發(fā)酵工藝優(yōu)化

1、發(fā)酵工藝優(yōu)化發(fā)酵工藝優(yōu)化發(fā)酵工藝優(yōu)化從搖瓶試驗(yàn)到中試發(fā)酵罐試驗(yàn)的不同之處1、消毒方式不同，搖瓶是外流蒸汽靜態(tài)加熱（大部分是這樣的），發(fā)酵罐是直接蒸汽動態(tài)加熱，部分的是直接和蒸汽混合，會因此影響發(fā)酵培養(yǎng)基的質(zhì)量，體積，PH，透光率等指標(biāo)。擴(kuò)大時搖考慮2、接種方式不同，搖瓶是吸管加入，發(fā)酵罐是火焰直接接種（當(dāng)然有其他的接種方式），要考慮接種時的菌株損失和菌種的適應(yīng)性等。3、空氣的通氣方式不同，搖瓶是表面直接接觸。發(fā)酵罐是和空氣混合接觸，考慮

2、二氧化碳的濃度和氧氣的融解情況。4、蒸發(fā)量不同，搖瓶的蒸發(fā)量不好控制，濕度控制好的話，蒸發(fā)量會少。發(fā)酵罐蒸發(fā)量大，但是可以通過補(bǔ)料解決的。5、攪拌方式不同，搖瓶是搖轉(zhuǎn)方式進(jìn)行混合攪拌，對菌株的剪切力較小。發(fā)酵罐是直接機(jī)械攪拌，注意剪切力的影響和無菌的影響。6、PH的控制，搖瓶一般通過碳酸鈣和間斷補(bǔ)料控制PH，發(fā)酵可以直接流加控制PH，比較方便。7、溫度控制，搖瓶是空氣直接接觸或者傳熱控制溫度，但是發(fā)酵罐是蛇罐或者夾套水降溫控制，注意降溫

3、和加熱的影響。8、注意染菌的控制方法不一樣，發(fā)酵罐根據(jù)染菌的周期和染菌的類型等可以采取一些必要的措施減少損失。9、發(fā)酵罐可以取樣或者儀表時時檢測，但是搖瓶因?yàn)榱啃〔荒芊奖愕倪M(jìn)行控制和檢測。10、原材料不一樣，發(fā)酵所用原材料比較廉價(jià)而且粗曠，工藝控制和搖瓶區(qū)別很大等等發(fā)酵工藝中補(bǔ)料的作用補(bǔ)料分批培養(yǎng)(fed—batchculture簡稱FBC)是指在分批培養(yǎng)過程中、間歇或連續(xù)地補(bǔ)加一種或多種成分的新鮮培養(yǎng)基的培養(yǎng)方法、與傳統(tǒng)的分批集中補(bǔ)料

4、培養(yǎng)相比、它有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以避免在分批發(fā)酵中因—次投料過多造成發(fā)酵液環(huán)境突變，造成菌絲大量生長等問題，改善發(fā)酵液流變等性質(zhì)，使得發(fā)酵過程泡沫得以控制，節(jié)省消泡劑，并提高了裝罐系數(shù)。(2)可以控制細(xì)胞質(zhì)量，以提高芽抱的比例，并使pH得以穩(wěn)定。(3)可以解除底物抑制，產(chǎn)物反饋抑制和分解阻遏。(4)可以使“放料和補(bǔ)料”方法得以實(shí)施。該方法在發(fā)酵后期、產(chǎn)生了一定數(shù)量代謝產(chǎn)物后，在發(fā)酵液體積測量監(jiān)控下，放出一部分發(fā)酵液，同時連續(xù)補(bǔ)充——部分

5、新鮮營養(yǎng)液，實(shí)現(xiàn)連續(xù)帶放、既有利于提高產(chǎn)物產(chǎn)量又可降低成本，使得發(fā)酵指數(shù)得以大幅度提高。(5)利用FBC技術(shù)、可以使菌種保持最大的生產(chǎn)力狀態(tài)隨著傳感技術(shù)以及對發(fā)酵過程動力學(xué)理淪深入研究、用模擬復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型使在線方式實(shí)最優(yōu)控制成為可能。連續(xù)補(bǔ)料控制目前采用有反饋控制和無反饋控制兩種方式。有反饋控制：選擇與過程直接關(guān)系的可檢測參數(shù)作為控制指標(biāo)，例如可以測量、控制發(fā)酵液PH、采用定量控制葡萄糖流加。穩(wěn)定PH在次級代謝最旺盛水平。而無反饋控制

6、FBC是指無固定的反饋參數(shù)，以經(jīng)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的辦法來操作最優(yōu)化控制、從而使抗生素發(fā)酵產(chǎn)量得以大幅度提高。例如發(fā)酵過程中前體的補(bǔ)加。由此可見，要實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵過程的有效控制，就先要解決補(bǔ)科的連續(xù)控制問題。目前國外發(fā)酵生產(chǎn)過程連續(xù)補(bǔ)料采用：流量計(jì)(電磁流量計(jì)、液體質(zhì)量流量計(jì))、小型電動、氣動隔膜調(diào)節(jié)閥和控制器來實(shí)現(xiàn)連續(xù)補(bǔ)料控制。菜發(fā)酵工廠在中試試驗(yàn)中還成功地運(yùn)用了電子稱加三閥控制的自動補(bǔ)科系統(tǒng)淺談在發(fā)酵工藝優(yōu)化中統(tǒng)計(jì)手段的重要性。1.協(xié)同

7、效應(yīng)與關(guān)鍵因素：優(yōu)化發(fā)酵工藝實(shí)質(zhì)是考察各個變量對優(yōu)化目標(biāo)的效應(yīng)以獲得各因素（變量）對目標(biāo)值的影響關(guān)系，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)確定最優(yōu)操作條件。同其他學(xué)科一樣，在發(fā)酵優(yōu)化時如果能建立各因素對目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)函數(shù)是最為理想的。但由于發(fā)酵中微生物性質(zhì)的復(fù)雜性（微生物內(nèi)部的代謝機(jī)理，調(diào)控機(jī)制等）及發(fā)酵環(huán)境多樣的傳遞特性（熱，質(zhì)量、動量），使得要建立一個準(zhǔn)確的機(jī)理模型十分困難。因此目前常見的發(fā)酵模型多為黑箱模型，即擬合模型（雖然隨著對微生物代謝途調(diào)控機(jī)制的

8、了解及生化反應(yīng)動力學(xué)的發(fā)展，不少成功的機(jī)理模型也被建立并用于發(fā)酵的優(yōu)化和調(diào)控——可參見諸多生化反應(yīng)動力學(xué)教程及研究文獻(xiàn)）。同時，更簡單的單因素試驗(yàn)或稍復(fù)雜的正交試驗(yàn)也在發(fā)酵工藝優(yōu)化中得到普遍應(yīng)用。雖然針對不同的優(yōu)化要求，優(yōu)化手段當(dāng)然可以也應(yīng)該盡量簡單，但目前很多國內(nèi)學(xué)術(shù)研究文獻(xiàn)還頻頻采用正交試驗(yàn)的確讓人感覺很惋惜，特別是對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理不夠重視，相關(guān)的檢驗(yàn)欠缺。因?yàn)樵诎l(fā)酵時，涉及微生物性質(zhì)（種類、種齡、活力，接種量），生長條件（pH

9、、溫度），培養(yǎng)基組成，傳遞條件（溶氧量或轉(zhuǎn)速、攪拌速度）等多個變量，所以不僅要考察每個因素的效應(yīng)，還應(yīng)考察是否存在不同因素的協(xié)同效應(yīng)。一般而言，存在如此多的因素，協(xié)同效應(yīng)在所難免。而要高效判別協(xié)同效應(yīng)，統(tǒng)計(jì)手段就不可不重視。此外，要高效的進(jìn)行優(yōu)化時，也應(yīng)該借助統(tǒng)計(jì)手段確定各個因素的效應(yīng)大小，選擇重要的因素進(jìn)行重點(diǎn)考察，即抓住主要矛盾把好鋼（精力）用在刀刃（關(guān)鍵因素）上。因此，在優(yōu)化發(fā)酵工藝時，一定要有意識的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)手段，首先確定關(guān)鍵因素

10、（包括產(chǎn)生重要協(xié)同效應(yīng)的因素），而后再集中精力優(yōu)化關(guān)鍵因素。值得一提的是，要事半功倍地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，就應(yīng)該時刻牢記要抓住主要矛盾。2.用統(tǒng)計(jì)手段建立數(shù)學(xué)模型：前點(diǎn)已提及要建立數(shù)學(xué)模型，但為什么要用統(tǒng)計(jì)手段建立數(shù)模了？我們都知道盲人摸象的故事，其實(shí)優(yōu)化發(fā)酵工藝也與此類似。試想，如果我們能準(zhǔn)確地定量了解各個因素是如何影響發(fā)酵目標(biāo)的，那要進(jìn)行優(yōu)化就是個簡單地求最值的問題。之所以進(jìn)行單因素試驗(yàn)或者正交試驗(yàn)，目的就是通過考察輸入－輸出關(guān)系建立變量

11、－響應(yīng)間的關(guān)系。我們?nèi)绻麅H僅通過考察幾個孤立的點(diǎn)就想得到一個系統(tǒng)的全局的關(guān)系實(shí)在有盲人摸象的危險(xiǎn)：獲得一個局部的關(guān)系，得到一個局部的極值而非全局最值；或者獲得失真的關(guān)系，得到連極值都不是的結(jié)果。而如果借助統(tǒng)計(jì)手段，我們可以有意識的選取一些有代表性的點(diǎn)，以獲得全局的正確關(guān)系。比如，如果確定一個正方體的考察空間，那可以選擇八個頂點(diǎn)＋一個中心點(diǎn)，還可以補(bǔ)充考察六個面上的中心點(diǎn)。如此一來，不僅對全局做到了有效考察，而且最少只用9個點(diǎn)就可以達(dá)到目

12、標(biāo)，勝于無目的地考察正方體的其他點(diǎn)。3.如何事半功倍確定有效因素：如果有12個因素需要考察，那考慮到因素間的兩兩協(xié)同效應(yīng)，則要另增加1211＝132個因素。如果采用單因素試驗(yàn)或正交試驗(yàn)，試驗(yàn)將非比尋常。如果借助適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)手段，則可大大減少試驗(yàn)次數(shù)。如Plackett－Burman（拼寫可能有誤）試驗(yàn)，n次試驗(yàn)可以考察n1個因素，即進(jìn)行12次試驗(yàn)可以考察11個因素。雖然PB有一定的缺陷，但一般而言的確是高效而又實(shí)用的。類似的非平衡或平衡塊

13、統(tǒng)計(jì)手段還有許多，我們可以根據(jù)需要選擇合適的手段進(jìn)行試驗(yàn)以達(dá)到目的。4.應(yīng)用統(tǒng)計(jì)優(yōu)化的其他好處：在建立數(shù)學(xué)模型是，選擇合適的方法也對優(yōu)化過程和結(jié)果大有裨益。借助最陡爬坡試驗(yàn)、中心點(diǎn)試驗(yàn)，相應(yīng)面方法，均勻設(shè)計(jì)等方法能讓你準(zhǔn)確、高效的完成試驗(yàn)。借助SAS，SPAA，Statistics等統(tǒng)計(jì)手段，你可以快速完成數(shù)據(jù)的分析、模型構(gòu)建及假設(shè)檢驗(yàn)。而且這些統(tǒng)計(jì)軟件還特供了強(qiáng)大的繪圖能力，你可以看到所建模型的三維圖像，得到直觀影響，輕松進(jìn)行最優(yōu)求解