发酵过程的参数相关分析

发酵过程的参数相关分析华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，国家生化工程技术研究中心2007.5.23主要内容1.重要参数介绍2.多参数相关性分析3.发酵培养基分析与工艺改进1.发酵过程的参数分类直接参数通过传感器把非电量变化直接转化为电量变化，实时地送计算机数据采集。物理参数、化学参数、生物量参数就地测量（inline）、在线测量（online）间接参数:由一些直接参数计算得到的各种反映过程特性的参数。反映菌体代谢活性、反应器工程特性、反应器操作特性…等。手工参数:取样后实验室手工测量参数，离线输入。直接参数物理参数化学参数温度压力功率输入通气流量泡沫水平加料速率基质前体诱导物培养液重量培养液体积生物热培养液表观粘度积累消耗量基质酸碱消泡剂细胞量气泡含量气泡表面积表面张力pH氧化还原电位溶解氧浓度溶解CO2浓度排气O2分压排气CO2分压其他排气成分成分浓度糖氮前体诱导物产物中间代谢物金属离子脱氢酶活力各种酶活力细胞内成分蛋白质DNARNA成熟不成熟间接参数摄氧率（OUR）二氧化碳生成率（CER）呼吸商（RQ）总氧利用体积氧传递系数（KLa）细胞浓度（X）细胞生长速率（Rx）比生长速率（μ）细胞得率（YX/S）糖利用率氧利用率比基质消耗率（u）前体利用率产物量（P）比生产率（υ）其他需要计算的值参数功率、功率准数雷诺数细胞量生物热碳平衡能量平衡反映菌体的代谢活性参数：OUR、CER、RQ反映反应器工程特性参数：KLa1耗氧速率OUR排气氧的浓度表征了进气的氧被微生物利用以后还剩余的氧，因此排气氧的大小反映了菌生长的活性，通过计算可以求得摄氧率（OUR）。1.重要间接参数介绍重要间接参数介绍氧消耗速率OUR，mol/L•hfCCCCVFOURCOOOOC)(1outoutininertiaininin22225inin1011273273hPtfFin进气流量mol；Cinertial，Co2,Cco2进气中惰性气体、氧及二氧化碳的浓度(%体积分数分别取79.02%、20.95%、0.03%）Pin进气的绝对压强，Pa；h进气的相对湿度，％；tin进气的温度简化公式：OUR=F/V(O2in－O2out)OUR下降，表征的是该菌株耗氧能力降低;与此相应，伴随着CER的下降，是菌体活力下降的表现重要间接参数介绍CCOURaKL*体积氧传递系数KLa，1/hKLa=f(P/V,Vs,ηapp)C:整体液相中的溶解氧浓度mol/lC*:与气相氧分压平衡的液相中氧浓度mol/l一般取0.2mmol/L表示设备供氧传递能力，与输入的搅拌功率、通气流量以及培养液的流变特性有关。菌体生长与Kla、DO的相关特性发酵中后期，可以根据Kla的变化预测菌体的的自溶菌体稀化的原因1.发酵液中提供能量的碳源耗尽，不能维持代谢而进行2.发酵液活细胞与死细胞的动态平衡，菌体生长所需的组成材料（氮源）供应不足，调节C/N比控制比生长速率3.工艺条件影响：高温、低溶氧等，加速菌体自溶临界氧浓度的发现所谓临界氧是指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。如对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度所谓临界氧是指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。如对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度红霉素前期DO浓度的控制？1.1.2二氧化碳释放率CER排气二氧化碳反映了微生物代谢的情况微生物摄入的氧并不是全部变成二氧化碳，有的进入代谢中间物分子，进入细胞或产物，因此消耗的氧并不等于排出的二氧化碳，此外，含氧的有机物降解后会产生二氧化碳，使排气二氧化碳大于消耗的氧。重要间接参数介绍二氧化碳释放速率CER，mol/（L·h）fCCCCFCERinCOoutCOoutOoutCOinC2222)(1inertiain5inin1011273273hPtfCER：表示单位体积发酵液单位时间内释放的二氧化碳的量简化公式：CER＝F/V(CO2out-CO2in)在非糖限制条件下，特别是在发酵初期，菌量与CER有一定的线性关系2202种子数据分析转种时间：离线pH与菌体代谢有较强的对应关系pH下降过程可作为最佳转种时间6.56.66.76.86.977.17.20510152025303540离线pH2202-07-6842202-07-693重要间接参数介绍呼吸熵RQ：表征好气微生物生理特征的重要参数22OCOQQOURCERRQ呼吸商(RQ)变化的生物学意义表征不同的代谢途径厌氧代谢、耗氧代谢不同的耗氧代谢途径间的差异表征不同的基质利用情况基质还原性强与弱的差异不同碳源完全氧化时的RQ值碳源化学简式RQ碳水化合物CnH2nOn1.00烷烃CnH2n+22n/(3n+1)甲醇CH4O0.67甘油C3H8O30.75RQ值可以反映菌的代谢情况，如酵母培养过程中RQ=1,表示糖代谢走有氧分解代谢途径，仅供生长，无产物形成；RQ1.1，表示走EMP途径，生成乙醇；RQ=0.93,生成柠檬酸；RQ0.7,表示生成的乙醇被当作基质再利用在实际生产中测得的RQ值明显低于理论值，说明过程中存在着不完全氧化的中间代谢物和葡萄糖以外的碳源。如油的存在(它的不饱和与还原性)使RQ值远低于葡萄糖为唯一碳源的RQ值，在0.5－0.7范围，并随葡萄糖与油量之比波动。2.发酵过程参数相关分析理化相关纯属物质理化性质变化所引起的参数相关生物相关生物相关是指通过生物细胞的生命活动所引起的参数之间耦合相关2.1理化相关*搅拌转速、通气流量、罐压力∽溶解氧DO转速↑，气泡↑，气液接触表面积↑，KLa↑，OTR〉OUR，DO↑2202采集数据温度与CER、OUR相关理化相关的普遍特性*理化相关对不同细胞对象具有普遍性，不因细胞生理活性的变化呈现不同的特性。2.2生物相关*菌体生长引起的生物相关特性*快速生长期时，培养液粘度上升，KLa下降，引起DO水平的变化代谢引起的生物相关通过生物细胞及代谢途径的不同所引起的活性变化,直接对控制对象特性发生影响。菌体细胞代谢活性变化而直接引起的某测定参数的变化，即为代谢特性参数相关。----代谢强度的变化----代谢途径的变化----引起的基质消耗或代谢产物形成的不同代谢活性变化：环境条件的线性或动力学因素、细胞内某调节因子引起的代谢流迁移、基因水平的信息流。生物相关：OUR与DO的基本相关特征OURDOrpm加糖DO和OUR之间的动力学特征O2消耗与过程传递的物质平衡时间(h)生物相关：RQ、CER、DO间的相关RQCERDORQRQRQCERDODODOCgluCglu时间（h）时间（h）时间（h）时间（h）加碳源加碳源葡萄糖碳源加入,限制性基质情况还原性大的碳源好氧发酵厌氧发酵38小时DO下降，同时OUR上升RQ下降，CER变化不大，提示可能菌体利用了还原性更强的物质做碳源。77小时开始补糖后，CER,OUR同步上升，DO下降，RQ维持不变，提示此时碳源处于限制。63h,补糖速率过快，DO下降、CER上升、RQ上升多基质利用的参数相关变化相关性分析：发酵过程中加油的作用消泡释放CO2(h)EO2ECO2DO作为碳源利用(h)RQOURCERDO改变流变特性(h)OURCERDOKLa加糖加油作为氧载体提高对氧亲和力(h)3.发酵培养基分析玉米浆成分：氨基酸无机盐磷酸盐的调节1.磷促进初级代谢，菌体趋向于生长，胞内ATP浓度迅速增加，抑制次级代谢2.磷酸盐浓度增加，抑制了6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活力，但促进了3-磷酸丙糖的氧化，结果使HMP途径受阻，而使糖代谢趋于酵解途经，HMP途径功能：NADPH（还原力）3.磷酸盐限制抗生素合成途径中前体物质的生成，从而限制红霉素多酮体的缩合红霉素生物合成过程中组分研究目前市场上对EA的比例要求在78%以上。发酵初始添加六种氨基酸对产量与组分影响添加Gly后对红霉素产量、组分时序变化0204060801001207296120144t/hEA%对照1#2#Fig.5.10EffectofGlyonthecomponentpercentoferythromycininthefermentationprocess(1#0.05,2#0.15%)50L发酵罐考察Gly对红霉素发酵的影响2448729612014416819201234567801020304050607080010002000300040005000600070008000900010000pHhourresidualglucose(g/100ml)controlNH2-N(mg/100ml)PMV(%)titer(u/ml)2448729612014416819201234567801020304050607080010002000300040005000600070008000900010000pHresidualglucosepHhourNH2-N(mg/100ml)PMV(%)residualglucose(g/100ml)PMVNH2NGlytitertiter(u/ml)50L发酵罐考察Gly对红霉素组分影响发酵工艺改进几点想法1.控制前期菌体比生长速率调整发酵氮源（硫铵、玉米浆、黄豆饼粉比例），后期菌浓维持油与淀粉利用代谢流差异MCM：甲基丙二酰CoA变位酶S:琥珀酰CoA(TCA循环）2.后期代谢弱化问题，措施：整体代谢途径考虑，根据代谢途径关键酶活性特点，复合微量元素强化红霉素代谢曲线65h后,RQ基本不变，OUR、CER开始过早迅速下降红霉素的生物合成途径整体代谢流强化为核心丙酰CoA与甲基丙二酰CoA的生物合成OUR、CER下降：TCA循环相关酶系下降，红霉素合成代谢流减少后期主要强化途径1.HMP途径：还原力（NADPH）的提供6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性2.TCA循环通量3.红霉素合成途径甲基丙二酰CoA变位酶甲基化酶、羟基化酶6-磷酸果糖激酶柠檬酸合成酶（CS)甲基丙二酰CoA羧基转移酶谢谢！Thanks!