发酵工艺深度交流：对碳源补加策略的思考

发布日期：2021/5/12 15:31:33 点击：1399

发酵调控难，一个关键的原因是大家对发酵的理解多有不同，对补料策略也难以达到共识，所以在下指令前会多有考虑，担心不被认可。

01补料调控的目的
提高补料的得率，使其更多的流向产物。
发酵产物分三类：菌体，初级产物和次级产物。
本文以为不同的产物虽然在补料方式上有所不同，但是总体策略却是一致。只要记住：加量调整不能仅参考发酵液中残留浓度，也要考虑其他指标，就会获得正确的补料方案。作者以前在当工艺员时也因为只考虑了还原糖，导致加糖过多ut产量降低的后果。
当产物为菌体时，通过补碳源使菌体快速生长，可用转化率或产率表征；已经证明在一定范围内补料速率与产率成正比，但是超过这一范围，将不再成正比，所以加率不是越快越好。
当C源或N源不是限制因素时，其他因子就会成为限制因素，比如溶解氧，当溶氧低于临界值时，发酵状态将会受到更严重影响，甚至是不可逆的，因此即使是以菌体为产物的发酵，补加碳源的量也不是越多越好，还应参考其他指标；另外即使没有明显的限制因素，也应该以经济的方式进行补料。
产物是初级代谢物，如果补料速率快，会导致比生长速率超过标准，会带来非预期的后果。对于大肠杆菌，胞内产生大量包含体或质粒丢失，当不能及时检测质粒丢失率时，比生长速率可能是适合作为对其估算的指标，所以可用它指导C源加率或N源加率，而非仅仅是残糖浓度。
可参考：当菌体浓度高于预期时

产物为次级代谢物时，加料量大，可能会导致代谢流的迁移。这时调控方案主要以残糖浓度为指标，间接参考比生长速率、效价、PMV，DO等。比生长速率无论产物如何，都是一个跨尺度分析的指标，当比生长速率高于预期时，预示着初级代谢速率偏高，次级代谢偏低，代表着代谢流的迁移，如果参考效价，可获得更确切的结论。我们多次写过，发酵初期的影响远超想象，所以前期加糖的方案更需要参考其他指标，否则后期的异常将无法避免。

02进一步的分析

上述分析基于发酵参数之间复杂的耦合关系，它决定了任何一个参数的调控都会影响到其他指标，反过来，决定一个参数值时，也不应该仅参考一个指标。
正是因为参数之间的复杂耦合关系，要开发发酵全自控程序，除了考虑单个操作参数与某一个变量之间的关系，还要考虑这一操作变量对其他参数的影响，补料环节是最核心的算法，希望本文能够为开发这一程序提供一些思路。
当通过控制残留浓度控制补料时，特别应该通过对历史数据进行统计为每一个发酵品种设计一个优残留浓度的参考曲线。因为这一控制曲线统计过程，已经考虑了其他参数，所以会使工艺调控变得更方便。
在补料时，也会遇到一些让人困惑的问题：比如什么样的补料时机好，是当残留浓度降到一定水平就补，还是当营养耗尽再补，前者对微生物生长的影响较小，而后者却可以利用这个刺激，获得调控的作用，甚至改变代谢途径，如果补料是较难代谢的营养，后一种操作形式会有更好的效果，且用ｐＨ和溶氧的反弹作为其补料的参考指标。
上述问题，需要通过实验进行回答，不同的菌种会有不同的答案，不过，当我们考虑这些问题时，说明对工艺的理解上了一个台阶。

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