大肠杆菌发酵罐发酵补料怎么确定呢

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发酵同盟河北群 - 融化/fw冰雪(252119642)
大肠杆菌发酵罐发酵补料怎么确定呢，葡萄糖是流加补料吗？还有乳糖诱导是一次性加入吗？希望高手指点啊

lwdfjw

发酵同盟东北群 - 武泽轩(231034045)
我们发酵培养基和补料都不加葡萄糖，加葡萄糖易产生乙酸，发酵培养基我们用YTG，补料用2YT，具体用啥及用量可以自己摸索。乳糖诱导不能一次性加入，要根据消耗速率来加，否则加多会产生抑制。

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作为限制性元素控制生长速度的补料，葡萄糖的适当速度补入是不会产生过量乙酸的，前提是补入的葡萄糖不会在培养基内大量积累；在这种情况下，葡萄糖可以供给菌体必须的碳源而不至于影响诱导；补料的方式可以有恒速补料，线性补料及根据生长速率的指数补料；也可以根据pH或者溶氧、菌体生长速度等反馈式补料。补料依据，经验法：根据溶氧PH好碱等反馈；也可以直接测定残糖量，或者残氮量直接确定。

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如果单纯为了做实验可以不选择葡萄糖，但是从大生产成本考虑葡萄糖还是比较经济的。控制较低的残糖水平和菌体生长速度，完全可以吧乙酸控制在一个合理的水平。

gl19860312

这个问题很好解决啊
有很多文章都是这一块的

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回复 2# lwdfjw


    请问YTG培养基的具体配方？谢谢，补料液是在这个培养基的基础上浓缩的？

gl19860312

流加方式的选择及发酵控制原理
补料策略是重组大肠杆菌高密度发酵的关键技术之一，即根据基因工程菌的生长特性及产物的表达方式采取合适的营养物流加方式。其中碳源和氮源是两种常用的限制性底物，而葡萄糖因菌体利用速率快且价廉易得，已广泛用作该过程中的限制性基质。在葡萄糖过量或缺氧的条件下，大肠杆菌会发生“葡萄糖效应”，导致有机酸大量积累，从而影响菌体生长和目标蛋白表达[29, 32]。
因此，在大肠杆菌的高密度发酵过程中，成功的关键之一在于合理流加碳源以降低葡萄糖效应。常用的流加模式包括恒速流加补料、变速补料和指数流加补料三种。除此之外，为了拟合发酵罐中菌体的实际生长情况，进一步减少有害代谢物的生成，人们根据细胞代谢所反馈出的信息，并配合在线或离线检测手段，发展了以下几种可行的补料技术，现简要介绍如下：

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（1）pH值的控制方法
许多发酵培养在恒定或小范围pH值波动下进行时最为有效，通常可选择测量pH值和给定值之差作为过程输入，加入酸或碱的量为目标输出。在控制过程中，为了保证控制系统既不出现超调（超调后的酸碱环境，不宜于菌体生长和产物合成，且菌体衰老加快，故应避免），又要有较快的过渡过程（很快达到稳定），易异勋[42]等人设计的控制方案大体：当遇干扰，罐内pH值低于设定值较大时，此时采用逻辑门开关转向开关量控制，使系统的pH值迅速调整至接近设定值，当pH值与设定值接近时逻辑门的开关转向高比例度的PID控制策略，使系统调节平稳，实际的pH值缓慢接近设定值，系统不出现超调现象。
张嗣良[43]以青霉素发酵为例，提供了两种很好的pH值调节方法，有一定的借鉴意义。方法一，在发酵过程中均匀补糖，使菌体处于半饥饿状态，通过硫酸或氢氧化钠调节pH值，青霉素产量显著提高;方法二，通过改变补糖量来控制pH值使之在6.6～6.9之间，显然由于不仅使pH值的调节在菌体生产最佳范围内，并且把pH值作为菌体糖代谢调节的依据，效果更明显，产量提高达25%。
另外苏春玉[44]介绍了金霉素发酵过程中采用TP（时钟脉冲）的pH值控制方式在工厂中成功应用的经验，以及姜长洪[45]提出一种具有非线性补偿的变增益控制策略，即将整个pH值参数的变化范围分成若干个区间，每个区间对应一组控制器参数。由于专业所限，此内容不做过多描述。

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（2）温度控制方法
在发酵过程的环境参数中温度的影响是非常重要的，由于菌体生长繁殖和产物的合成都有不同的最适温度。在发酵反应的前期，反应还未充分进行，产生的热量比较少，所以必须由外界供热来促使菌体的生长，这可通过加热来完成；后期由于发酵中的生化反应产生的热量，足以自热，此时还需加冷水来调节，以使温度降低到发酵适宜温度。      
（3）溶解氧控制方法
发酵过程的溶氧值是一个综合参数，影响因素多，除了搅拌转速、空气流量、罐压和罐温等易测参数的影响外，基质浓度、产物浓度等不易监测的参数对其亦有影响。实际发酵过程中，可能会出现不同程度的染菌，这会导致氧需求的变化，而且生产原料、菌种的不同，都对溶解氧有不同的要求。综上所述，发酵过程的溶解氧的对象特性很难通过系统辩识方法获得，传统的控制方法难以得到理想的控制效果。
张嗣良[43]提出由改变搅拌转速、通气量、发酵罐压组成溶解氧串级控制回路。在该控制系统中，主控制器对溶解氧测量值与溶氧设定值的偏差进行PID运算，其输出信号经一定量换算作为三个副调节器的设定值（即主调节器的输出）偏差进行PID运算，再对各执行机构发出控制。该串级控制系统响应快，且可在一个较宽的范围内较好的控制溶氧。文献中强调对于每一种溶氧控制的工艺手段都是有限的，比如通过改变搅拌转速来控制溶氧一般要比改变通气量有效，但是转速己经较高的情况下就不是这样,此时应改变通气量才比较明显。因此溶氧控制应能实现分步控制，即先改变搅拌转速，到一定限度（可以用手动给定）时自动改变通气量，或先变通气量后再改变搅拌转速。  
从节能的角度考虑，石贤爱[46]对卡那霉素发酵过程搅拌和通气的供氧效率进行了比较得出，在相同功率消耗下，搅拌供氧效率比通气供养效率高5～7倍。在发酵中期，控制搅拌转速比控制通气速率更为经济有效；而发酵中期和后期，随着发酵液体积的增加，电机的搅拌功率在相同转速下显著上升，同时，由于微生物总量增大，CO2排出量也增大，因此，在这些阶段增大通气速率控制权重，一方面有利于CO2的排出，另一方面在控制成本上较经济。
杨一兵[47]，对溶解氧采用变区域规则控制，即将被控变量控制在某一区域就认为达到了控制要求。之所以采用此规则，考虑如下：设定值难以实现。由于影响溶氧因素众多（空气流量、搅拌速度、罐压等），希望以某以变量（如空气流量）来实现设定值控制是困难的；溶氧控制的主要目标是不小于临界浓度，从而保证一定的呼吸强度。所以，把它控制在略大于临界浓度的某一区域内就可以满足生产要求。
文献指出采取变区域，是由于各个生产时期临界浓度变化较大（在抗生素生产中，在菌体生长阶段和抗生素形成阶段都有个临界浓度），不能以某个常量来表示整个生产过程的临界浓度。并且当发酵罐的通气、搅拌强度低时，可适当降低发酵温度，以增加氧的溶解度及减少空气的消耗，这样可以节约能源。
（4） 消泡控制方法
在发酵前期，微生物生长旺盛时期，形成各种胞外产物，加入料液满载，搅拌马达全速开动，空气通入量达到最大，这时候，发酵液上浮很厉害，稍有不慎，就可能会产生逃液现象。此时，必须及时加入消泡剂，以减少泡沫，防止发酵液上浮。这样的控制，通常用双位式的控制方法，当发酵液液面达到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂阀门。
（5） 新型控制方法系统
以上发酵控制方法都是基于经典的线性控制理论，以PID控制算法为核心，这些控制方法解决了一些问题，基本实现了一些较简单发酵过程的自动化。但是随着发酵工业的规模生产，这些过程变得更加复杂，非线性、时变性和滞后性表现的更加明显，早期控制系统显然无法克服这些困难。同时，类似发酵系统的复杂系统越来越多，为了解决类似系统的控制问题，20世纪60年代，有学者提出了智能控制学说。各类新型控制系统多为以各种智能算法为核心的系统，包括神经网络、模糊控制等。目前，这类控制系统正处于发展阶段。

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（2）温度控制方法
在发酵过程的环境参数中温度的影响是非常重要的，由于菌体生长繁殖和产物的合成都有不同的最适温度。在发酵反应的前期，反应还未充分进行，产生的热量比较少，所以必须由外界供热来促使菌体的生长，这可通过加热来完成；后期由于发酵中的生化反应产生的热量，足以自热，此时还需加冷水来调节，以使温度降低到发酵适宜温度。      
（3）溶解氧控制方法
发酵过程的溶氧值是一个综合参数，影响因素多，除了搅拌转速、空气流量、罐压和罐温等易测参数的影响外，基质浓度、产物浓度等不易监测的参数对其亦有影响。实际发酵过程中，可能会出现不同程度的染菌，这会导致氧需求的变化，而且生产原料、菌种的不同，都对溶解氧有不同的要求。综上所述，发酵过程的溶解氧的对象特性很难通过系统辩识方法获得，传统的控制方法难以得到理想的控制效果。
张嗣良[43]提出由改变搅拌转速、通气量、发酵罐压组成溶解氧串级控制回路。在该控制系统中，主控制器对溶解氧测量值与溶氧设定值的偏差进行PID运算，其输出信号经一定量换算作为三个副调节器的设定值（即主调节器的输出）偏差进行PID运算，再对各执行机构发出控制。该串级控制系统响应快，且可在一个较宽的范围内较好的控制溶氧。文献中强调对于每一种溶氧控制的工艺手段都是有限的，比如通过改变搅拌转速来控制溶氧一般要比改变通气量有效，但是转速己经较高的情况下就不是这样,此时应改变通气量才比较明显。因此溶氧控制应能实现分步控制，即先改变搅拌转速，到一定限度（可以用手动给定）时自动改变通气量，或先变通气量后再改变搅拌转速。  
从节能的角度考虑，石贤爱[46]对卡那霉素发酵过程搅拌和通气的供氧效率进行了比较得出，在相同功率消耗下，搅拌供氧效率比通气供养效率高5～7倍。在发酵中期，控制搅拌转速比控制通气速率更为经济有效；而发酵中期和后期，随着发酵液体积的增加，电机的搅拌功率在相同转速下显著上升，同时，由于微生物总量增大，CO2排出量也增大，因此，在这些阶段增大通气速率控制权重，一方面有利于CO2的排出，另一方面在控制成本上较经济。
杨一兵[47]，对溶解氧采用变区域规则控制，即将被控变量控制在某一区域就认为达到了控制要求。之所以采用此规则，考虑如下：设定值难以实现。由于影响溶氧因素众多（空气流量、搅拌速度、罐压等），希望以某以变量（如空气流量）来实现设定值控制是困难的；溶氧控制的主要目标是不小于临界浓度，从而保证一定的呼吸强度。所以，把它控制在略大于临界浓度的某一区域内就可以满足生产要求。
文献指出采取变区域，是由于各个生产时期临界浓度变化较大（在抗生素生产中，在菌体生长阶段和抗生素形成阶段都有个临界浓度），不能以某个常量来表示整个生产过程的临界浓度。并且当发酵罐的通气、搅拌强度低时，可适当降低发酵温度，以增加氧的溶解度及减少空气的消耗，这样可以节约能源。
（4） 消泡控制方法
在发酵前期，微生物生长旺盛时期，形成各种胞外产物，加入料液满载，搅拌马达全速开动，空气通入量达到最大，这时候，发酵液上浮很厉害，稍有不慎，就可能会产生逃液现象。此时，必须及时加入消泡剂，以减少泡沫，防止发酵液上浮。这样的控制，通常用双位式的控制方法，当发酵液液面达到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂阀门。
（5） 新型控制方法系统
以上发酵控制方法都是基于经典的线性控制理论，以PID控制算法为核心，这些控制方法解决了一些问题，基本实现了一些较简单发酵过程的自动化。但是随着发酵工业的规模生产，这些过程变得更加复杂，非线性、时变性和滞后性表现的更加明显，早期控制系统显然无法克服这些困难。同时，类似发酵系统的复杂系统越来越多，为了解决类似系统的控制问题，20世纪60年代，有学者提出了智能控制学说。各类新型控制系统多为以各种智能算法为核心的系统，包括神经网络、模糊控制等。目前，这类控制系统正处于发展阶段。