1. Углеродный баланс
Содержание углерода в культуральной среде = Содержание углерода в бактериальных клетках + Содержание углерода в продуктах реакции + Содержание углерода в выделяемом CO₂.
Углерод является основным источником энергии для роста клеток и синтеза продуктов, поэтому точная оценка выбросов CO₂ имеет решающее значение. В настоящее время для измерения обычно используются анализаторы отработавших газов; однако важно отметить, что существующие методы охлаждения и обезвоживания отработавших газов вносят значительные ошибки, поскольку высокая растворимость CO₂ в воде может привести к недооценке выбросов. Если такой прибор недоступен, опыт показывает, что общее содержание углерода в культуральной среде (включая питательную среду) примерно в 2,3–2,6 раза превышает содержание углерода в клетках и продуктах или в 10–15 раз превышает общее содержание азота в культуральной среде (включая питательную среду).
2. Баланс азота, фосфора и серы
Содержание N, P, S в культуральной среде = N, P, S в бактериальных клетках + N, P, S в продуктах + N, P, S, оставшиеся в культуральной среде.
Эти элементы имеют фундаментальное значение для структуры клеток, ферментов и метаболитов, и их баланс напрямую влияет на рост бактерий и эффективность синтеза. Азот, фосфор и сера присутствуют в культуральной среде в избытке, и последующая оптимизация в основном основывается на экспериментальной проверке.
Для обеспечения эффективной и стабильной работы процесса ферментации недостаточно одного лишь материального баланса; в динамическом процессе необходимо достичь следующих трех ключевых балансов.
1. Баланс между скоростью потребления кислорода и скоростью его подачи.
Кислород является важнейшим фактором аэробного брожения. Микроорганизмы потребляют кислород в процессе роста и метаболизма, и недостаток кислорода приводит к ограничению роста микроорганизмов и снижению эффективности синтеза продукта.
Как достичь баланса: Путем мониторинга изменений растворенного кислорода (ДО) в режиме реального времени можно регулировать скорость перемешивания, скорость аэрации или давление в резервуаре, чтобы обеспечить соответствие скорости подачи кислорода потребностям бактерий в кислороде.
Значимость оптимизации:Поддержание надлежащего уровня растворенного кислорода может предотвратить угнетение, вызванное гипоксией, а также предотвратить избыточное поступление кислорода, приводящее к потере энергии или окислительному повреждению клеток.
2. Баланс между скоростью разбавления и скоростью роста
При периодической подпитке скорость потока (скорость разбавления) свежей культуральной среды должна соответствовать удельной скорости роста клеток. В данном случае скорость разбавления — это отношение скорости поступления свежей культуральной среды в ферментер к объему культуральной среды в ферментере при непрерывной или периодической подпитке.
Как достичь баланса:Используя онлайн-мониторинг биомассы или косвенные параметры (такие как pH и точка перегиба растворенного кислорода), можно определить критическую скорость разбавления, необходимую для поддержания оптимальной удельной скорости роста клеток.
Значимость оптимизации:Чтобы предотвратить слишком быстрый рост бактерий, который может привести к истощению питательных веществ или накоплению продуктов метаболизма, необходимо также предотвратить слишком медленный рост в реакторе, что может привести к низкой эффективности.
3. Баланс между скоростью ускорения потока матрицы и скоростью потребления матрицы.
Добавление питательных веществ (таких как источники углерода и азота) должно точно соответствовать фактической скорости потребления бактериями; в противном случае возникнет избыток или недостаток субстрата.
Как достичь баланса:Этот процесс в основном делится на две фазы. На этапе исследований мы используем сложные, комплексные и дорогостоящие методы для определения оптимальной точки равновесия. Это включает в себя динамическую корректировку стратегии подачи путем мониторинга в реальном времени остаточных концентраций матрицы (таких как глюкоза и ионы аммония) или с помощью методов мягкого зондирования. На этапе производства мы используем простые, надежные и устойчивые методы для воспроизведения оптимальной точки равновесия, обнаруженной на этапе исследований. Это включает в себя использование точек перегиба pH и растворенного кислорода, а также корректировку скорости подачи на основе соответствующих уровней оптической плотности.