高密度發(fā)酵補料操作的依據(jù)是什么？

前言：FBC操作的依據(jù)是什么？時間？生物量？底物濃度？pH變化？DO反彈？還是別的？如果不是很清楚的話，此文可能對你有幫助。

一  發(fā)酵補料操作的意義
①解除底物抑制、產(chǎn)物反饋抑制和分解代謝物的阻遏；
②避免一次投料過多造成細胞大量生長所引起的一切影響，改善發(fā)酵液流變學性質(zhì)；
③可提高發(fā)芽孢子的比例，控制細胞質(zhì)量；
④不需要嚴格的無菌條件，產(chǎn)生菌不易老化變異，比連續(xù)發(fā)酵適用廣泛。

二   補料項
常規(guī)補料內(nèi)容包括一下5組因子：
①補充菌體所需的能源和碳源，如葡萄糖和液化淀粉等 ; 
②補充菌體所需氮源，如蛋白胨、豆餅粉、玉米漿、酵母粉和尿素等有機氮源，有些發(fā)酵還采取通入氨氣或添加氨水等 ;
③加入某些菌體生長代謝所需的微量元素和無機鹽，如磷酸鹽、硫酸鹽等 ; 
④對于產(chǎn)誘導酶的微生物，常在補料中適當加入該酶的作用底物，以提高酶的產(chǎn)量 ; 
⑤對一些抗生素發(fā)酵，往往需要補充抗生素形成的前體
對于具體的發(fā)酵項目需要選擇哪些因素作為補料項，需要根據(jù)菌種情況而定，舉例說明如下：
 
 
三  十種補料工藝方案
1無反饋控制的補料
這種控制方式所加入營養(yǎng)物的流量是預先設定的。因此，反映系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)學模型的準確程度是成敗的關(guān)鍵。目前無反饋控制補料方式有三種 :恒速補料、變速補料和指數(shù)補料。

1.1 恒速補料
在恒速補料發(fā)酵中，以預先設定的恒定速率補加限制性營養(yǎng)物。相對菌體來說，營養(yǎng)物濃度是逐漸降低的，菌體比生長速率也是下降的，而菌體總量是線性增加的。
恒速補料在一定程度上滿足了菌體對養(yǎng)料的需要，避免了營養(yǎng)物抑制，但這種方法往往只是根據(jù)一個參數(shù)指標控制的。
    
1.2 變速補料
變速補料是在培養(yǎng)過程中補加速率以梯度、階段或線性等方式不斷增加。它可以在菌體濃度較高的情況下加入更多營養(yǎng)物來促進細胞的生長，實現(xiàn)細胞比生長速率不斷增加，有利于產(chǎn)物的形成。盡管比較粗糙，但要優(yōu)于恒速補加法。

1.3 指數(shù)補料
指數(shù)補料是一種簡單而行之有效的方法。補加速率呈指數(shù)增加，它能夠使反應器中營養(yǎng)物濃度控制在較低的水平，而使菌體的比生長速率為恒定值，菌體密度呈指數(shù)增加。指數(shù)補料較好地配合菌體的生長過程，又不需要特別復雜的儀器，因而，受到了較多的重視。大腸桿菌高密度培養(yǎng)中zui成功的手段就是指數(shù)補料。當然，這種方法需要對發(fā)酵的具體過程有充分的了解，以確定合適的補料參數(shù)。
 
2 反饋控制補料
發(fā)酵過程常會與預設過程有偏差，及時地糾正偏差，可使反應朝預定方向進行，否則將很難達到預期的目標。反饋控制補料就是在發(fā)酵過程中對反應器內(nèi)的營養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度以及細胞濃度等參數(shù)進行實時或在線檢測和控制。直接測量參數(shù)為溫度、pH、溶解氧濃度、光密度、營養(yǎng)物濃度、壓力和尾氣成分等，它們均可用儀器設備直接測量。間接測量參數(shù)包括比生長速率、菌體細胞濃度、攝氧率、氧氣轉(zhuǎn)移率、二氧化碳增長率和呼吸熵等。它們可用一個或多個直接測量參數(shù)值評估或計算得到。

2.1 簡單反饋控制補料
營養(yǎng)物消耗與pH或溶解氧相偶聯(lián)，保持這些參數(shù)保持恒定即可在間接程度上控制菌體的營養(yǎng)狀況。通常通過 pH下降或DO反彈反饋補充碳源，維持大腸桿菌發(fā)酵液的pH恒定可推遲比生長速率下降的間，該方法操作較為簡單，但帶有經(jīng)驗性，易滯后。

2.2 根據(jù)營養(yǎng)物攝取或需求量來控制補料
通過檢測培養(yǎng)基中營養(yǎng)物濃度，設定營養(yǎng)物控制在設定范圍值內(nèi)。這類方法在補料控制中比較常見，控制的對象往往是葡萄糖或甘油或甲醇濃度等。如也可用其它測定方法或參數(shù)來評估和預測營養(yǎng)物中葡萄糖消耗率，如建立溶氧或pH和底物消耗的關(guān)系，估測當前的底物濃度或建立擬合曲線，決定當前補料操作。

2.3 根據(jù)比生長速率來控制補料
菌體的比生長速率μ越大，說明該微生物生長得越快，消耗營養(yǎng)物越多，通過計算菌體的比生長速率和產(chǎn)物的的生成關(guān)系，通過反饋調(diào)節(jié)葡萄糖補加速率、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和通氣控制溶氧等措施控制比生長速率μ。
 
2.4 根據(jù)尾氣成分分析來控制補料
營養(yǎng)物的利用通常伴隨著 CO2 等氣體的釋放。測定出口氣體，類似于分析營養(yǎng)物，也能用來控制補料速率。這種控制方法比較簡單，可用于產(chǎn)氣發(fā)酵的控制，但易滯后。

2.5 根據(jù)細胞形態(tài)學控制補料
在一些微生物培養(yǎng)時，細胞形態(tài)學變化與培養(yǎng)條件 (如溶解氧濃度，剪切速度，培養(yǎng)基成分密切相關(guān)) 。這需要有影像傳感器檢測發(fā)酵液中細胞形態(tài)變化。

2.6 模糊控制的補料
發(fā)酵中的可測參數(shù)與生物的生長和代謝之間，難以用確切的數(shù)學關(guān)系來描述，而用隸屬函數(shù)來描述它們的模糊關(guān)系似乎更加恰當。當常規(guī)檢測和控制方法難以地反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)時，模糊控制理論更有其獨到之處。
在常規(guī)模糊邏輯控制中，若控制變量的初始誤差較大時，控制器反應過敏會導致補料過量。模糊理論還被用于補料發(fā)酵的建模上。
模糊控制過程中所有隸屬函數(shù)以及各個模糊控制規(guī)則的來源依賴設計人員的經(jīng)驗，因此設計人員經(jīng)驗的正確與否直接關(guān)系到模糊控制的結(jié)果。模糊控制規(guī)則的主觀性是不可避免的，而且模糊控制器不具有學習能力，因此不能根據(jù)過程的歷史記錄來糾正人為設計規(guī)則中的錯誤。
 
2. 7 神經(jīng)網(wǎng)絡控制補料
  在缺少對發(fā)酵動力學參數(shù)了解的情況下，采用神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)控制比較好。
神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的zui大優(yōu)點是它類似于大腦，具有自學能力，可以從過程的歷史記錄中直接提取過程影響因素與過程性能間的關(guān)系，建立過程模型和自適應控制器。
補料工藝是控制中間代謝、提高產(chǎn)量的一個靈活而有效的手段。當然，應該根據(jù)具體菌種或培養(yǎng)條件，確定zui適的補料種類、補料量和補料方式。

結(jié)語：補料控制是整個補料發(fā)酵生產(chǎn)中的關(guān)鍵。反饋控制的補料方法具有控制準確和操作重復性好等優(yōu)點。但必需有可靠的生化檢測儀器，在線測定發(fā)酵液溫度、酸堿度、營養(yǎng)物和產(chǎn)物等數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡控制有很強的非線性映射能力。通過網(wǎng)絡內(nèi)部權(quán)值的調(diào)整來擬合系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系。