减小抑制作用 ；
（3）解除高浓度营养物和剖析代谢物引起的阻遏作用：葡萄糖剖析代谢物可阻遏包括纤维素酶、卵白酶、淀粉酶、转化酶以及氨基酸合成酶等酶的合成 。通过补料来控制菌体生长速率以使酶的合成明显去阻遏 ；通过补料还可以减小剖析代谢爆发的乙醇、甲酸、乳酸等副产品对菌体生长的倒运影响 ；
（4）维持有利的发酵条件：发酵历程中经常爆发 pH 值的变革，直接加酸或加碱可以快速调解酸碱度，而通过补加碳源或氮源，可以缓慢而根外地调解 pH 值 。关于好氧发酵， 一次性投糖过多会造成细胞生长过快，快速消耗氧气，而通例的通风搅拌无法满足供氧需求 。补料可以缓解该矛盾，别的，补料还可调解发酵液粘度、氧通报系数等物性参数, 改善发酵情况，有利于细胞生长和产品合成 。
无反响控制补料方法有三种：恒速补料、变速补料和指数补料
（1）恒速补料
在恒速补料发酵中，以预先设定的恒定速率补加限制性营养物 。相对菌体来说，营养物浓度是逐渐降低的，菌体比生长速率也是下降的，而菌体总量是线性增加的 。恒速补料在一定水平上满足了菌体对养料的需要，制止了营养物抑制，但这种要领往往只是凭据一个参数指标控制的 。这类操作常见于早期报道 ；
（2）变速补料
变速补料是在培养历程中补加速率以梯度、阶段或线性等方法不绝增加 。它可以在菌体浓度较高的情况下加入更多营养物来增进细胞的生长，实现细胞比生长速率不绝增加，有利于产品的形成 。尽管比较粗糙，但要优于恒速补加法 ；
（3）指数补料
指数补料是一种简单而行之有效的要领 。补加速率呈指数增加，它能够使反应器中营养物浓度控制在较低的水平，而使菌体的比生长速率为恒定值，菌体密度呈指数增加 。指数补料较好地配合菌体的生长历程，又不需要特别庞大的仪器，因而受到了较多的重视 。
反响控制补料
实际发酵历程� ；嵊朐ど枥逃衅�,，如果能实时地纠正偏差，就可使反应朝预定偏向进行，不然将很难抵达预期的目标 。反响控制补料就是在发酵历程中对反应器内的营养物浓度、产品浓度以及细胞浓度等参数进行实时或在线检测和控制 。
中间补料的前提就是了解发酵参数与微生物代谢、营养物利用以及产品形成之间的关系，选择恰当的反响控制参数 � ？煽刂频牟问兄苯诱闪坎问图浣诱闪坎问� 。直接丈量参数为温度、pH 、溶解氧浓度、光密度、营养物浓度、压力和尾气身分等，它们均可用仪器设备直接丈量 。间接丈量参数包括比生长速率、菌体细胞浓度、摄氧率、氧气转移率、二氧化碳增长率和呼吸商等 。它们可用一个或多个直接丈量参数值评估或盘算获得 。
（1）简单反响控制(又称简单循环法)补料
此法控制与营养物利用相偶联的pH 或溶解氧浓度等参数，使之坚持恒定 。例如，预先设定pH恒定值，发酵中菌体代谢爆发酸性物质或铵，使pH值爆发改变，从而启动控制开关，开始补料，pH恢复至恒定值 ；以溶解氧浓度作为补料开关则是凭据培养基中某种要害营养物(主要是碳源)消耗，会导致溶解氧浓度迅速改变 。该要领操作较为简单，但带有经验性，易滞后 ；
（2）凭据营养物摄取或需求量来控制补料
就是在线检测培养基中营养物浓度，通过补料将营养物控制在设定值内 。这类要领在补料控制中常见，控制的工具往往是葡萄糖浓度 ；
（3）凭据比生长速率来控制补料
菌体的比生长速率μ越大，说明该微生物生长得越快，消耗营养物越多 ；
（4）凭据尾气身分剖析来控制补料
营养物的利用通常陪同着CO2 等气体的释放 。 测定出口气体，类似于剖析营养物，也能用来控制补料速率 ；
（5）凭据细胞形态学控制补料
在一些微生物培养时，细胞形态学变革与培养条件(如溶解氧浓度, 剪切速度, 培养基身分密切相关) ；
（6）神经网络控制补料
人工神经网络控制就是模拟人类大脑的运行机制，接纳处理单位取代神经元，依靠贮存于处理单位之间相互关联的信息实现控制 � ？山幽烧庖荒Ｐ屠丛けǚ⒔妥刺欠裾�，预测发酵阶段，预测代谢状态、产品、营养物浓度和种种抑制状态的爆发等 ；
（7）模糊控制的补料
发酵中的可测参数与生物的生长和代谢之间，难以用确切的数学关系来描述，而用隶属函数来描述它们的模糊关系似乎越发恰当 。当通例检测和控制要领难以精确地反应系统的运行状态时，模糊控便可应用到控制历程 。模糊控制是工程师的经验与上述相关控制要领结合的产品，或者完成是经验的产品 。
补料发酵补加的营养物质大致有五类:
①增补菌体所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等 ；
②增补菌体所需氮源，如卵白胨、豆饼粉、玉米浆、酵母粉和尿素等有机氮源，有些发酵还接纳通入氨气或添加氨水等 ；
③加入某些菌体生长代谢所需的微量元素和无机盐，如磷酸盐、硫酸盐等 ；
④关于产诱导酶的微生物，常在补料中适当加入该酶的作用底物，以提高酶的产量 ；
⑤对一些抗生素发酵，往往需要增补抗生素形成的前体 。
（1）有利于菌体的高密度培养：高密度发酵的生物量可达60 ～150g/L , 需投入2 ～ 5 倍于生物量的营养物 。所以，若将所有的补料一次加到培养基中，过高浓度的营养物势必造成菌体代谢的紊乱，体现为迟滞期延长，比生长速率降低，得率下降 ；
（2）降低培养基中有毒底物对菌体生长的抑制有些发酵需要利用甲醇、醋酸和苯酚等有毒物质作为培养基身分，这些物质纵然在较低浓度下，也会对微生物生长爆发抑制作用 。而通过补料，可减小抑制作用 ；
（3）解除高浓度营养物和剖析代谢物引起的阻遏作用：葡萄糖剖析代谢物可阻遏包括纤维素酶、卵白酶、淀粉酶、转化酶以及氨基酸合成酶等酶的合成 。通过补料来控制菌体生长速率以使酶的合成明显去阻遏 ；通过补料还可以减小剖析代谢爆发的乙醇、甲酸、乳酸等副产品对菌体生长的倒运影响 ；
（4）维持有利的发酵条件：发酵历程中经常爆发 pH 值的变革，直接加酸或加碱可以快速调解酸碱度，而通过补加碳源或氮源，可以缓慢而根外地调解 pH 值 。关于好氧发酵， 一次性投糖过多会造成细胞生长过快，快速消耗氧气，而通例的通风搅拌无法满足供氧需求 。补料可以缓解该矛盾，别的，补料还可调解发酵液粘度、氧通报系数等物性参数, 改善发酵情况，有利于细胞生长和产品合成 。
无反响控制补料方法有三种：恒速补料、变速补料和指数补料
（1）恒速补料
在恒速补料发酵中，以预先设定的恒定速率补加限制性营养物 。相对菌体来说，营养物浓度是逐渐降低的，菌体比生长速率也是下降的，而菌体总量是线性增加的 。恒速补料在一定水平上满足了菌体对养料的需要，制止了营养物抑制，但这种要领往往只是凭据一个参数指标控制的 。这类操作常见于早期报道 ；
（2）变速补料
变速补料是在培养历程中补加速率以梯度、阶段或线性等方法不绝增加 。它可以在菌体浓度较高的情况下加入更多营养物来增进细胞的生长，实现细胞比生长速率不绝增加，有利于产品的形成 。尽管比较粗糙，但要优于恒速补加法 ；
（3）指数补料
指数补料是一种简单而行之有效的要领 。补加速率呈指数增加，它能够使反应器中营养物浓度控制在较低的水平，而使菌体的比生长速率为恒定值，菌体密度呈指数增加 。指数补料较好地配合菌体的生长历程，又不需要特别庞大的仪器，因而受到了较多的重视 。
实际发酵历程� ；嵊朐ど枥逃衅�,，如果能实时地纠正偏差，就可使反应朝预定偏向进行，不然将很难抵达预期的目标 。反响控制补料就是在发酵历程中对反应器内的营养物浓度、产品浓度以及细胞浓度等参数进行实时或在线检测和控制 。
中间补料的前提就是了解发酵参数与微生物代谢、营养物利用以及产品形成之间的关系，选择恰当的反响控制参数 � ？煽刂频牟问兄苯诱闪坎问图浣诱闪坎问� 。直接丈量参数为温度、pH 、溶解氧浓度、光密度、营养物浓度、压力和尾气身分等，它们均可用仪器设备直接丈量 。间接丈量参数包括比生长速率、菌体细胞浓度、摄氧率、氧气转移率、二氧化碳增长率和呼吸商等 。它们可用一个或多个直接丈量参数值评估或盘算获得 。
此法控制与营养物利用相偶联的pH 或溶解氧浓度等参数，使之坚持恒定 。例如，预先设定pH恒定值，发酵中菌体代谢爆发酸性物质或铵，使pH值爆发改变，从而启动控制开关，开始补料，pH恢复至恒定值 ；以溶解氧浓度作为补料开关则是凭据培养基中某种要害营养物(主要是碳源)消耗，会导致溶解氧浓度迅速改变 。该要领操作较为简单，但带有经验性，易滞后 ；
（2）凭据营养物摄取或需求量来控制补料
就是在线检测培养基中营养物浓度，通过补料将营养物控制在设定值内 。这类要领在补料控制中常见，控制的工具往往是葡萄糖浓度 ；
（3）凭据比生长速率来控制补料
菌体的比生长速率μ越大，说明该微生物生长得越快，消耗营养物越多 ；
（4）凭据尾气身分剖析来控制补料
营养物的利用通常陪同着CO2 等气体的释放 。 测定出口气体，类似于剖析营养物，也能用来控制补料速率 ；
（5）凭据细胞形态学控制补料
在一些微生物培养时，细胞形态学变革与培养条件(如溶解氧浓度, 剪切速度, 培养基身分密切相关) ；
（6）神经网络控制补料
人工神经网络控制就是模拟人类大脑的运行机制，接纳处理单位取代神经元，依靠贮存于处理单位之间相互关联的信息实现控制 � ？山幽烧庖荒Ｐ屠丛けǚ⒔妥刺欠裾�，预测发酵阶段，预测代谢状态、产品、营养物浓度和种种抑制状态的爆发等 ；
（7）模糊控制的补料
发酵中的可测参数与生物的生长和代谢之间，难以用确切的数学关系来描述，而用隶属函数来描述它们的模糊关系似乎越发恰当 。当通例检测和控制要领难以精确地反应系统的运行状态时，模糊控便可应用到控制历程 。模糊控制是工程师的经验与上述相关控制要领结合的产品，或者完成是经验的产品 。
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