2015第三章發(fā)酵過(guò)程參數(shù)相關(guān)分析

第三主要內(nèi)發(fā)酵過(guò)程特性簡(jiǎn)發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)分類及檢發(fā)酵過(guò)程理化相關(guān)與生物相多尺度參數(shù)相關(guān)分析的應(yīng)用舉發(fā)酵過(guò)程的特性簡(jiǎn)生物反應(yīng)過(guò)程研究的工業(yè)發(fā)酵過(guò)程涉及兩種反應(yīng)器系細(xì)胞是一個(gè)生物反應(yīng)器系細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)生物反應(yīng)器系實(shí)現(xiàn)工業(yè)發(fā)酵優(yōu)化與放大的關(guān)—兩種反應(yīng)器系統(tǒng)的工程學(xué)研細(xì)胞自身是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)器系各種糖類細(xì)胞代謝是

物產(chǎn)平臺(tái)生物反應(yīng)過(guò)程的多尺度理論與物質(zhì)流、能量流謝曲線相關(guān)分

信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)環(huán)境變

尺反應(yīng)器尺生物反應(yīng)

代謝發(fā)酵過(guò)程特性產(chǎn)生的啟。要加強(qiáng)過(guò)程有關(guān)生物學(xué)機(jī)理（深入到細(xì)胞內(nèi)）的認(rèn)，才能在產(chǎn)品的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)上取得突破性進(jìn)強(qiáng)化細(xì)胞代謝特性的過(guò)程直接觀察，并與細(xì)胞代謝調(diào)控關(guān)強(qiáng)化微觀代謝與宏觀代謝相結(jié)合的研究，使過(guò)程放大常規(guī)發(fā)酵過(guò)程研究方----缺乏機(jī)理性認(rèn)識(shí)，有局限過(guò)程參數(shù)分析方法--耦合相以及手工參數(shù)隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行而 、細(xì)胞或反 發(fā)酵過(guò)程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)要求越來(lái)生物化分子生物

參數(shù)檢(自動(dòng)或手工檢測(cè))綜合性研定性和定量的描計(jì)算工業(yè)生物技術(shù)的快速發(fā)展，過(guò)程研究中對(duì)傳感技術(shù)、計(jì)機(jī)數(shù)據(jù)處理的要求越來(lái)越高，已形成新的工程技術(shù)方發(fā)酵過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的意發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)分類及（一）、發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)分類及檢直接參數(shù)通過(guò)傳感器把非電量變化直接轉(zhuǎn)化為電量變化， 生物量參數(shù)就地測(cè)量(inline)、 手工參數(shù):取樣 手工測(cè)量參數(shù)，離線輸入物理

直接參化學(xué)壓

CO2濃度O2分壓CO2分壓

中間代謝生化反應(yīng)過(guò)程中參數(shù)檢測(cè)的復(fù)雜反應(yīng)器上的傳感器必須能耐熱，經(jīng)受高溫滅菌和避免產(chǎn)生滅菌死角容，但對(duì)其電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)檢發(fā)酵過(guò)程的pH溶解氧（DO）的測(cè)培養(yǎng)液中發(fā)酵液體積的測(cè)溶解二氧化碳的測(cè)發(fā)酵過(guò)程尾氣 分發(fā)酵過(guò)程氧化還原電位檢發(fā)酵過(guò)程在位顯微系發(fā)酵過(guò)程活細(xì)胞檢測(cè)系發(fā)酵過(guò)程的pHpH測(cè)量原溶解氧（DO）的測(cè)

適的參比電極（甘或溶解二氧化碳的測(cè)溶解CO2的測(cè)量是借助碳酸氫鹽pH變化由pH差壓法測(cè)量液位及液體視密差壓法測(cè)量液

液位測(cè)定的意測(cè)定單位體積補(bǔ)料計(jì)量裝杯式補(bǔ)料工業(yè)規(guī)模杯式計(jì)量補(bǔ)料計(jì)量裝工業(yè)規(guī)模電磁流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)實(shí)物發(fā)酵過(guò)程尾氣 分析系CO2測(cè)定不分光紅O2測(cè)定熱磁氧分GXH-101紅外線氣GXH-101紅外線氣體分

□主要技術(shù)分層四氣 的獨(dú)特設(shè)計(jì) 能力高穩(wěn)定性紅外光高穩(wěn)定性測(cè)量氣室、型材鍍金鑄鋁機(jī)箱，防護(hù)級(jí)別部件標(biāo)準(zhǔn)化程度高 、檢修方最大0-100%CO□主要技術(shù)測(cè)量對(duì)象：CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、NH3零點(diǎn)漂移量程漂移線性誤差重復(fù)性誤差響應(yīng)時(shí)間：最大不超過(guò)預(yù)熱時(shí)間輸出信號(hào)：0/4-20mA（RL≤750），0/2-CY-101型磁壓力式氧分析CY-101型磁壓力式氧分析

主要技術(shù)特反應(yīng)速度快理想的線性輸抗非測(cè)量組份干擾能力強(qiáng)，特別適合檢測(cè)氧氣純?nèi)菀鬃儞Q量程及設(shè)置抑零量操作 、檢修方引進(jìn)德國(guó)H&B技術(shù)生主要技術(shù)性零點(diǎn)漂量程漂線性誤重復(fù)性誤差預(yù)熱時(shí)響應(yīng)時(shí)Magnos16(106)/17磁氧分析模質(zhì)譜儀檢測(cè)的原理圖與數(shù)據(jù)處理發(fā)酵過(guò)程尾氣 分析系多路檢測(cè)的質(zhì)譜儀前處理與檢測(cè)國(guó)產(chǎn)過(guò)程質(zhì)譜發(fā)酵過(guò)程尾氣質(zhì)譜儀與分析儀分析數(shù)據(jù)比尾氣數(shù)據(jù)指導(dǎo)補(bǔ)氧限制條件下的供氧控。某產(chǎn)品發(fā)酵過(guò)程代謝曲

dCOTR-dC/dt≈尾氣CO2濃度優(yōu)化控制某產(chǎn)品發(fā)酵過(guò)程代謝曲尾氣分析用于設(shè)備改不同攪拌形 場(chǎng)特性分結(jié)果尾氣分析用于發(fā)酵節(jié)能減某發(fā)酵產(chǎn)品代謝曲線151296151296RQ-3D001020ime(h)506070發(fā)酵過(guò)程氧化還原電位的EnE0

RTln[氧化型 乳酸發(fā)酵過(guò)程中控制不同氧化還原電對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影過(guò)程控制ORP

不同ORP條件下活細(xì)胞量準(zhǔn)確檢菌濃測(cè)定存在干干活細(xì)胞傳感、實(shí)時(shí)獲得準(zhǔn)確的活細(xì)胞量電容原理測(cè)定活細(xì)各種細(xì)胞量測(cè)定方法數(shù)據(jù)測(cè)定DCWDCW(g/l)OD00

PMVCapacitancePMVCapacitance(mS/cm)CFUCFU 電容■-細(xì)胞 過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)黑曲霉發(fā)酵過(guò)程各種參數(shù)的大腸桿大腸桿蘇氨WW=2.11Cap-谷氨酸棒狀谷氨O(jiān)D620=0.254Cap-真養(yǎng)產(chǎn)堿CFU=1.322E+7脫氮假單胞OD700=0.325放線地中海諾卡弗氏鏈霉利福霉泰樂(lè)菌WW=0.051Cap–WW=0.575酵母畢赤酵表達(dá)蛋DCW=0.5Cap–絲狀真黑曲冬蟲夏纖維素蟲草菌WW=0.53Cap+DCW=0.78植物細(xì)紅花細(xì)羥基紅花黃色素DCW=0.03山奈紅豆杉細(xì)紫杉DCW=0.215Cap-動(dòng)物細(xì)Sf-表達(dá)抗Num=5E+6 基 活細(xì)胞傳感儀測(cè)定多尺度生物過(guò)程優(yōu)PHAs發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化PHAs發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化中活細(xì)胞傳感儀32h之前，CFU、OD、DCW和電容值同步上活細(xì)胞傳感儀測(cè)定分PHAs發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化中活細(xì)胞傳感儀的應(yīng)PHAs發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化中活細(xì)胞傳感儀Table.1.EffectofQO2controllingconditions(15-30h)oncellgrowthandPHAsproduction 1.2±0.8±0.4±QO2:比氧消耗速率,μm:最大比生長(zhǎng)速率,PHAs:最終PHAs濃度.PHAs發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化中活細(xì)胞傳感儀的應(yīng)基 電容值測(cè)量的補(bǔ)料控制系PHAs發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化中活細(xì)胞傳感儀基于電容值磷的流A:1.000.05g/L（16-32h）;B:0.500.02g/L（20-28h）;C:nophosphatefed基于活細(xì)胞量測(cè)量的利福霉素發(fā)酵過(guò)程OURQO2CERQCO2直接、實(shí)時(shí) 獲得可靠的菌絲濃基于活細(xì)胞量測(cè)量的利福霉素發(fā)酵過(guò)程21

45

135基于活細(xì)胞量測(cè)量的利福霉素發(fā)酵過(guò)程補(bǔ)料（基于活細(xì)胞量測(cè)量的利福霉素發(fā)酵過(guò)程不同細(xì)胞類型的電容和電導(dǎo)

OD蘇氨

輔酶

嗜熱乳

乳酵母冬蟲夏

纖維素酶發(fā)動(dòng)物細(xì)胞培

檸檬雪蓮細(xì)胞培

利福霉谷氨 泰樂(lè)菌 紅豆杉細(xì)胞培 葡萄糖 番茄紅電子嗅分析過(guò)程狀態(tài)變細(xì)胞形態(tài)的在位觀發(fā)酵過(guò)程在位顯微系1取樣塊，2觀察窗，3反射鏡，4物鏡，56環(huán)形光闌片，7濾色片，8燈源，910CCD光電轉(zhuǎn)換，11圖 處理單元，12計(jì)算生物反應(yīng)器實(shí) 發(fā)酵過(guò)程在位顯微系反應(yīng)過(guò)程成分 分具有自主專利的傅立葉紅外光譜 阿達(dá)瑪近紅 光譜實(shí)時(shí) 測(cè)山梨糖發(fā)酵原位紅外譜

ysisofsorbitolandsorboseinthefermentationbrothwithfouriertransforminfrared生物反應(yīng)過(guò)程的間接參間接參攝氧率二氧化碳生成率細(xì)胞生長(zhǎng)速率氧利用產(chǎn)物量比生產(chǎn)率

雷諾生物幾個(gè)重要的間接參數(shù)計(jì)算公（二）數(shù)相關(guān)基本特發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)參數(shù)的特檢測(cè)參數(shù)=供給—消耗殘留基質(zhì)濃度對(duì)代謝的影限制性基質(zhì)的概發(fā)酵過(guò)程典型的代謝曲直接參數(shù)、間接參數(shù) 生理代謝特征參發(fā)酵過(guò)程參數(shù)相關(guān)分理化相純屬物質(zhì)理化性質(zhì)變化所引起的參數(shù)相生物相（三） 理化相*傳熱（加熱或冷卻）∽發(fā)酵過(guò)程中打開冷卻水的閥門引起罐溫的下化學(xué)過(guò)程：發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng)的結(jié)*酸堿加入某種酸堿物質(zhì)引起pH的變理化相攪拌轉(zhuǎn)速、通氣流量、罐壓轉(zhuǎn)速↑，氣泡↑，氣液接觸表面積↑，KLa↑，OTR〉理化相通氣流量~排氣二氧化碳（ECO2通氣流量~溶解二氧化碳（PＣＯ２）∽ｐＨ罐壓測(cè)量與DO常規(guī)測(cè)量與代理化相關(guān)（二*加 ∽ＣＥＲ，氣泡破裂釋放理化相*攪拌轉(zhuǎn)*溫度↓DO（理化、生理共同作用）傳感原理：T↓,OUR↓,DO↑理化相關(guān)的普遍特非同步間接參數(shù)的變化對(duì)過(guò)程研究的誤導(dǎo)（四）、生物相菌體生長(zhǎng)引起的生物相關(guān)特培養(yǎng)液粘度變化也會(huì)引起溶解二氧化碳CO2與排氣二氧化碳濃度ECO2注意：細(xì)胞生長(zhǎng)期軸向流槳葉所持留的微氣泡與快速增長(zhǎng)的菌體形成氣溶膠現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)性粘度嚴(yán)重影響培養(yǎng)液的混和、傳遞紅霉素發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵液流變特性的菌體生長(zhǎng)與參數(shù)相關(guān)菌體生長(zhǎng)與參數(shù)相關(guān)生長(zhǎng)的限制因一，因此在培養(yǎng)液中高攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)菌體生長(zhǎng)與KLa高轉(zhuǎn)速時(shí)的頭孢C菌絲形態(tài)變頭孢菌素C發(fā)酵過(guò)程菌體生長(zhǎng)引起的參數(shù)變頭孢菌素C發(fā)酵過(guò)程的菌絲形態(tài)A：細(xì)長(zhǎng)菌絲；F：自頭孢菌素Ｃ發(fā)酵過(guò)程菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)量的關(guān)阿維菌素發(fā)酵過(guò)程的菌體生長(zhǎng)與產(chǎn)素 Mass(Mass(PMV)P P 0 120144168192216240

20406080100120140160180200220240260

ie)h

阿維菌素發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)生物相關(guān)：OUR與DO的基本相關(guān)特--臨界氧時(shí)間O2O2消耗與過(guò)程傳遞的物質(zhì)平DO和OUR之間的動(dòng)力學(xué)特絲狀菌絲不同種齡黑色為正常菌金霉素發(fā)酵后期發(fā)酵液稀化--KLa與細(xì)胞生理代謝特性相發(fā)酵過(guò)程 與KLa的關(guān)代謝引起的生物相菌體細(xì)胞代謝化，即為代謝特性參數(shù)相關(guān)----代謝強(qiáng)度的變--------引起的基質(zhì)消耗或代謝產(chǎn)物形成的不環(huán)件線或力因胞引的謝遷、 度信。發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)糖策略實(shí)，補(bǔ)糖與排氣CO2pH的關(guān)補(bǔ)補(bǔ)工程畢赤酵母50小時(shí)趨勢(shì)曲補(bǔ)糖與氮源的利用關(guān)補(bǔ)料與磷含量的變化情乳酸發(fā)酵過(guò)程參數(shù)相關(guān)分析(X-P-生物相關(guān)—青霉素發(fā)酵過(guò)程的碳源流產(chǎn)生的二氧化碳可以用青霉素產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的化學(xué)菌體生長(zhǎng)菌體維持：C6H12O6+ 6CO2+青霉素生產(chǎn)C6H12O6+(NH4)2SO4+0.5O2+細(xì)胞水 代謝調(diào)dc/dt=KLa(rpm↓KLaKLa(c*-c)<OURdc/dt<0 c↓當(dāng)葡萄糖為限

D加

加入 CGLU OUR↑(菌體生理活性O(shè)UR>KLa(c*-c)dc/dt<0c非碳源限制，臨界氧濃

碳源限制，臨界氧濃度

h2 2

加

非碳源限制，臨界氧濃度以

碳源限制，臨界氧濃度

h菌體耗糖形成二氧化碳時(shí)，必須提供氧作為生物氧化所需。因此在排氣成份分析中，可以很明顯地得到氧濃度降低和二氧化碳濃度升高的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，：RQ=(CER)/呼吸商(RQ)變化的生物學(xué)意表征不同的厭氧代謝、耗氧代不同的耗氧代謝途補(bǔ)料與物料。器中微生物細(xì)胞活動(dòng)用化學(xué)元素的平衡OURCER（或速率）、產(chǎn)物生成量和菌體生成量等進(jìn)行RQpH紅霉素發(fā)酵過(guò)程總體參數(shù)變化趨多基質(zhì)利用的參數(shù)相關(guān)變某抗生素發(fā)酵的糖與油利用轉(zhuǎn)生物相關(guān)：RQCERDO的相加碳加碳加碳葡萄糖碳源加

時(shí)間

還原性大的碳

時(shí)間

時(shí)間

消釋放作為消釋放作為碳源利改變流變特加加提高對(duì)氧親和補(bǔ)糖與O