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量生成产物的阶段，因合成产物和维持细胞活动的需要，有选择地补充营养物质。合适的补料工艺能够有效地控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展。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补充菌体所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等；
②补充菌体所需氮源，如蛋白胨、豆饼粉、玉米浆、酵母粉和尿素等有机氮源，有些发酵还采取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对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，往往需要补充抗生素形成的前体。
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，表现为迟滞期延长，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成分，这些物质即使在较低浓度下，也会对微生物生长产生抑制作用。而通过补料，可减小抑制作用；
（3）解除高浓度营养物和分解代谢物引起的阻遏作用：葡萄糖分解代谢物可阻遏包括纤维素酶、蛋白酶、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分解代谢产生的乙醇、甲酸、乳酸等副产物对菌体生长的不利影响；
（4）维持有利的发酵条件：发酵过程中常常发生 pH 值的变化，直接加酸或加碱可以快速调整酸碱度，而通过补加碳源或氮源，可以缓慢而根本地调整 pH 值。对于好氧发酵， 一次性投糖过多会造成细胞生长过快，快速消耗氧气，而常规的通风搅拌无法满足供氧需求。补料可以缓解该矛盾，此外，补料还可调整发酵液粘度、氧传递系数等物性参数, 改善发酵环境，有利于细胞生长和产物合成。
无反馈控制补料方式有三种：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。恒速补料在一定程度上满足了菌体对养料的需要，避免了营养物抑制，但这种方法往往只是根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
变速补料是在培养过程中补加速率以梯度、阶段或线性等方式不断增加。它可以在菌体浓度较高的情况下加入更多营养物来促进细胞的生长，实现细胞比生长速率不断增加，有利于产物的形成。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方法。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过程，又不需要特别复杂的仪器，因而受到了较多的重视。
反馈控制补料
实际发酵过程常会与预设过程有偏差,，如果能及时地纠正偏差，就可使反应朝预定方向进行，否则将很难达到预期的目标。反馈控制补料就是在发酵过程中对反应器内的营养物浓度、产物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、营养物利用以及产物形成之间的关系，选择恰当的反馈控制参数。可控制的参数有直接测量参数和间接测量参数。直接测量参数为温度、pH 、溶解氧浓度、光密度、营养物浓度、压力和尾气成分等，它们均可用仪器设备直接测量。间接测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测量参数值评估或计算得到。
（1）简单反馈控制(又称单一循环法)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，使之保持恒定。例如，预先设定pH恒定值，发酵中菌体代谢产生酸性物质或铵，使pH值发生改变，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根据培养基中某种关键营养物(主要是碳源)消耗，会导致溶解氧浓度迅速改变。该方法操作较为简单，但带有经验性，易滞后；
（2）根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。这类方法在补料控制中常见，控制的对象往往是葡萄糖浓度；
（3）根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）根据尾气成分分析来控制补料
营养物的利用通常伴随着CO2 等气体的释放。 测定出口气体，类似于分析营养物，也能用来控制补料速率；
（5）根据细胞形态学控制补料
在一些微生物培养时，细胞形态学变化与培养条件(如溶解氧浓度, 剪切速度, 培养基成分密切相关)；
（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，采用处理单元代替神经元，依靠贮存于处理单元之间相互关联的信息实现控制。可采用这一模型来预报发酵状态是否正常，预测发酵阶段，预测代谢状态、产物、营养物浓度和各种抑制状态的产生等；
（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更加恰当。当常规检测和控制方法难以精确地反映系统的运行状态时，模糊控便可应用到控制过程。模糊控制是工程师的经验与上述相关控制方法结合的产物，或者完成是经验的产物。
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补料发酵补加的营养物质大致有五类:
①补充菌体所需的能源和碳源, 如葡萄糖和液化淀粉等；
②补充菌体所需氮源，如蛋白胨、豆饼粉、玉米浆、酵母粉和尿素等有机氮源，有些发酵还采取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对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，往往需要补充抗生素形成的前体。
（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，表现为迟滞期延长，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成分，这些物质即使在较低浓度下，也会对微生物生长产生抑制作用。而通过补料，可减小抑制作用；
（3）解除高浓度营养物和分解代谢物引起的阻遏作用：葡萄糖分解代谢物可阻遏包括纤维素酶、蛋白酶、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分解代谢产生的乙醇、甲酸、乳酸等副产物对菌体生长的不利影响；
（4）维持有利的发酵条件：发酵过程中常常发生 pH 值的变化，直接加酸或加碱可以快速调整酸碱度，而通过补加碳源或氮源，可以缓慢而根本地调整 pH 值。对于好氧发酵， 一次性投糖过多会造成细胞生长过快，快速消耗氧气，而常规的通风搅拌无法满足供氧需求。补料可以缓解该矛盾，此外，补料还可调整发酵液粘度、氧传递系数等物性参数, 改善发酵环境，有利于细胞生长和产物合成。
无反馈控制补料方式有三种：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。恒速补料在一定程度上满足了菌体对养料的需要，避免了营养物抑制，但这种方法往往只是根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
变速补料是在培养过程中补加速率以梯度、阶段或线性等方式不断增加。它可以在菌体浓度较高的情况下加入更多营养物来促进细胞的生长，实现细胞比生长速率不断增加，有利于产物的形成。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方法。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过程，又不需要特别复杂的仪器，因而受到了较多的重视。
实际发酵过程常会与预设过程有偏差,，如果能及时地纠正偏差，就可使反应朝预定方向进行，否则将很难达到预期的目标。反馈控制补料就是在发酵过程中对反应器内的营养物浓度、产物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、营养物利用以及产物形成之间的关系，选择恰当的反馈控制参数。可控制的参数有直接测量参数和间接测量参数。直接测量参数为温度、pH 、溶解氧浓度、光密度、营养物浓度、压力和尾气成分等，它们均可用仪器设备直接测量。间接测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测量参数值评估或计算得到。
此法控制与营养物利用相偶联的pH 或溶解氧浓度等参数，使之保持恒定。例如，预先设定pH恒定值，发酵中菌体代谢产生酸性物质或铵，使pH值发生改变，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根据培养基中某种关键营养物(主要是碳源)消耗，会导致溶解氧浓度迅速改变。该方法操作较为简单，但带有经验性，易滞后；
（2）根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。这类方法在补料控制中常见，控制的对象往往是葡萄糖浓度；
（3）根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）根据尾气成分分析来控制补料
营养物的利用通常伴随着CO2 等气体的释放。 测定出口气体，类似于分析营养物，也能用来控制补料速率；
（5）根据细胞形态学控制补料
在一些微生物培养时，细胞形态学变化与培养条件(如溶解氧浓度, 剪切速度, 培养基成分密切相关)；
（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，采用处理单元代替神经元，依靠贮存于处理单元之间相互关联的信息实现控制。可采用这一模型来预报发酵状态是否正常，预测发酵阶段，预测代谢状态、产物、营养物浓度和各种抑制状态的产生等；
（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更加恰当。当常规检测和控制方法难以精确地反映系统的运行状态时，模糊控便可应用到控制过程。模糊控制是工程师的经验与上述相关控制方法结合的产物，或者完成是经验的产物。