文档介绍：第一章绪论 0
第一节发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容 1
一、发酵过程优化在生物工业中的地位 1
二、发酵过程优化的研究内容 1
第二节发酵过程优化的研究进展 3
一、发酵过程优化是生物反应工程的研究前沿之一 3
二、流加发酵 4
三、高生产率和高细胞密度发酵 8
第一章绪论
第一节发酵过程优化在生物工业中的地位及其研究内容
一、发酵过程优化在生物工业中的地位
20世纪70年代以重组DNA技术为标志的现代生物技术的诞生,意味着人们可以直接操纵细胞的遗传机制,使之为人类的需要服务,这就从根本上扩大了生物系统的应用范围。现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、药物的过程中发挥重要的作用,还能经济、清洁地生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊化学品,在解决人类面临的人口、粮食、健康、环境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用。
然而,生物技术要真正造福于人类,必须走产业化的道路,这意味着仅仅依靠重组DNA技术或其它改造生物系统的技术是不够的。以工业微生物为例,选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开始,要使优良菌株的潜力充分发挥出来,还必须优化其发酵过程,以获得较高的产物浓度(便于下游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高的生产强度(缩短发酵周期)。现代生物技术已经把过程优化作为一项重要研究内容来对待。
发酵是生物技术产业化的基础。为了追求经济效益,发酵工厂的规模不断扩大,由于反应器结构不当或控制不合理引起的投资风险也急剧增加。要规避这种风险,就必须首先在实验室中对发酵过程优化进行研究,特别是生物反应宏观动力学和生物反应器的研究。简而言之,生物反应动力学是有关生物的、化学的与物理过程之间的相互作用,诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等。生物反应动力学研究的目的是为描述细胞动态行为提供数学依据,以便进行数量化处理。生物反应宏观动力学是发酵过程优化的基础。生物反应器则是发酵过程的外部环境,反应器类型对发酵过程的效率及发酵过程优化的难易程度影响很大。发酵过程优化的目标就是使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化,并对这些条件和相互关系进行优化,使之最适于特定发酵过程的进行。
二、发酵过程优化的研究内容
发酵过程和化工过程最主要的不同之处在于发酵过程有微生物参与进行。微生物作为有生命的一种物质,其行为与化学催化剂相比更加难以控制,因而导致某些发酵过程参数难以检测,过程可控性也比化工过程有所下降。因此,如何把发酵过程模型化的概念和一些微生物生理学的基本问题结合起来已经成为生化工程学者在进行发酵过程优化研究时的主要问题之一。因为只有了解了微生物的生理生化特性,才能更好地驾驭微生物使之造福于人类。
发酵过程通常在一个特定的反应器中进行,由于微生物反应是自催化反应,故而其自身也是反应器,所有要从细胞这个微反应器中出来的物质都必须通过细胞和环境之间的边界线,使得所有在细胞体内(即生物相)所发生的反应都与环境状况(即非生物相)密切联系在一起。实际的生物反应系统是一个非常复杂的三相系统,即气相、液相和固相的混合体,且三相间的浓度梯度相差很大,达几个数量级。要对如此复杂的系统进行优化研究,必须作大量的假设使问题得以简化,因为有关生物反应的单个步骤、进/出细胞物质的传递以及反应器内的混合等问题的研究已经相当成熟,如果能通过适当的假设使复杂的反应过程简化至能够进行定量讨论的程度,一般来说就能够实现反应过程的优化。
发酵过程优化主要涉及四个方面的研究内容。
第一个方面是细胞生长过程(cell growth reaction)研究。如果不了解微生物的生理特性和胞内的生化反应,研究反应动力学是没有意义的,更谈不上发酵过程优化。因此,细胞生长反应的研究是发酵过程优化的重要基础内容。研究细胞的生长反应,不仅要清楚地了解微生物从非生物培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向,还要确定不同环境条件下微生物的代谢产物分布。
第二个方面是微生物反应的化学计量。微生物利用底物进行生长,同时合成代谢产物,底物中的含碳物质作为能源,和氮源一起促进细胞内的合成反应。理论上,所有投入的碳和氮都可以在生物反应器的排出物——菌体细胞、剩余底物以及代谢产物中找到,因此,微生物反应的化学计量似乎是件很容易的事情,然而事实并非如此。缺少传感器,在生化系统中进行连续检测的困难,或者由于对微生物的生理特性缺乏深入的认识而导致遗漏了代谢产物,这些都会使得发酵过程的质量衡算很难进行。而对来自工业研究的动力学数据进行质量衡算则更困难。对微生物反应进行化学计量和质量衡算的优越性在于∶即使没有任何有关该微生物反应动力学的参考资料,运用基于化学计量关系的代谢通