CN101522883A - 增加发酵生产力和经济性的溶解氧图谱 - Google Patents

增加发酵生产力和经济性的溶解氧图谱 Download PDF

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Abstract

通过传感和调节整个发酵过程的特定溶解氧(DO)图谱以改善发酵过程，建立了需氧发酵方法和系统。对于一些实施方案，DO图谱可允许跟踪发酵方法过程中从微生物的滞后期至稳定期升高和降低发酵培养基中DO水平的一个循环。作为一个控制培养基中DO水平的实例，DO水平可在微生物的生长期升高至设定的最高控制水平，然后在大约当微生物的最大生长速率发生时可降低至大约当生长停止时达到所设定的最低控制水平。

Description

增加发酵生产力和经济性的溶解氧图谱
背景
发酵代表了用于生产例如食品、药物、生物技术、酿造和水处理工业所利用的多种发酵产品的工业方法。批需氧发酵发生于含有酵母、细菌或其它需氧微生物和含碳底物的反应器或发酵罐中，所述底物用于通过微生物消耗而产生有用的产品。发酵罐中所维持的环境条件支持微生物的生长。
在需氧发酵过程中发酵罐内培养基中溶解氧(DO)的量影响生产力和底物产率。尽管太低水平的DO可对微生物有害，但太高水平的DO可抑制微生物的生长。培养基中DO的量取决于特定的微生物发酵和流速、压力、以及供应给发酵罐的气体中氧的浓度。因此，许多发酵系统根据DO图谱(DO图谱描述了发酵过程中氧水平的变化)来测定培养基中的DO并控制加入发酵罐中的氧量。例如，一些方法在发酵过程中维持恒定的DO水平。然而，已知的DO图谱仍旧导致过量或不足的氧水平，因而对生产力和产率产生不利影响。另外，这些无效的DO图谱浪费了所供应的氧气。任何浪费的能量或任何所加入的未使用过的反应物增加了产物的单位成本，并可造成发酵过程浪费。
因此，需要改进的方法和装置用于需氧发酵条件下的微生物发酵。
概述
对于一些实施方案，实施需氧发酵过程的方法包括提供包括发酵微生物和可通过微生物发酵的底物的发酵培养基，并通过下述步骤控制发酵培养基中的溶解氧(DO)水平：最初增加DO水平至最高靶值，然后在微生物生长过程中，开始将DO水平从最高靶值降低至最低靶值，此后维持该值直至发酵过程完成。
在一些实施方案中，实施需氧发酵过程的方法包括提供包括发酵微生物和通过微生物可发酵的底物的发酵培养基，并通过升高DO水平至在第一时间达到最高靶值来控制DO水平，其中升高发生在开始于微生物指数生长起点的一段时间内。该方法进一步包括通过将DO水平从最高靶值降低至在第二时间达到最低靶值来控制培养基中的DO水平，其中从最高至最低靶值的转换在微生物的生长过程例如指数生长中开始。该方法进一步包括在第二时间达到最低靶值之后基本维持DO水平直至发酵过程完成。
根据一些实施方案，实施需氧发酵过程的系统包括发酵罐和配置用于调节发酵罐内培养基中DO水平的控制器，其中控制器包括管理来自控制器的输出信号的调节指令，以便完成包括如下方法，该方法包括通过最初升高DO水平至最高靶值来增加DO水平，然后将DO水平从最高靶值降低至最低靶值，此后维持该值直至发酵过程完成，其中降低开始于微生物生长过程中。
附图简述
为进一步理解本发明的性质和目的，应当参考下面的详细描述，与附图联系起来，其中对类似的元件给出了相同或相似的参考编号，且其中：
图1图解了根据本发明的实施方案，控制发酵罐内的培养基中溶解氧(DO)水平以便建立非恒定的DO图谱的发酵系统；
图2图解了根据本发明的实施方案的典型发酵过程结果的曲线图，鉴定了发酵时间，基于这些结果，改变培养基中的DO水平的控制；
图3图解了根据本发明的实施方案，非恒定DO图谱的一个实例的曲线；以及
图4图解了根据本发明的实施方案，实施需氧微生物发酵过程并具有非恒定DO图谱的方法的流程图。
优选实施方案的描述
实施方案通常涉及需氧发酵过程，例如分批发酵过程，以及通过传感和调节发酵过程中的特定溶解氧(DO)图谱来改善发酵过程而建立起来的系统。本文所述的教导扩展至任何工业发酵过程，例如食品、药物、生物技术、酿造和水处理工业所使用的发酵过程。发酵过程发生于反应器或发酵罐中，其含有酵母、细菌或其它需氧微生物以及通过微生物消耗而产生有用产物的含碳底物。对于一些实施方案，DO图谱可跟踪发酵过程中从微生物的滞后期到稳定期增加和降低发酵培养基中DO水平的一个循环。作为控制培养基中DO水平的一个实例，DO水平可在微生物生长期中上升至最高允许的DO，其通常通过微生物的抑制点来定义，然后在大约当微生物的最大生长速率出现时，DO水平可降低至大约当微生物生长终止时达到微生物的DO限制。
图1显示了发酵系统100，其控制发酵罐104中含有的培养基102中的DO水平以便建立一种或多种非恒定的DO图谱。系统100包括与发酵罐104和控制器108相连接的O2供应106，所述控制器108用于调节系统100的各方面以便实现给定的非恒定DO图谱。为此，控制器108用或可用一种或多种非恒定DO图谱编程。控制器108可为通用计算机(例如，在操作系统控制下起作用的工作站)或特殊用途可编程装置例如可编程逻辑控制器(PLC)。控制器108的输出110发射控制信号，其驱动置于O2供应106和发酵罐104之间的阀门112以通过阀门112调节流速。O2供应106含有氧气，其可以是气体例如空气、纯氧或富含氧气的空气形式存在。通过阀门112增加或降低流速分别增加或降低供应给发酵罐104的氧气量，以便控制本文所述的DO水平。
在一些实施方案中，控制器108的输出110可进一步调节置于发酵罐104内部的搅拌器114的操作。例如，搅拌器114可限定转子，一旦转子受到马达驱动，其可机械搅拌培养基102，马达的速度受来自控制器108的控制信号的控制。培养基102的搅拌增强了DO水平从而也可操纵搅拌量来辅助获得DO图谱。
控制器108利用来自发酵罐104内DO探头116的反馈。DO探头116测定培养基102中的DO水平来实现通过控制器108对DO水平的适当调节。控制器108在发酵过程中控制DO水平从而实现所选择的非恒定DO图谱。控制器108因此可包括计算机，其具有用指令编码的有形的计算机可读存贮介质，以执行如本文所述和图4所示的方法。将发酵方法的动力学输入控制器108可进一步使得控制器能够利用基于本文教导的合适的控制算法计算非恒定DO图谱。
图2图解了典型发酵过程结果的曲线图，例如通过系统100所获得的，如利用细胞质量相对时间作图的曲线200所述的曲线图。线202对应于沿曲线200的最高斜率，因此代表发酵过程中的最大生长速率，此时培养基102中的微生物生长最快。在未应用非恒定DO图谱情况下进行的初步发酵实验可测定细胞生长速率来获得曲线200。作为例子，可用初步发酵实验通过下述步骤来获得曲线200，从培养基102中每个一定时间取样并测定样品的光密度来确定细胞质量，因为光吸收的量与细胞数量是成比例的。另外，应用了估计的或最初非恒定DO图谱的先前批发酵的重复操作可提供初步发酵实验。
滞后期203，指数生长期204和稳定期205发生于发酵过程从开始到结束，中，并通过曲线200来表示。通过调整增加或降低DO水平至选择值的速度来控制培养基102中的DO水平发生在第一、第二和第三时间t0、t1、t2。曲线200使得能够选择用于确定沿非恒定DO图谱的控制变化的时间t0、t1、t2。第一时间t0发生于大约生长期204开始时。对于一些实施方案，第一时间t0可对应于线202与代表时间的x轴的交点，从而交点确定了特定时间点，将其指定为第一时间t0。第二时间t1发生于在滞后和稳定期203、205中间的生长期204。在一些实施方案中，第二时间t1对应于发生最大生长速率时。第三时间t2发生在大约生长期204的终点，例如当生长速率停止或稳定期205到达时。在一项实施方案中，最大生长速度(第二时间t1)和生长速率的停止(第三时间t2)可根据曲线200的导数来确定。
图3显示了非恒定DO图谱300的一个实例的曲线。在滞后期203期间，发生了DO水平从饱和状态的自然降低，因为没有氧从O2供应106中注入来补充所消耗的氧。DO水平的自然降低持续直至氧的注入开始时的第一时间t0。在第一时间t0，控制器108启动阀门112和/或操作搅拌器114来随时间升高DO水平至最高靶值301，如从前已知或实验测定的微生物的DO抑制水平。控制器108的操作自动地发生，并发挥功能以建立从第一时间t0的DO水平升高以便在第二时间t1达到最高靶值301。对于一些实施方案，最高靶值301可代表任意最高值或通过系统100的物理状态例如任何安全性或操作要求如溢流来确定。
当达到第二时间t1时，控制器108改变控制标准来开始将DO水平从最高靶值301向最低靶值302(例如，任意最低值或从前已知或实验测定的微生物的DO限制)降低，维持所述最低靶值302直至发酵过程结束。控制器108建立从第二时间t1的降低速率使得第三时间t2时达到最低靶值302。一旦进入稳定期205，将DO水平维持在最低靶值302，避免杀死不消耗O2的微生物，因为微生物已不再生长。
DO图谱300跟踪了培养基102中从滞后期203到稳定期205的DO水平增高和降低的一个循环。该循环设定DO图谱300在发酵过程中的特定时间达到的靶值301、302。只要DO图谱300分别在第二和第三时间t1、t2达到最高和最低靶值302、302，并随着从第二时间t1至第三时间t2开始下降但仍处于生长期204，那么DO图谱300可沿着直接或间接途径到达靶值301、302。尽管沿着DO图谱300分别在第一和第二时间t0、t1之间以及在第二和第三时间t1、t2之间描绘了线性向上和向下的斜率，但是其它形状的斜率例如二阶或三阶曲线可在时间t0、t1、t2的相应点之间形成DO图谱300。例如，DO水平的改变率(如控制器108所控制的)可为恒定的(如图3所示)或可改变(例如，改变率可最初升高然后随第二时间到达而逐渐降低)。因此，对于时间段之间的给定转换(例如，从t0至t1)，水平的改变可为线性或非线性的或两者的组合。
作为例证，图3中显示了DO水平以给定速率线性增加。然而，应当理解对于不同的实施方案，DO水平增加的给定速率可以不同。另外，尽管图3显示了水平的线性增加(即，固定增加速率)，但是也可预期不同的时间段之间(例如，第一时间t0与第二时间t1之间)水平的增加速率可不同。例如，该速率可最初在第一时间t0时升高，然后随着时间到达第二时间t1该速率可逐渐降低。
DO图谱300通过将DO水平最高值设置为与微生物最快生长相一致而改善了最需要时的氧输送和利用的积极效果。此后，降低DO水平另外通过避免在发酵过程结束时浪费培养基102中未利用的氧而改善了氧输送和利用的积极效果。在生长期204通向稳定期205的部分中，氧添加的速率降低，而不是持续增加，不会引起对微生物生长的损害。DO图谱300描述了不依赖细胞量来控制DO水平从而避免氧化剂例如氧、废物，因为细胞浓度不能提供生长的指示，所述生长需要足够水平的氧以便不抑制生产力。相对于发酵过程中DO水平的恒定维持，非恒定DO图谱300通过不限制微生物需要时可用的总氧但不浪费氧而有助于系统100的生产力，这是由于氧甚至并不从O2供应106的输出输送至培养基102、或由于在发酵过程结束时剩余氧。
图4图解了利用非恒定DO图谱实施发酵过程的方法的流程图。发酵过程起始于通过提供培养基的初始步骤402，所述培养基包括需氧微生物和用于在发酵中由微生物消耗的含碳底物。DO上升步骤404包括根据如本文所述的所选择的图谱标准，操作氧输入和/或搅拌培养基来升高培养基中的DO水平。升高DO水平发生在微生物指数生长起始部分的至少一段时间，以便在第一时间达到最高靶值。接下来，在DO降低步骤406发生进一步操作从而将DO水平从最高靶值降低至在第二时间达到最低靶值。降低在微生物生长期间例如指数生长时开始。在最后步骤408中，在第二时间达到最低靶值之后将对DO水平的维持持续至发酵过程完成。
基于前述标准的控制器108的操作提高了系统100的产率和生产力。从O2供应106到具有控制器108的发酵罐104以实现例如DO图谱300的操作流程对于培养基102中给定量的底物，提高了所生产的产物或细胞的量。除了相对于所消耗底物量提高了所产生的细胞量，系统100所实现的生产力导致每单位时间生长的细胞或产物的数量提高。
对实施本发明的优选方法和装置已进行描述。在不背离本发明的精神和范围下可对上述实施方案进行改变和修饰，这对于本领域技术人员而言将是可理解的且显而易见的。前述内容仅仅是举例说明，在不背离下列权利要求限定的发明的实际范围的情况下，可使用整合的过程和装置的其它实施方案。

Claims (20)

1.进行有氧发酵过程的方法，其包括：
a)提供包括发酵微生物和可通过微生物发酵的底物的发酵培养基；和
b)如下控制发酵培养基中的溶解氧(DO)水平：最初升高DO水平至预定的最高靶值，然后在微生物生长过程中开始将DO水平从最高靶值降低至预定的最低靶值，其后维持该最低靶值至发酵过程完成。
2.权利要求1的方法，其中最低靶值大约在微生物的DO限制下限。
3.权利要求1的方法，其中最高靶值大约在微生物的DO抑制上限。
4.权利要求1的方法，其中最低靶值大约在微生物的DO限制下限且最高靶值大约在微生物的DO抑制上限。
5.权利要求1的方法，其中所述升高和降低以基本上线性速率发生。
6.权利要求1的方法，其中最初升高起始于大约微生物的指数生长期开始时。
7.权利要求1的方法，其中初始降低发生于大约与微生物最大生长速率相关的时间。
8.权利要求1的方法，其中最初升高起始于大约微生物的指数生长期开始时的第一时间，并且初始降低发生于大约与微生物最大生长速率相关的第二时间。
9.权利要求1的方法，其中控制DO水平包括调节氧化剂向培养基的供应。
10.权利要求1的方法，其中控制DO水平包括调节培养基的搅拌。
11.权利要求1的方法，其还包含监测培养基中DO水平并基于来自监测的反馈调节DO水平以实现控制。
12.进行需氧发酵过程的方法，其包括：
a)提供包括发酵微生物和可通过微生物发酵的底物的发酵培养基；
b)如下控制培养基中的溶解氧(DO)水平：升高DO水平从而在第一时间达到预定的最高靶值，其中升高发生在起始于微生物指数生长开始的一段时间内；
c)如下控制培养基中的DO水平：将DO水平从最高靶值降低至在第二时间达到预定的最低靶值，其中从最高向最低靶值的转换在微生物的生长期间开始；和
d)在第二时间达到最低靶值后，维持DO水平直至发酵过程完成。
13.权利要求12的方法，其中从最高到最低靶值的转换起始于第一时间。
14.权利要求13的方法，其中在通过升高DO水平来控制培养基中的DO水平之前，DO水平缺乏主动调节。
15.权利要求12的方法，其中最低和最高靶值分别为微生物的DO限制下限和微生物的DO抑制上限。
16.权利要求12的方法，其中所述升高和降低以线性速率发生。
17.用于实施需氧发酵过程的系统，其包含：
a)发酵罐；和
b)控制器，其被配置用来调节发酵罐内培养基中溶解氧(DO)的水平，其中该控制器包括控制来自控制器的输出信号的调节指令，以便进行包括下述步骤的方法：
i)通过最初升高DO水平至预定的最高靶值来升高培养基中的DO水平；
ii)然后，将DO水平从最高靶值降低至预定的最低靶值，此后维持该最低靶值至发酵过程完成，其中降低开始于微生物生长期间。
18.权利要求17的系统，其还包含氧源，其中配置所述控制器以调节从氧源至发酵罐的流动。
19.权利要求17的系统，其还包含置于发酵罐中的搅拌器，其中配置所述控制器以调节搅拌器的操作。
20.权利要求17的系统，其还包含发酵罐内部的DO传感探头，其中该探头为所述控制器提供反馈信号。
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