生物工藝學(xué)第七章生物反應(yīng)器和生物工藝過程的放大

1、生 物 工 藝 學(xué)第七章生物反應(yīng)器和生物工藝過程的放大7.1 概述 7.2 生物反應(yīng)器 7.2.1 生物反應(yīng)器的分類 7.2.2 深層液態(tài)反應(yīng)器 7.2.3 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究7.3.1 實(shí)驗(yàn)室的生物反應(yīng)器 7.3.2 搖瓶試驗(yàn) 7.3.3 實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法生物反應(yīng)過程放大實(shí)驗(yàn)室搖瓶與發(fā)酵罐培養(yǎng)的差異 7.4.2 發(fā)酵罐規(guī)模改變的影響 7.4.3 生物工藝過程放大的方法 7.1 概述生物工程技術(shù)的最終目標(biāo)是為人類提供服務(wù)，創(chuàng)造社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。因此，生物產(chǎn)品必須經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)室到規(guī)?；a(chǎn)直至成為商品的一系列過程，其研究開發(fā)過程包含了實(shí)驗(yàn)室的小試，適當(dāng)規(guī)模的中試和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)等幾

2、個(gè)階段。 實(shí)驗(yàn)室小試適當(dāng)規(guī)模的中試產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn) 7.2 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器是利用生物催化劑(游離態(tài)或固定態(tài)的微生物或動(dòng)、植物細(xì)胞及酶)進(jìn)行生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)的反應(yīng)裝置稱為生物反應(yīng)器或生化反應(yīng)器，常稱為發(fā)酵罐。 7.2.1 生物反應(yīng)器的分類 根據(jù)所使用的生物催化劑種類的不同可將生物反應(yīng)器分為酶生物反應(yīng)器和細(xì)胞生物反應(yīng)器，其中細(xì)胞生物反應(yīng)器又可分為微生物細(xì)胞生物反應(yīng)器及動(dòng)物細(xì)胞生物反應(yīng)器、植物細(xì)胞生物反應(yīng)器、微藻生物反應(yīng)器。 根據(jù)生物催化劑的使用形式可分為固定化酶或細(xì)胞的反應(yīng)器及游離態(tài)酶或細(xì)胞的反應(yīng)器。其中常見的酶、細(xì)胞的反應(yīng)器具體有攪拌罐式、固定床或填充床、流化床、膜式反應(yīng)器、鼓泡塔式反應(yīng)器等

3、。 根據(jù)培養(yǎng)過程中是否需要光照，分為光照生物反應(yīng)器和普通生物反應(yīng)器。 7.2.1 生物反應(yīng)器的分類 根據(jù)生物反應(yīng)器的幾何形狀(高徑比或長徑比)和結(jié)構(gòu)特征來分類，可將反應(yīng)器可分為罐式(槽式或釜式)、管式、塔式及膜式等幾大類。罐式反應(yīng)器的高徑比較小，一般為13，常含有攪拌器。 根據(jù)培養(yǎng)基狀態(tài)分為固態(tài)生物反應(yīng)器及液態(tài)生物反應(yīng)器。對于大多數(shù)的生物反應(yīng)都是采用深層液態(tài)發(fā)酵方式，但仍有一部分研究及應(yīng)用采用固態(tài)發(fā)酵方式 。根據(jù)操作方式不同可分為分批(間歇)式、分批補(bǔ)料式、連續(xù)式。連續(xù)式操作時(shí)采用多級(jí)罐式反應(yīng)器串聯(lián)使用。7.2.1 生物反應(yīng)器的分類 根據(jù)微生物細(xì)胞對氧的需求與否，分為好氧型生物反應(yīng)器和厭氧型生

4、物反應(yīng)器。好氧型生物反應(yīng)器，又稱通氣生物反應(yīng)器，根據(jù)通入空氣及物料混合的方式不同，可分為攪拌式、氣升式、自吸式反應(yīng)器。 大多數(shù)的生化反應(yīng)都是采用的深層液態(tài)發(fā)酵法 。 它具有如下優(yōu)點(diǎn)：液體懸浮狀態(tài)是許多微生物的最適生長環(huán)境。在液態(tài)環(huán)境中，菌體、底物，產(chǎn)物(包括熱) 易于擴(kuò)散，使發(fā)酵在均質(zhì)或擬均質(zhì)條件下進(jìn)行，便于檢測、控制，易擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。液體輸送方便，易于機(jī)械化、自動(dòng)化操作。產(chǎn)品易于提取精制。 常見的好氧深層液態(tài)反應(yīng)器有機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器、自吸式反應(yīng)器等。7.2.2 深層液態(tài)反應(yīng)器7.2.2.1 機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器 機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器 ，是工業(yè)上最常用的一種微生物反應(yīng)器。這類發(fā)酵罐

5、既具有機(jī)械攪拌又有壓縮空氣分布裝置。攪拌器的主要作用是打碎空氣氣泡，增加氣液接觸界面，以提高氣液間的傳質(zhì)速率，同時(shí)也是為了使發(fā)酵液充分混合，液體中的固形物料保持懸浮狀態(tài)。 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐主要部件有：罐體、攪拌器和擋板、消泡器、聯(lián)軸器及軸承、變速裝置、空氣分布裝置、軸封、冷卻換熱裝置等。機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸比例H/D=1.73d/D=1/21/3W/D=1/81/12s:兩攪拌器間距,W:擋板寬度d:攪拌器直徑,H:發(fā)酵罐筒身高HL:液位高度,B:下攪拌器距底間距,D:發(fā)酵罐內(nèi)徑機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器的攪拌器反應(yīng)器的

6、攪拌器使被攪拌的液體產(chǎn)生軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)。其作用為混合和傳質(zhì)，它使通入的空氣破碎分散成氣泡，增大氣液界面，與發(fā)酵液充分混合，獲得所需的溶氧速率，并使細(xì)胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當(dāng)?shù)臍庖汗?細(xì)胞)三相的混合與質(zhì)量傳遞，同時(shí)強(qiáng)化傳熱過程 。攪拌器分為軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（平葉式、彎葉式、箭葉式）兩種。攪拌葉輪大多采用渦輪式，最常用的有平葉式、彎葉式圓盤渦輪式攪拌器，葉片數(shù)量一般為6個(gè)。 攪拌葉類型 圓盤平直葉渦輪攪拌器 圓盤箭葉渦輪攪拌器 圓盤彎葉渦輪攪拌器 槳葉式攪拌器 螺旋槳式攪拌器 在相同的攪拌功率下粉碎氣泡的能力的大小是，平葉攪拌器大于彎葉攪拌器，彎葉攪拌器大于箭葉式

7、攪拌器；但其翻動(dòng)流體的能力則與上述情況相反。 在反應(yīng)器中加設(shè)擋板是為了防止液面中央形成漩渦流動(dòng)，增強(qiáng)其湍流和溶氧傳質(zhì)。擋板的高度自罐底起至設(shè)計(jì)的液面高度止。機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器的擋板 全擋板條件是在攪拌發(fā)酵罐中增加擋板或其他附件時(shí)，攪拌功率不再增加，而旋渦基本消失。攪拌器的形狀和安裝位置決定其在發(fā)酵罐內(nèi)的運(yùn)行的性能。經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)酵罐中如采用列管式換熱器也可起到擋板的作用。反應(yīng)器中的換熱裝置機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器的換熱裝置罐內(nèi)換熱罐外換熱小型發(fā)酵罐多采用外夾套傳熱裝置 大中型發(fā)酵罐多采用排管傳熱裝置夾套傳熱排管傳熱 攪拌器分為軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（平葉式、彎葉式、箭葉式）兩種。機(jī)械攪拌通

8、風(fēng)反應(yīng)器的攪拌器 其作用為混合和傳質(zhì)，它使通入的空氣破碎分散成氣泡，增大氣液界面，與發(fā)酵液充分混合，獲得所需的溶氧速率，并使細(xì)胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當(dāng)?shù)臍庖汗?細(xì)胞)三相的混合與質(zhì)量傳遞，同時(shí)強(qiáng)化傳熱過程 。 反應(yīng)器的攪拌器使被攪拌的液體產(chǎn)生軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng) 機(jī)械攪拌反應(yīng)器 優(yōu)點(diǎn):操作彈性大，pH值和溫度易于控制；有較規(guī)范的工業(yè)放大方法；適合連續(xù)培養(yǎng)。 缺點(diǎn):驅(qū)動(dòng)功率大；內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于徹底洗凈,易造成污染；在絲狀菌的培養(yǎng)中由于攪拌器的剪切作用，細(xì)胞易損傷。 氣升式反應(yīng)器也是目前應(yīng)用較為廣泛的生化反應(yīng)設(shè)備，這是一類塔式反應(yīng)器，高徑比較大，其中相際的混合與傳質(zhì)是借各種方式誘導(dǎo)的環(huán)流

9、來實(shí)現(xiàn)的。氣升式反應(yīng)器 常見類型有氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式 具有結(jié)構(gòu)簡單、不易染菌、溶氧效率高、剪切力小、傳熱良好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。7.2.2.3 自吸式反應(yīng)器 自吸式反應(yīng)器不需空氣壓縮機(jī)供應(yīng)壓縮空氣，而是利用攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。攪拌器是一空心葉輪，葉輪快速旋轉(zhuǎn)時(shí)液體被甩出，在葉輪中心形成負(fù)壓,從而將罐外空氣吸到罐內(nèi)。自吸式反應(yīng)器 優(yōu)點(diǎn):利用機(jī)械攪拌的抽吸作用將空氣自吸入反應(yīng)器內(nèi),達(dá)到既通風(fēng)有攪拌的目的，從而省去了壓縮機(jī)。 缺點(diǎn):吸程一般不高，必須采用低阻力高效空氣除菌裝置。 7.2.3 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器培養(yǎng)基組成較簡單培養(yǎng)基含水量低，后處理加工較方便不一定需要連續(xù)通風(fēng)產(chǎn)物的產(chǎn)

10、量較高設(shè)備簡單、投資小、能耗低 固態(tài)發(fā)酵過程雖然不如深層液態(tài)發(fā)酵普遍，但固體發(fā)酵也具有很多液體發(fā)酵所不具備的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：淺盤式反應(yīng)器填充床反應(yīng)器轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器 固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的類型淺盤式反應(yīng)器 淺盤式反應(yīng)器很早地應(yīng)用于抗生素、有機(jī)酸的固態(tài)表面培養(yǎng)的生產(chǎn)中 。通常由木質(zhì)、塑料、或金屬的材質(zhì)制成的、帶蓋或無蓋的、底部能通風(fēng)的淺盤。 淺盤式反應(yīng)器屬于靜態(tài)反應(yīng)器，淺盤式的結(jié)構(gòu)和操作都相對簡單，裝料量少，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，可增加淺盤數(shù)目。淺盤室內(nèi)的溫度和濕度容易控制，特別適用于制曲。這種反應(yīng)器由于存在對流空氣，散熱效果較差，對淺盤物料的厚度有所限制，并且占地面積較大，需要耗費(fèi)一定的人力。淺盤固態(tài)發(fā)酵

11、反應(yīng)器7.2.3.2 填充床反應(yīng)器 填充床反應(yīng)器中的固體物通常呈顆粒狀，粒徑為215mm左右，堆積成一定高度(或厚度)的床層，床層靜止不動(dòng)，在床層底部通常裝有強(qiáng)制通風(fēng)裝置，可滿足較大量的固態(tài)培養(yǎng)基的發(fā)酵需求 。 填充床反應(yīng)器是目前機(jī)械化程度較高的能實(shí)現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵的反應(yīng)器，主要用于米曲、麩曲的工業(yè)化制備。 7.2.3.3 轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器的基本形式是一個(gè)圓柱型或鼓型容器支架在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)主要起支撐和提供動(dòng)力的作用。轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器包括基質(zhì)床層、氣相流動(dòng)空間和轉(zhuǎn)鼓壁等組成的多相反應(yīng)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器不同的是：基質(zhì)床層不是鋪成平面，而是由處于滾動(dòng)狀態(tài)的固體培養(yǎng)基顆粒構(gòu)成。菌體

12、生長在固體顆粒表面，轉(zhuǎn)鼓以較低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，就如同設(shè)置了攪拌軸那樣加速傳質(zhì)和傳熱過程。 實(shí)驗(yàn)室的研究內(nèi)容主要為新產(chǎn)品開發(fā)的理論研究，新發(fā)酵菌種的選育、篩選、新發(fā)酵原料的開發(fā)、培養(yǎng)基配方及培養(yǎng)條件的優(yōu)化、新工藝及技術(shù)的研究及放大等。 實(shí)驗(yàn)室中小規(guī)模的研究，常要用到各種型號(hào)的試管、培養(yǎng)皿、三角瓶等玻璃器皿。試管、培養(yǎng)皿主要用于新菌種的保藏、篩選研究。三角瓶的常用規(guī)格為100ml、250ml、500ml、1000ml等，較廣泛地應(yīng)用于培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件，新工藝技術(shù)等的研究。7.3 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究 7.3.1 實(shí)驗(yàn)室的生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室中小規(guī)模的研究，常要用到各種型號(hào)的試管、培養(yǎng)皿、三角瓶等玻璃器皿。試管、

13、培養(yǎng)皿主要用于新菌種的保藏、篩選研究。三角瓶的常用規(guī)格為100ml、250ml、500ml、1000ml等，較廣泛地應(yīng)用于培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件，新工藝技術(shù)等的研究。對于好氧型發(fā)酵過程的研究，主要借助的設(shè)備有氣體自然交換的搖瓶發(fā)酵和強(qiáng)制通氣的發(fā)酵罐發(fā)酵。 搖瓶試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室研究的主要方式，是在一定大小體積的錐形燒瓶中裝入一定量的培養(yǎng)基，經(jīng)滅菌、接種、在搖瓶機(jī)上進(jìn)行恒溫振蕩培養(yǎng)一定時(shí)間后，分析測定培養(yǎng)液中的參數(shù)變化和產(chǎn)物得率的試驗(yàn)。 試驗(yàn)中搖瓶的裝載量一般為1020，如果太高會(huì)使發(fā)酵液濺到瓶口的棉塞，影響正常的通氣及發(fā)酵。搖瓶試驗(yàn)的方法可用較少量的培養(yǎng)基，獲得大量的數(shù)據(jù)，但因受到條件的限制，對菌體的生長

14、及發(fā)酵結(jié)果有一定的影響。 7.3.2 搖瓶試驗(yàn)瓶塞對氧傳遞的阻力搖瓶發(fā)酵對菌體生長的影響搖瓶內(nèi)水分蒸發(fā)的影響與氧氣接觸的比表面積的影響 7.3.2.1 瓶塞對氧傳遞的阻力 為了保證瓶內(nèi)的純種培養(yǎng)，將瓶內(nèi)發(fā)酵液與瓶外環(huán)境相隔絕，所以須配置適當(dāng)?shù)钠咳ＭǔＦ咳臑V材有棉花、紗布、纖維紙、特殊的聚乙烯醇等。而一定厚度的過濾介質(zhì)，可以杜絕外界空氣中的雜菌或雜質(zhì)進(jìn)入瓶內(nèi)，但同時(shí)增大了瓶外氧氣的傳遞阻力。不同材質(zhì)的瓶塞對氧的傳遞阻力是不同的，在某些情況下可能成為氧傳遞的限制性因素。因此，在實(shí)際工作中，在保證除去雜菌的前提下，盡量選用傳遞阻力小的瓶塞材質(zhì)和合適的介質(zhì)厚度。 7.3.2.2 搖瓶內(nèi)水分蒸發(fā)的影

15、響搖瓶在振蕩培養(yǎng)期間，由于發(fā)酵液中的水分經(jīng)由瓶塞而蒸發(fā)，影響了發(fā)酵液的體積及各成分濃度，改變了發(fā)酵液與搖瓶總體積的比值，進(jìn)而改變了氧的傳遞速率，而在發(fā)酵罐中發(fā)酵是不存在此問題的，所以水分的蒸發(fā)成為搖瓶試驗(yàn)中不可忽略的影響因素之一。 7.3.2.3 與氧氣接觸的比表面積的影響 為了保證瓶內(nèi)的純種培養(yǎng)，將瓶內(nèi)發(fā)酵液與瓶外環(huán)境相隔絕，所以須配置適當(dāng)?shù)钠咳?。通常瓶塞的濾材有棉花、紗布、纖維紙、特殊的聚乙烯醇等。而一定厚度的過濾介質(zhì)，可以杜絕外界空氣中的雜菌或雜質(zhì)進(jìn)入瓶內(nèi)，但同時(shí)增大了瓶外氧氣的傳遞阻力。不同材質(zhì)的瓶塞對氧的傳遞阻力是不同的，在某些情況下可能成為氧傳遞的限制性因素。因此，在實(shí)際工作中，在

16、保證除去雜菌的前提下，盡量選用傳遞阻力小的瓶塞材質(zhì)和合適的介質(zhì)厚度。 搖瓶發(fā)酵過程中氧氣的提供，僅靠通過瓶塞過濾后的外界空氣與發(fā)酵液液體表面接觸而傳遞到液體內(nèi)部。所以，氧的傳遞與發(fā)酵液的比表面積大小密切相關(guān)。 影響比表面積大小的因素主要有：(1)搖瓶機(jī)振蕩的頻率和振幅大??；(2)搖瓶內(nèi)培養(yǎng)基體積與搖瓶總體積的比率，即裝載量大??；(3)搖瓶的結(jié)構(gòu)等方面 。 搖瓶機(jī)的振蕩劇烈程度與氧的傳遞速率在一定程度上成正比，與培養(yǎng)基的裝載量呈反比關(guān)系，裝載量愈大，氧的傳遞速率就愈小，反之就大。 7.3.2.3 與氧氣接觸的比表面積的影響7.3.3.1 實(shí)驗(yàn)室研究內(nèi)容 7.3.3 實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 微生

17、物發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)室研究有以下內(nèi)容： (1)選育優(yōu)良菌株；(2)研究菌株的保藏條件及其穩(wěn)定性；(3)研究菌株的性能；(4)研究菌株最優(yōu)培養(yǎng)條件，即考查培養(yǎng)基最適組成、最佳的pH、溫度、培養(yǎng)時(shí)間、通氣程度等培養(yǎng)條件；(5)考察菌株實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的培養(yǎng)技術(shù)。 7.3.3.2 實(shí)驗(yàn)室研究常用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 試驗(yàn)中，常常需要考查多個(gè)因素、多個(gè)水平的影響。但按單個(gè)因素進(jìn)行全面試驗(yàn)，如考察N個(gè)因素、R個(gè)水平，則需要進(jìn)行NR個(gè)試驗(yàn)，需要消耗大量的人力物力和時(shí)間，因此，需要對因素進(jìn)行合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過盡量少的試驗(yàn)來獲得盡量多的、可靠的試驗(yàn)信息。在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中常采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來進(jìn)行最佳化條件的考察試驗(yàn)，目前在生物工程試驗(yàn)設(shè)

18、計(jì)中常采用的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、響應(yīng)面分析、遺傳算法等。 正交設(shè)計(jì) 正交設(shè)計(jì)是研究多因素多水平試驗(yàn)常用的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。利用正交試驗(yàn)得出的結(jié)果比普通比較法所得結(jié)果對產(chǎn)量能提高1050%，有時(shí)甚至更高，目前正交試驗(yàn)在很多領(lǐng)域的研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。 均勻設(shè)計(jì) 均勻設(shè)計(jì)是基于試驗(yàn)點(diǎn)在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布，從均勻性角度出發(fā)的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，是數(shù)論方法中的“偽蒙特卡羅方法”的一個(gè)應(yīng)用，由我國方開泰和王元兩位數(shù)學(xué)家于1978年創(chuàng)立。 它與正交設(shè)計(jì)法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)次數(shù)少，每

19、個(gè)因素每個(gè)水平只做一次試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)與水平數(shù)相等，而正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)次數(shù)是水平數(shù)平方的整倍數(shù)；適當(dāng)調(diào)整水平順序，就可避免高(或低)檔次水平相遇，以防試驗(yàn)出現(xiàn)意外現(xiàn)象；利用電子計(jì)算機(jī)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可迅速求得定量的回歸方程式，便于分析各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，定量地預(yù)測優(yōu)化結(jié)果。 響應(yīng)面分析法 響應(yīng)面分析法，也稱響應(yīng)曲面法，可克服上述幾種方法的不足。是一種將數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，綜合了試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模，它將體系的響應(yīng)(如發(fā)酵產(chǎn)量)作為一個(gè)或多個(gè)因素(如溫度、基質(zhì)濃度等)的函數(shù)，運(yùn)用圖形技術(shù)將這種函數(shù)關(guān)系顯示出來，以供我們憑借直覺的觀察來選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化條件。 響應(yīng)面分析法的特點(diǎn)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)合

20、理，可用最少的試驗(yàn)數(shù)和時(shí)間經(jīng)濟(jì)地對試驗(yàn)進(jìn)行全面研究，科學(xué)地提出局部和整體的關(guān)系，對因子和試驗(yàn)結(jié)果(響應(yīng)面)之間、因子之間的相互關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化。 遺傳算法 遺傳算法是近年來發(fā)展起來的不同于傳統(tǒng)算法的、概念全新的優(yōu)算法，已被用于生物培養(yǎng)條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。遺傳算法是一類借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律(適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制)演化而來的隨機(jī)化搜索方法。 遺傳算法主要特點(diǎn)是直接對結(jié)構(gòu)對象進(jìn)行操作，不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定，具有內(nèi)在的隱并行性和更好的全局尋優(yōu)能力，采用概率化的尋優(yōu)方法，能自動(dòng)獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，不需要確定的規(guī)則,是具有“生存檢測”的迭代過程的搜索算法。 7.4.1 實(shí)

21、驗(yàn)室搖瓶與發(fā)酵罐培養(yǎng)的差異7.4 生物反應(yīng)過程放大7.4.2 發(fā)酵罐規(guī)模改變的影響7.4.3 生物工藝過程放大的方法 生物反應(yīng)過程工藝和設(shè)備改進(jìn)的研究，首先在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，然后再逐漸放大到較大的設(shè)備中進(jìn)行。然而在實(shí)踐中往往是從小罐中獲得的規(guī)律和數(shù)據(jù)，常常不能在大罐中再現(xiàn)，這就涉及生物反應(yīng)過程放大的問題，其本質(zhì)是試驗(yàn)規(guī)模的變化引起差異。溶解氧的差異二氧化碳濃度的差異7.4.1 實(shí)驗(yàn)室搖瓶與發(fā)酵罐培養(yǎng)的差異菌絲受損的差異 7.4.1.1 溶解氧的差異 對于好氧發(fā)酵，溶解氧是重要的限制性基質(zhì)之一，對微生物的生長、代謝具有重要的影響。通常在搖瓶及發(fā)酵罐中的氧的溶解速度大小是不同的，一般發(fā)酵罐因?yàn)槭菑?qiáng)制

22、通氣帶攪拌，培養(yǎng)液混合較均勻，其溶氧速率明顯高于搖瓶，則使溶入培養(yǎng)液中溶氧濃度形成差異，這對發(fā)酵結(jié)果有較大的影響，特別是對溶氧要求高且敏感的菌株，在發(fā)酵罐中的生產(chǎn)能力與搖瓶相比提高很大。7.4.1.2 二氧化碳濃度的差異 發(fā)酵液中的CO2可來源于無菌空氣和菌體代謝產(chǎn)生的廢氣。CO2在水中的溶解度隨外界壓力的增大而增加。發(fā)酵罐為了防止染菌，一般控制罐內(nèi)壓力略大于環(huán)境壓力，處于正壓狀態(tài)，而搖瓶基本上是常壓狀態(tài)，所以罐中培養(yǎng)液的CO2濃度明顯高于搖瓶。CO2對細(xì)胞呼吸和某些微生物代謝產(chǎn)物(如抗生素氨基酸)的生物合成有較大的影響。所以，在發(fā)酵罐及搖瓶中CO2濃度的不同，也會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵結(jié)果的差異。 7.4

23、.1.3 菌絲受損的差異 搖瓶試驗(yàn)時(shí)，菌體只受到液體的沖擊或與瓶壁摩擦的影響，機(jī)械損傷很小。而用發(fā)酵罐培養(yǎng)時(shí)，菌體特別是絲狀菌，卻受到攪拌葉的剪切力、沖擊力等的影響，受到較大的損傷，其程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于搖瓶發(fā)酵。 所以搖瓶及發(fā)酵罐，特別是帶攪拌器的發(fā)酵罐，對菌體的損傷程度有較大差異，這也導(dǎo)致對菌體生長狀況的影響不同。 種子質(zhì)量的差異 培養(yǎng)基滅菌操作導(dǎo)致成分的差異 7.4.2 發(fā)酵罐規(guī)模改變的影響發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)參數(shù)不同帶來的差異 7.4.2.1 種子質(zhì)量的差異 發(fā)酵罐接種的種子量必須依據(jù)發(fā)酵罐體積、菌種生長速度快慢來確定種子的數(shù)量。發(fā)酵罐體積越大，需要的種子液體積越大，則需涉及種子擴(kuò)大培養(yǎng)的級(jí)數(shù)和菌種繁殖

24、的代數(shù)就越多。菌種擴(kuò)培的級(jí)數(shù)越多，則在每級(jí)擴(kuò)培時(shí)培養(yǎng)環(huán)境的差異，將會(huì)增大種子質(zhì)量的差異。菌體繁殖代數(shù)也會(huì)導(dǎo)致菌種質(zhì)量的差異。 在菌體繁殖過程中出現(xiàn)菌體變異的幾率越大，突變株的比例也就越大，使種子質(zhì)量有差異，造成菌體生產(chǎn)性能不穩(wěn)定，這就有可能引起發(fā)酵結(jié)果的差異。7.4.2.2 培養(yǎng)基滅菌操作導(dǎo)致成分的差異連續(xù)滅菌對培養(yǎng)基中營養(yǎng)成份的損壞程度較小，但只對較大體積的培養(yǎng)基才能適用，一般只適合規(guī)模生產(chǎn)。搖瓶和發(fā)酵罐試驗(yàn)的培養(yǎng)基均采用分批滅菌，其過程分為三個(gè)的階段：預(yù)熱期、維持期和冷卻期。培養(yǎng)基體積越大，預(yù)熱期和冷卻期也越長，滅菌所消耗的時(shí)間也越長，對營養(yǎng)成分的損壞程度也越大。這樣即使是采用相同配方的培養(yǎng)基，經(jīng)滅菌后，對菌體發(fā)酵的影響也就不同，使發(fā)酵結(jié)果變化。 7.4.2.3 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)參數(shù)不同帶來的差異 發(fā)酵規(guī)模改變后，發(fā)酵