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        發酵過程中常用參數的基本含義

        日期:2020-12-07 作者:發酵罐專業生產商上海聯環 閱讀:76

        隨著發酵自動化的迭代升級,以及人力成本的提高,越來越多的線上和在線參數被開發出來,而且即使是離線參數,也越來越多的用全自動的分析儀替代傳統的手工檢測。這些參數比手工檢測有很多優勢。一個最顯著的優勢在穩定,方便驗證和為自動化控制的迭代升級奠定基礎。
        攪拌及其輸入功率
        攪拌的輸入功率與攪拌的效果直接相關,發酵罐裝配變頻器,支持DO與攪拌轉速偶聯,是工藝優化和節能的一個重要措施。攪拌轉速與攪拌功率成正比,除提升Kla的作用外,還可以使發酵體系更均勻,另外提供剪切力,包括攪拌葉旋轉帶來的剪切,以及液流的湍動帶來的剪切。
        通氣流量
        通氣控制的核心原則是要保持體系中的DO能夠維持在臨界氧濃度以上。因為空氣成本占比較高,對于大型企業,常常通過調節通氣流量分配實現節能降耗的效果。一些企業會在發酵初期微開空氣,等溶解氧下降到一定的水平再慢慢開大空氣,這是因為在前期,生產菌較少消耗氧氣,如果開大空氣,則通入的空氣不能轉換成溶解氧,造成浪費。
        調節空氣流量是通過改變液體中氣泡量和氣泡在發酵液中保持時間來改變Kla的。試驗證明通氣流量增大可提升溶解氧,但是到一定程度時,空氣流量增加對溶解氧增加的效果會非常小,除了傳質勢能降低外,另外一個重要原因是:空氣流量增加到一定程度,氣泡的體積將增加,極限的情況會產生氣流短路,這些情況并不能有效提升氣泡的表面積,另一方面氣體流速增加,將導致氣泡在發酵液中保持時間變短。
        由于通氣流量和攪拌對Kla關系上有交互作用,所以在對DO控制上,僅使用通氣流量或攪拌與DO進行偶聯,都存在一定的片面性。
        Kla、DO和OUR
        KLa,表征生物反應過程氧傳質效能的重要指標。對很多產品,KLa與發酵結果之間存在著緊密的對應關系,因此,以Kla為放大準則,已成為生物化工界一個廣泛接受的觀點。影響KLa 指標除設備性能外,發酵過程本身也影響著KLa,有研究顯示,發酵溫度、發酵液粘度、空氣流量、罐壓等指標也是影響KLa的指標。

        上圖給出了參數的計算方法,請注意,第一個公式代表進入發酵罐的氮氣的物質的量與尾氣中的氮氣相等,所以才可以使用第二個公式對尾氣的流量進行計算,從而減少了在發酵罐上安裝尾氣流量計的成本。
        培養基重量
        培養基重量,一般用稱重的方式獲得,是發酵物料衡算和過程計算的核心參數,影響發酵液重量的因素有呼吸作用、蒸發、補料、帶放、逃液、取樣等。這些影響因素中,補料可以計算,逃液是小概率事件,因此蒸發量可以通過培養液的重量的變化估算出來。
        補料量
        生物過程對不同物料需求量不同,工程師通常需要通過對發酵過程參數進行關聯分析為每種物料制訂相應的補加策略。比如青霉素發酵,其前體的添加除了考慮發酵進程外,還要需要參考發酵單位的變化。
        一般情況下,加料速率設定時還要參考累積加料量,否則可能會因為參數檢測滯后或者錯誤,導致調控失誤。
        累積消耗量
        積累消耗量是一個非常關鍵的參數,甚至比當前設定的補料量還關鍵,可以用積累消耗量計算產出比,可以比較批次之間的差異,而且更是當前補料速率的重要參考。有經驗的工藝員一般在設定補料前,一定會參考其累積消耗量,防止出現補料過多,產生類似葡萄糖抑制效應。
        酸堿加量
        廣義的酸,包含特別多的物質,但是在發酵過程所指的狹義的酸,如鹽酸和硫酸等用于調節pH的物質,并非是指酸性物質。當然如溫度一樣,pH值的重要性也被自控手段掩蓋了。但是我們可以通過分析酸加量,來還原pH這一重要的參數的變化趨勢。
        消泡劑加量
        有人發現當向發酵液中加消泡劑時,DO會突然降低,所以很容易得出結論:消泡劑的作用是消除了泡沫,所以得出被消除泡沫的作用是提高溶解氧的。
        如果您也有這樣的結論,請看看本人的解釋,或許會改變你的看法:當消泡劑加到發酵液后,表面的沫最易受到影響而裂開,裂開后直接進入了尾氣,所以這部分氣泡并不能增加發酵液中的DO變化。消泡劑可以改變發酵液的表面張力,改變表面張力的原因是改變了氣液界面的成分,從而一方面使氣泡體積發生變化 ,另一方面改變氣泡中的氧分子穿過界膜的阻力。兩者組合起來改變Kla的大小。另外消泡劑加入到發酵體系后,溶解氧電極膜也會受到這種小分子的影響,從而降低了發酵液中的氧擴散到電極液中的速率,因此會形成DO突然變小的假象。
        泡沫水平
        泡沫水平與菌種、培養基組成、原料產地及發酵控制工藝有直接的關系。我將泡沫有兩類,一是『泡』,一是『沫』,前者在液體中,后者在液體表面,前者可以提供溶解氧,后者不能使溶解氧增加。
        反應器中的泡沫達到一定水平可通過泡沫電極來報警,但是,將其與消泡劑關聯實施閉環控制,則可能導致消泡劑加量過大影響發酵結果及下游提取。
        生物量
        發酵作為一種生產方式,其產物有三類,第一類是菌體,第二類是初始代謝產物,第三類是次級代謝產物,前兩類需要提高細胞量,后一種則需要對細胞的生長進行限制,以使更多的初始代謝產物向次級代謝產物轉變。細胞量的測量有多種方式,直接的方式有離心法和干燥法直接測量菌體的量,間接方式有OD法,核酸測定法和其他軟測量估算法。細胞量無論對哪種產物的發酵方式都是最關鍵的控制指標之一。
        表觀粘度
        培養液由不同的物質組成,發酵進程由于菌體的代謝,所以發酵液的成分也會時時的變化,所以培養液的表觀粘度也必然時時改變,有些企業通過流動時間進行測量(一定體積發酵液通過大肚刻度管的時間進行測定),有些企業通過在線或離線的粘度計進行測定。表觀粘度是一個綜合的參考指標,它受多種參數影響,同時又影響多個參數,影響它的因素如菌體濃度,培養基組成,泡沫大小等,另一方面這一參數又會影響到Kla,DO,泡沫大小等參數它與發酵結果的關系很難判斷,或許發酵效價和粘度都是發酵的結果。
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