流加发酵与高密度培养

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1、流加发酵与高密度培养流加发酵所谓流加发酵，即补料分批发酵(Fed-batchfermentation)，有时又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批发酵过程中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵方法分批、连续、流加操作方式的比较流加发酵的研究进展在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加1973年日本学者Yoshida等人首次提出了“Fed-BatchFermentation”这个术语，并从理论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究才开始进入理论

2、研究阶段流加发酵所取得的三个方面的重大进展20世纪70年代中后期对流加发酵过程的动力学解析结合发酵过程的可测参数对流加过程进行反馈控制（如DO法、CO2法、RQ(呼吸商)法、pH法、代谢物法、萤光法等）流加发酵的最优化研究流加发酵最优化研究的核心问题是找出最佳的底物流加方式，以维持发酵过程始终处于最佳状态流加发酵最优化的研究内容包括：（1）状态方程的建立（2）目标泛函的确定（3）最优化底物流加方式的求解流加发酵的物料衡算式可以表达为：流加发酵的最优化理论有：格林原理、庞特里金最小值(最大值)原理等在采用流加发酵技

3、术之前要考虑的两个问题一、何时采用流加发酵方式？二、如何进行底物的流加？一、何时采用流加发酵方式？所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制作用高菌体浓度培养即高密度培养系统非生长耦联性次级代谢产物(如产物的合成需要某些营养物质或前体)利用营养突变体的系统(过量加入营养物只能使菌体迅速生长，而目的代谢产物的产量会减少。而当营养物严重缺乏时，菌体生长受抑制，代谢产物的产量也会减小)营养缺陷型菌株的培养二、如何进行流加发酵操作？1.流加发酵类型2.采用流加发酵应该解决的关键问题？3.流加发酵过程中某些重要参数的确定4.合适的

4、流加发酵类型的确定5.流加方式的应用1.流加发酵类型流加发酵的分类类别流加方式无反馈控制反馈控制恒流量流加、变流量流加和间歇流加直接控制流加、间接控制流加定值控制流加、程序控制流加、最优控制流加2.采用流加发酵应该解决的关键问题(1)流加什么物质？①补充微生物能源和碳源，如在发酵液中添加葡萄糖、饴糖、液化淀粉。作为消泡剂的天然油脂，有时也能同时起到补充碳源的作用②补充菌体所需要的氮源，有机氮或氨水③加入某些微生物生长或合成需要的微量元素或无机盐④加入酶合成诱导物或前体物质(2)如何流加？a.底物流加速率b.流加开

5、始时间及总流加时间c.需控制的底物浓度3.流加发酵过程中某些重要参数的确定最佳底物浓度的确定(包括菌体生长阶段和产物合成阶段)b.底物的消耗速率c.菌体比生长速率()d.菌体对底物的产率系数(Yx/s)及产物对底物的产率系数(Yp/s)4.合适的流加发酵类型的确定a.恒速流加(包括单一速率和分阶段恒速流加)b.指数速率流加c.底物在线测定后的反馈流加(如葡萄糖反馈流加)d.pH-state.DO-stat5.流加方式的应用(1)恒速流加采用恒流速流加培养时，可得到如下的物料平衡方程式：细胞平衡：碳平衡：产物平衡

6、：体积平衡：恒流速流加过程中的流量F的确定：预试验中所得出的流加时刻菌体对所流加基质的消耗速率发酵液中残留基质浓度流加后需要控制的发酵液中的基质浓度(2)指数速率流加在菌体生长阶段采用指数速率流加法的几点假设如下：(a)发酵罐内为理想混合；(b)葡萄糖为唯一限制性碳源；(c)残留菌体对葡萄糖的产率系数(YX/s)为常数；(d)菌体生长遵循Monod方程。对底物葡萄糖进行衡算，则：F为体积流加速率(L/h)，S0为流加液中基质浓度(g/L)，Yx/s为菌体对底物的产率系数(g/g)，ms为细胞比维持系数(g/g/h

7、)，X为菌体浓度(g/L)，V为培养液体积(L)，μ为菌体比生长速率(h-1)。对菌体量的变化进行物料衡算，则：假定为常数，则上式积分可得：由于生长符合Monod方程μ是S的函数，要使μ恒定，S必须恒定，则有：其中tF为开始指数速率流加的时间，t≥tF，XF和VF分别为tF时刻的菌体浓度和发酵液体积指数速率流加的速率F的表达式为:指数速率流加方式在实际过程中的注意事项：方程中各参数要预先求知应用时流加速率F可采用阶梯递增方式进行设定微生物的高细胞密度培养概述发酵研究和工业的一个主要目标是使体积生产率（g/L•h

8、）最大化，即在给定体积中和一定时间内获得尽可能多的产品数量。高细胞密度培养是高生产效率的要求。历史上，高细胞密度培养首先建立在酵母上，用以生产单细胞蛋白、乙醇和菌体。后来，建立起其它的嗜温菌的高密度培养，生产各种类型产品。甲基营养生物的高密度培养导致了聚羟基烷酸的高效生产。如今，微生物的高细胞密度培养的范畴已包括细菌、古细菌和真核生物（酵母）。概述微生物DCW（g/l）细