第一章绪论 第一节发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容 、发酵过程优化在生物工业中的地位 发酵过程优化的研究内容 第二节发酵过程优化的研究进展. 、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之 二、流加发酵 三、高生产率和高细胞密度发酵
第一章 绪论................................................................................................................... 0 第一节 发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容......................................... 1 一、发酵过程优化在生物工业中的地位.............................................................. 1 二、发酵过程优化的研究内容............................................................................ 1 第二节 发酵过程优化的研究进展............................................................................ 3 一、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之一............................................. 3 二、流加发酵..................................................................................................... 4 三、高生产率和高细胞密度发酵......................................................................... 8
第一章绪论 第一节发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容 、发酵过程优化在生物工业中的地位 20世纪70年代以重组DNA技术为标志的现代生物技术的诞生,意味着人们可以直接 操纵细胞的遗传机制,使之为人类的需要服务,这就从根本上扩大了生物系统的应用范围 现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、药物的过程中发挥重要的作用,还能经 济、清洁地生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊化学品,在解决人类面临的人 口、粮食、健康、环境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 然而,生物技术要真正造福于人类,必须走产业化的道路,这意味着仅仅依靠重组DNA 技术或其它改造生物系统的技术是不够的。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)。现代生物技术已经把过程优化作为一项重要研究内容来对待。 发酵是生物技术产业化的基础。为了追求经济效益,发酵工厂的规模不断扩大,由于反 应器结构不当或控制不合理引起的投资风险也急剧增加。要规避这种风险,就必须首先在实 验室中对发酵过程优化进行研究,特别是生物反应宏观动力学和生物反应器的研究。简而言 之,生物反应动力学是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用,诸如生物反应器中 发生的细胞生长、产物生成、传递过程等。生物反应动力学研究的目的是为描述细胞动态行 为提供数学依据,以便进行数量化处理。生物反应宏观动力学是发酵过程优化的基础。生物 反应器则是发酵过程的外部环境,反应器类型对发酵过程的效率及发酵过程优化的难易程度 影响很大。发酵过程优化的目标就是使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条 件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化,并对这些条件和相互关系进行优 化,使之最适于特定发酵过程的进行。 二、发酵过程优化的研究内容 发酵过程和化工过程最主要的不同之处在于发酵过程有微生物参与进行。微生物作为有 生命的一种物质,其行为与化学催化剂相比更加难以控制,因而导致某些发酵过程参数难以 检测,过程可控性也比化工过程有所下降。因此,如何把发酵过程模型化的概念和一些微生 物生理学的基本问题结合起来已经成为生化工程学者在进行发酵过程优化研究时的主要问 题之一。因为只有了解了微生物的生理生化特性,才能更好地驾驭微生物使之造福于人类。 发酵过程通常在一个特定的反应器中进行,由于微生物反应是自催化反应,故而其自身 也是反应器,所有要从细胞这个微反应器中出来的物质都必须通过细胞和环境之间的边界 线,使得所有在细胞体内(即生物相)所发生的反应都与环境状况(即非生物相)密切联系在 起。实际的生物反应系统是一个非常复杂的三相系统,即气相、液相和固相的混合体,且三 相间的浓度梯度相差很大,达几个数量级。要对如此复杂的系统进行优化研究,必须作大量 的假设使问题得以简化,因为有关生物反应的单个步骤、进/出细胞物质的传递以及反应器 内的混合等问题的研究已经相当成熟,如果能通过适当的假设使复杂的反应过程简化至能够 进行定量讨论的程度,一般来说就能够实现反应过程的优化。 发酵过程优化主要涉及四个方面的研究内容。 第一个方面是细胞生长过程( cell growth reaction)研究。如果不了解微生物的生理特性和
1 第一章 绪论 第一节 发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容 一、发酵过程优化在生物工业中的地位 20 世纪 70 年代以重组 DNA 技术为标志的现代生物技术的诞生，意味着人们可以直接 操纵细胞的遗传机制，使之为人类的需要服务，这就从根本上扩大了生物系统的应用范围。 现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、药物的过程中发挥重要的作用，还能经 济、清洁地生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊化学品，在解决人类面临的人 口、粮食、健康、环境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用。 然而，生物技术要真正造福于人类，必须走产业化的道路，这意味着仅仅依靠重组 DNA 技术或其它改造生物系统的技术是不够的。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)。现代生物技术已经把过程优化作为一项重要研究内容来对待。 发酵是生物技术产业化的基础。为了追求经济效益，发酵工厂的规模不断扩大，由于反 应器结构不当或控制不合理引起的投资风险也急剧增加。要规避这种风险，就必须首先在实 验室中对发酵过程优化进行研究，特别是生物反应宏观动力学和生物反应器的研究。简而言 之，生物反应动力学是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用，诸如生物反应器中 发生的细胞生长、产物生成、传递过程等。生物反应动力学研究的目的是为描述细胞动态行 为提供数学依据，以便进行数量化处理。生物反应宏观动力学是发酵过程优化的基础。生物 反应器则是发酵过程的外部环境，反应器类型对发酵过程的效率及发酵过程优化的难易程度 影响很大。发酵过程优化的目标就是使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条 件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些条件和相互关系进行优 化，使之最适于特定发酵过程的进行。 二、发酵过程优化的研究内容 发酵过程和化工过程最主要的不同之处在于发酵过程有微生物参与进行。微生物作为有 生命的一种物质，其行为与化学催化剂相比更加难以控制，因而导致某些发酵过程参数难以 检测，过程可控性也比化工过程有所下降。因此，如何把发酵过程模型化的概念和一些微生 物生理学的基本问题结合起来已经成为生化工程学者在进行发酵过程优化研究时的主要问 题之一。因为只有了解了微生物的生理生化特性，才能更好地驾驭微生物使之造福于人类。 发酵过程通常在一个特定的反应器中进行，由于微生物反应是自催化反应，故而其自身 也是反应器，所有要从细胞这个微反应器中出来的物质都必须通过细胞和环境之间的边界 线，使得所有在细胞体内(即生物相)所发生的反应都与环境状况(即非生物相)密切联系在一 起。实际的生物反应系统是一个非常复杂的三相系统，即气相、液相和固相的混合体，且三 相间的浓度梯度相差很大，达几个数量级。要对如此复杂的系统进行优化研究，必须作大量 的假设使问题得以简化，因为有关生物反应的单个步骤、进/出细胞物质的传递以及反应器 内的混合等问题的研究已经相当成熟，如果能通过适当的假设使复杂的反应过程简化至能够 进行定量讨论的程度，一般来说就能够实现反应过程的优化。 发酵过程优化主要涉及四个方面的研究内容。 第一个方面是细胞生长过程(cell growth reaction)研究。如果不了解微生物的生理特性和
胞内的生化反应,研究反应动力学是没有意义的,更谈不上发酵过程优化。因此,细胞生长 反应的研究是发酵过程优化的重要基础内容。研究细胞的生长反应,不仅要清楚地了解微生 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,还要确定 不同环境条件下微生物的代谢产物分布 第二个方面是微生物反应的化学计量。微生物利用底物进行生长,同时合成代谢产物, 底物中的含碳物质作为能源,和氮源一起促进细胞内的合成反应。理论上,所有投入的碳和 氮都可以在生物反应器的排出物—一菌体细胞、剩余底物以及代谢产物中找到,因此,微生 物反应的化学计量似乎是件很容易的事情,然而事实并非如此。缺少传感器,在生化系统中 进行连续检测的困难,或者由于对微生物的生理特性缺乏深入的认识而导致遗漏了代谢产 物,这些都会使得发酵过程的质量衡算很难进行。而对来自工业研究的动力学数据进行质量 衡算则更困难。对微生物反应进行化学计量和质量衡算的优越性在于:即使没有任何有关该 微生物反应动力学的参考资料,运用基于化学计量关系的代谢通量分析方法,仍可以提出该 微生物代谢途径的可能改善方向,为过程优化奠定基础 发酵过程优化涉及的第三个方面的内容是生物反应动力学。生物反应动力学是发酵过程 优化研究的核心内容,主要研究生物反应速率及其影响因素。发酵过程的生物反应动力学 般指微生物反应的本征动力学或微观动力学,即在没有反应器结构、形式及传递过程等工程 因素的影响时,微生物反应固有的反应速率。除了反应本身的性质外,该反应速率只与各反 应组分的浓度、温度及溶剂性质有关。在一定反应器内检测到的反应速率即总反应速率及其 影响因素,属于宏观动力学研究范畴。根据宏观动力学及其对反应器空间和反应时间的积分 结果,可推算达到预计反应程度(转化率或产物浓度)所需要的反应时间和反应器容积,从而 进行反应器设计。建立动力学模型的目的就是为了模拟实验过程,对适用性很强的动力学模 型,还可以推测待测数据,进而确定最佳生产条件。 发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立。如果把细胞视为单组分,则环境的变 化对细胞组成的影响可被忽略,在此基础上建立的模型称为非结构模型。非结构模型是在实 验研究的基础上,通过物料衡算建立起经验或半经验的关联模型。它是原始数据的拟合,可 以体现主要底物浓度的影响,大多数稳态微生物反应都能用相当简单的非结构模型来描述, 但只有当细胞内各种成分均以相同的比例增加,即所谓平衡生长状态时才能这样处理。如果 由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同,即细胞生长处于非均衡状态 时,非结构模型对外推范围可能有所出入,此时就必须运用从生物反应机理出发推导得到的 结构模型。在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型,称为结构模型。在结构模型中,一般 选取RNA,DNA,糖类及蛋白质的含量作为过程变量,将其表示为细胞组成的函数。但是 由于细胞反应过程及其复杂,加上检测手段的限制,以至缺乏可直接用于在线确定反应系统 状态的传感器,给动力学研究带来了困难,致使结构模型的应用受到了限制。 第四个方面的内容是生物反应器工程,包括生物反应器及参数的检测与控制。生物反应 器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等是影响微生物反应宏 观动力学的重要因素。在工程设计中,化学计量式、微生物反应和传递现象都是需要解决的 问题。参数检测与控制是发酵过程优化最基本的手段,只有及时检测各种反应组分浓度的变 化,才有可能对发酵过程进行优化,使生物反应在最佳状态下进行。限于篇幅,生物反应器 工程不是本书讨论的重点,感兴趣的读者可以参考德国学者卡尔许格尔著的《生物反应工
2 胞内的生化反应，研究反应动力学是没有意义的，更谈不上发酵过程优化。因此，细胞生长 反应的研究是发酵过程优化的重要基础内容。研究细胞的生长反应，不仅要清楚地了解微生 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，还要确定 不同环境条件下微生物的代谢产物分布。 第二个方面是微生物反应的化学计量。微生物利用底物进行生长，同时合成代谢产物， 底物中的含碳物质作为能源，和氮源一起促进细胞内的合成反应。理论上，所有投入的碳和 氮都可以在生物反应器的排出物——菌体细胞、剩余底物以及代谢产物中找到，因此，微生 物反应的化学计量似乎是件很容易的事情，然而事实并非如此。缺少传感器，在生化系统中 进行连续检测的困难，或者由于对微生物的生理特性缺乏深入的认识而导致遗漏了代谢产 物，这些都会使得发酵过程的质量衡算很难进行。而对来自工业研究的动力学数据进行质量 衡算则更困难。对微生物反应进行化学计量和质量衡算的优越性在于∶即使没有任何有关该 微生物反应动力学的参考资料，运用基于化学计量关系的代谢通量分析方法，仍可以提出该 微生物代谢途径的可能改善方向，为过程优化奠定基础。 发酵过程优化涉及的第三个方面的内容是生物反应动力学。生物反应动力学是发酵过程 优化研究的核心内容，主要研究生物反应速率及其影响因素。发酵过程的生物反应动力学一 般指微生物反应的本征动力学或微观动力学，即在没有反应器结构、形式及传递过程等工程 因素的影响时，微生物反应固有的反应速率。除了反应本身的性质外，该反应速率只与各反 应组分的浓度、温度及溶剂性质有关。在一定反应器内检测到的反应速率即总反应速率及其 影响因素，属于宏观动力学研究范畴。根据宏观动力学及其对反应器空间和反应时间的积分 结果，可推算达到预计反应程度(转化率或产物浓度)所需要的反应时间和反应器容积，从而 进行反应器设计。建立动力学模型的目的就是为了模拟实验过程，对适用性很强的动力学模 型，还可以推测待测数据，进而确定最佳生产条件。 发酵过程优化涉及非结构模型和结构模型的建立。如果把细胞视为单组分，则环境的变 化对细胞组成的影响可被忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。非结构模型是在实 验研究的基础上，通过物料衡算建立起经验或半经验的关联模型。它是原始数据的拟合，可 以体现主要底物浓度的影响，大多数稳态微生物反应都能用相当简单的非结构模型来描述， 但只有当细胞内各种成分均以相同的比例增加，即所谓平衡生长状态时才能这样处理。如果 由于细胞内各组分的合成速率不同而使各组分增加的比例不同，即细胞生长处于非均衡状态 时，非结构模型对外推范围可能有所出入，此时就必须运用从生物反应机理出发推导得到的 结构模型。在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结构模型。在结构模型中，一般 选取 RNA，DNA，糖类及蛋白质的含量作为过程变量，将其表示为细胞组成的函数。但是， 由于细胞反应过程及其复杂，加上检测手段的限制，以至缺乏可直接用于在线确定反应系统 状态的传感器，给动力学研究带来了困难，致使结构模型的应用受到了限制。 第四个方面的内容是生物反应器工程，包括生物反应器及参数的检测与控制。生物反应 器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等是影响微生物反应宏 观动力学的重要因素。在工程设计中，化学计量式、微生物反应和传递现象都是需要解决的 问题。参数检测与控制是发酵过程优化最基本的手段，只有及时检测各种反应组分浓度的变 化，才有可能对发酵过程进行优化，使生物反应在最佳状态下进行。限于篇幅，生物反应器 工程不是本书讨论的重点，感兴趣的读者可以参考德国学者卡尔许格尔著的《生物反应工
程》一书 第二节发酵过程优化的研究进展 发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之 20世纪40年代初抗生素工业的兴起,标志着发酵工业进入了一个新阶段。自此,发 酵工业在产品更新、新设备、新技术的应用上都达到了前所未有的水平。一门反映生物和化 工相交叉的学科——生化工程也随之在40年代末诞生,并取得了飞速发展。 Hasting指出(1954年),生化工程要解决的十大问题是深层培养、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。到20世纪60年代中 期,生化工程的研究人员在发酵及与之相关的管路网络设计、操作中推行了无菌的概念,建 立了无菌操作的一整套技术。1964年Aiba等人认为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。由于通气搅拌尤其是发酵罐的放大问题不仅仅与发酵罐的特 性、液体的动态有关,而且与微生物的代谢反应紧密相连,因此,1973年Aia等人进一步 指出,在大规模硏究方面,仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和设 备的开发上是不够的,应当进一步开展对微生物反应本质的研究。其后,生化工程的研究重 点就逐步从对过程的物理特性研究过渡到对微生物反应进行定量研究上来 综上所述,自20世纪50年代中后期以来,有关微生物反应动力学的研究已经逐步发展 成为生化工程的一个重要分支一—生物反应工程( Bioreaction engineering。这一名词最早于 1971年被英国的阿特金森采用。1974年,他在编著的《生物反应器》一书中指出:生物反 应工程的目的是提供合适的能描述微生物体系的动力学表达式,并通过实验求出半经验常 数。1979年,日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书,认为生物反应工程是一门 以速度为基础,研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学。 1985年,德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容:一是宏 观动力学,它涉及生物、化学、物理之间的相互关系;二是生物反应器工程,它主要涉及反 应器本身,特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响。 目前一般认为生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础,研究生物反应过程优化和 控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科。生物反应工程的研究主要采用化学动力学、 传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理,也涉及到生物化 学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域,因此是一门综合性很强的边缘学科 它的核心是生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立,实现发酵过程优化则是生物反 应工程的研究目标 美国MIT的 Cooney指出,要实现发酵过程的优化与控制,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- 检测系统一发酵罐之间的接口技术。卡尔·许格尔也强调:细胞形态、细胞环境、反应器特 性及过程操作和控制之间的关系非常复杂(图1-1-1),由于目前对这种复杂的关系了解还很 不充分,因此所掌握的一些观察方法和获得的一些动力学模型还仅仅只是一个起步
3 程》一书。 第二节 发酵过程优化的研究进展 一、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之一 20 世纪 40 年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段。自此，发 酵工业在产品更新、新设备、新技术的应用上都达到了前所未有的水平。一门反映生物和化 工相交叉的学科──生化工程也随之在 40 年代末诞生，并取得了飞速发展。 Hasting 指出（1954 年），生化工程要解决的十大问题是深层培养、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。到 20 世纪 60 年代中 期，生化工程的研究人员在发酵及与之相关的管路网络设计、操作中推行了无菌的概念，建 立了无菌操作的一整套技术。1964 年 Aiba 等人认为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。由于通气搅拌尤其是发酵罐的放大问题不仅仅与发酵罐的特 性、液体的动态有关，而且与微生物的代谢反应紧密相连，因此，1973 年 Aiba 等人进一步 指出，在大规模研究方面，仅仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象解析和设 备的开发上是不够的，应当进一步开展对微生物反应本质的研究。其后，生化工程的研究重 点就逐步从对过程的物理特性研究过渡到对微生物反应进行定量研究上来。 综上所述，自 20 世纪 50 年代中后期以来，有关微生物反应动力学的研究已经逐步发展 成为生化工程的一个重要分支──生物反应工程(Bioreaction Engineering)。这一名词最早于 1971 年被英国的阿特金森采用。1974 年，他在编著的《生物反应器》一书中指出∶生物反 应工程的目的是提供合适的能描述微生物体系的动力学表达式，并通过实验求出半经验常 数。1979 年，日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书，认为生物反应工程是一门 以速度为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学。 1985 年，德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面的内容∶一是宏 观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及反 应器本身，特别是不同的反应器对生物化学和物理过程的影响。 目前一般认为生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和 控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科。生物反应工程的研究主要采用化学动力学、 传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学原理，也涉及到生物化 学、微生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领域，因此是一门综合性很强的边缘学科。 它的核心是生物反应过程的数量化处理和动力学模型的建立，实现发酵过程优化则是生物反 应工程的研究目标。 美国 MIT 的 Cooney 指出，要实现发酵过程的优化与控制，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─ 检测系统─发酵罐之间的接口技术。卡尔·许格尔也强调∶细胞形态、细胞环境、反应器特 性及过程操作和控制之间的关系非常复杂(图 1-1-1)，由于目前对这种复杂的关系了解还很 不充分，因此所掌握的一些观察方法和获得的一些动力学模型还仅仅只是一个起步
细胞调节 过程操作<令细胞环境←细胞形态 反应器特性 图1-1-1生物反应器中复杂的相互关系 发酵过程优化的目的是更好的控制发酵过程,然而,由于高效、耐用生物传感器的制造 比较困难,再加上对生物反应过程的机理并不是非常清楚,因此,目前真正将生物反应工程 原理运用到发酵过程优化和反应器设计中的生产实例还不多见,但其重要性却越来越受到各 国学者的重视。此方面的研究工作概括起来大致可分为以下三个方面 (1)针对有关发酵产品的生产过程进行微生物生长和产物形成的动力学研究,提出新的或修 正的动力学模型或表达式; (2)结合现代生物技术产品的开发,进行基因工程菌、哺乳动物细胞或植物细胞的生长动力 学和产物形成动力学的研究 (3)在动力学研究的基础上进行过程优化控制的研究,包括状态观察方程的建立、观察数据 的噪声过滤、不可测参数及状态的识别、过程离线或在线的优化控制。其中尤以流加发 酵的最优化研究报道居多 、流加发酵 (一)概述 所谓流加发酵,即补料分批发酵(Fed- batch fermentation),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。 流加发酵的应用可追溯到很早。20世纪初,人们就知道利用麦芽汁生产酵母时会使酵 母生长过旺,造成缺氧的环境,导致乙醇的产生,进而引起酵母减产。于是1915年至1920 年间在酵母的工业生产中采用了向初始培养基中补加营养源的方法,抑制乙醇的产生,提高 酵母产量。迄今,流加发酵的应用范围己相当广泛,包括:单细胞蛋白、氨基酸、生长激素 抗生素、维生素、酶制剂、有机酸、高聚物、核苷酸等的生产,几乎遍及整个发酵行业。 在早期的工业生产中,补料方式非常简单,最经常采用的就是在发酵进行到一定时间时 称取一定量的营养物投入到发酵液中。这是一种经验方法,操作比较简单,但对控制发酵不 太有效。近年来随着理论研究和应用的不断深入,流加发酵的内容大大丰富了,尽管它属于 分批发酵到连续发酵的过渡形式,但在某些情况下,几乎不再含有分批发酵的概念而更接近 于连续操作,如多级重复补料分批培养。从物料流入速度和流出速度考虑,流加发酵操作可 分为5类(图1-1-2),其中1,2类目前应用最广,通常所指的流加发酵一般都是针对这两 类
4 细胞调节 过程操作 细胞环境 细胞形态 反应器特性 图 1-1-1 生物反应器中复杂的相互关系 发酵过程优化的目的是更好的控制发酵过程，然而，由于高效、耐用生物传感器的制造 比较困难，再加上对生物反应过程的机理并不是非常清楚，因此，目前真正将生物反应工程 原理运用到发酵过程优化和反应器设计中的生产实例还不多见，但其重要性却越来越受到各 国学者的重视。此方面的研究工作概括起来大致可分为以下三个方面∶ (1) 针对有关发酵产品的生产过程进行微生物生长和产物形成的动力学研究，提出新的或修 正的动力学模型或表达式； (2) 结合现代生物技术产品的开发，进行基因工程菌、哺乳动物细胞或植物细胞的生长动力 学和产物形成动力学的研究； (3) 在动力学研究的基础上进行过程优化控制的研究，包括状态观察方程的建立、观察数据 的噪声过滤、不可测参数及状态的识别、过程离线或在线的优化控制。其中尤以流加发 酵的最优化研究报道居多。 二、流加发酵 (一)概述 所谓流加发酵，即补料分批发酵(Fed-batch fermentation)，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。 流加发酵的应用可追溯到很早。20 世纪初，人们就知道利用麦芽汁生产酵母时会使酵 母生长过旺，造成缺氧的环境，导致乙醇的产生，进而引起酵母减产。于是 1915 年至 1920 年间在酵母的工业生产中采用了向初始培养基中补加营养源的方法，抑制乙醇的产生，提高 酵母产量。迄今，流加发酵的应用范围已相当广泛，包括∶单细胞蛋白、氨基酸、生长激素、 抗生素、维生素、酶制剂、有机酸、高聚物、核苷酸等的生产，几乎遍及整个发酵行业。 在早期的工业生产中，补料方式非常简单，最经常采用的就是在发酵进行到一定时间时， 称取一定量的营养物投入到发酵液中。这是一种经验方法，操作比较简单，但对控制发酵不 太有效。近年来随着理论研究和应用的不断深入，流加发酵的内容大大丰富了，尽管它属于 分批发酵到连续发酵的过渡形式，但在某些情况下，几乎不再含有分批发酵的概念而更接近 于连续操作，如多级重复补料分批培养。从物料流入速度和流出速度考虑，流加发酵操作可 分为 5 类（图 1-1-2），其中 1，2 类目前应用最广，通常所指的流加发酵一般都是针对这两 类