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发酵过程中常用参数的基本含义

日期:2020-12-07 作者:发酵罐专业生产商上海联环 阅读:592

随着发酵自动化的迭代升级,以及人力成本的提高,越来越多的线上和在线参数被开发出来,而且即使是离线参数,也越来越多的用全自动的分析仪替代传统的手工检测。这些参数比手工检测有很多优势。一个最显著的优势在稳定,方便验证和为自动化控制的迭代升级奠定基础。
搅拌及其输入功率
搅拌的输入功率与搅拌的效果直接相关,发酵罐装配变频器,支持DO与搅拌转速偶联,是工艺优化和节能的一个重要措施。搅拌转速与搅拌功率成正比,除提升Kla的作用外,还可以使发酵体系更均匀,另外提供剪切力,包括搅拌叶旋转带来的剪切,以及液流的湍动带来的剪切。
通气流量
通气控制的核心原则是要保持体系中的DO能够维持在临界氧浓度以上。因为空气成本占比较高,对于大型企业,常常通过调节通气流量分配实现节能降耗的效果。一些企业会在发酵初期微开空气,等溶解氧下降到一定的水平再慢慢开大空气,这是因为在前期,生产菌较少消耗氧气,如果开大空气,则通入的空气不能转换成溶解氧,造成浪费。
调节空气流量是通过改变液体中气泡量和气泡在发酵液中保持时间来改变Kla的。试验证明通气流量增大可提升溶解氧,但是到一定程度时,空气流量增加对溶解氧增加的效果会非常小,除了传质势能降低外,另外一个重要原因是:空气流量增加到一定程度,气泡的体积将增加,极限的情况会产生气流短路,这些情况并不能有效提升气泡的表面积,另一方面气体流速增加,将导致气泡在发酵液中保持时间变短。
由于通气流量和搅拌对Kla关系上有交互作用,所以在对DO控制上,仅使用通气流量或搅拌与DO进行偶联,都存在一定的片面性。
Kla、DO和OUR
KLa,表征生物反应过程氧传质效能的重要指标。对很多产品,KLa与发酵结果之间存在着紧密的对应关系,因此,以Kla为放大准则,已成为生物化工界一个广泛接受的观点。影响KLa 指标除设备性能外,发酵过程本身也影响着KLa,有研究显示,发酵温度、发酵液粘度、空气流量、罐压等指标也是影响KLa的指标。

上图给出了参数的计算方法,请注意,第一个公式代表进入发酵罐的氮气的物质的量与尾气中的氮气相等,所以才可以使用第二个公式对尾气的流量进行计算,从而减少了在发酵罐上安装尾气流量计的成本。
培养基重量
培养基重量,一般用称重的方式获得,是发酵物料衡算和过程计算的核心参数,影响发酵液重量的因素有呼吸作用、蒸发、补料、带放、逃液、取样等。这些影响因素中,补料可以计算,逃液是小概率事件,因此蒸发量可以通过培养液的重量的变化估算出来。
补料量
生物过程对不同物料需求量不同,工程师通常需要通过对发酵过程参数进行关联分析为每种物料制订相应的补加策略。比如青霉素发酵,其前体的添加除了考虑发酵进程外,还要需要参考发酵单位的变化。
一般情况下,加料速率设定时还要参考累积加料量,否则可能会因为参数检测滞后或者错误,导致调控失误。
累积消耗量
积累消耗量是一个非常关键的参数,甚至比当前设定的补料量还关键,可以用积累消耗量计算产出比,可以比较批次之间的差异,而且更是当前补料速率的重要参考。有经验的工艺员一般在设定补料前,一定会参考其累积消耗量,防止出现补料过多,产生类似葡萄糖抑制效应。
酸碱加量
广义的酸,包含特别多的物质,但是在发酵过程所指的狭义的酸,如盐酸和硫酸等用于调节pH的物质,并非是指酸性物质。当然如温度一样,pH值的重要性也被自控手段掩盖了。但是我们可以通过分析酸加量,来还原pH这一重要的参数的变化趋势。
消泡剂加量
有人发现当向发酵液中加消泡剂时,DO会突然降低,所以很容易得出结论:消泡剂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。
如果您也有这样的结论,请看看本人的解释,或许会改变你的看法:当消泡剂加到发酵液后,表面的沫最易受到影响而裂开,裂开后直接进入了尾气,所以这部分气泡并不能增加发酵液中的DO变化。消泡剂可以改变发酵液的表面张力,改变表面张力的原因是改变了气液界面的成分,从而一方面使气泡体积发生变化 ,另一方面改变气泡中的氧分子穿过界膜的阻力。两者组合起来改变Kla的大小。另外消泡剂加入到发酵体系后,溶解氧电极膜也会受到这种小分子的影响,从而降低了发酵液中的氧扩散到电极液中的速率,因此会形成DO突然变小的假象。
泡沫水平
泡沫水平与菌种、培养基组成、原料产地及发酵控制工艺有直接的关系。我将泡沫有两类,一是『泡』,一是『沫』,前者在液体中,后者在液体表面,前者可以提供溶解氧,后者不能使溶解氧增加。
反应器中的泡沫达到一定水平可通过泡沫电极来报警,但是,将其与消泡剂关联实施闭环控制,则可能导致消泡剂加量过大影响发酵结果及下游提取。
生物量
发酵作为一种生产方式,其产物有三类,第一类是菌体,第二类是初始代谢产物,第三类是次级代谢产物,前两类需要提高细胞量,后一种则需要对细胞的生长进行限制,以使更多的初始代谢产物向次级代谢产物转变。细胞量的测量有多种方式,直接的方式有离心法和干燥法直接测量菌体的量,间接方式有OD法,核酸测定法和其他软测量估算法。细胞量无论对哪种产物的发酵方式都是最关键的控制指标之一。
表观粘度
培养液由不同的物质组成,发酵进程由于菌体的代谢,所以发酵液的成分也会时时的变化,所以培养液的表观粘度也必然时时改变,有些企业通过流动时间进行测量(一定体积发酵液通过大肚刻度管的时间进行测定),有些企业通过在线或离线的粘度计进行测定。表观粘度是一个综合的参考指标,它受多种参数影响,同时又影响多个参数,影响它的因素如菌体浓度,培养基组成,泡沫大小等,另一方面这一参数又会影响到Kla,DO,泡沫大小等参数它与发酵结果的关系很难判断,或许发酵效价和粘度都是发酵的结果。
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