專利名稱：增加發(fā)酵生產(chǎn)力和經(jīng)濟性的溶解氧圖譜的制作方法
增加發(fā)酵生產(chǎn)力和經(jīng)濟性的溶解氧圖i普
背景
發(fā)酵代表了用于生產(chǎn)例如食品、藥物、生物技術(shù)、釀造和水處理工業(yè)所 利用的多種發(fā)酵產(chǎn)品的工業(yè)方法。批需氧發(fā)酵發(fā)生于含有酵母、細菌或其 它需氧^L生物和含碳底物的反應(yīng)器或發(fā)酵罐中，所述底物用于通過微生物 消耗而產(chǎn)生有用的產(chǎn)品。發(fā)酵罐中所維持的環(huán)境條件支持微生物的生長。
在需氧發(fā)酵過程中發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基中溶解氧(DO)的量影響生產(chǎn)力和 底物產(chǎn)率。盡管太低水平的DO可對微生物有害，但太高水平的DO可抑 制微生物的生長。培養(yǎng)基中DO的量取決于特定的微生物發(fā)酵和流速、壓 力、以及供應(yīng)給發(fā)酵罐的氣體中氧的濃度。因此，許多發(fā)酵系統(tǒng)根據(jù)DO 圖語(DO圖諳描述了發(fā)酵過程中氧水平的變化)來測定培養(yǎng)基中的DO 并控制加入發(fā)酵罐中的氧量。例如， 一些方法在發(fā)酵過程中維持恒定的DO 水平。然而，已知的DO圖譜仍舊導(dǎo)致過量或不足的氧水平，因而對生產(chǎn) 力和產(chǎn)率產(chǎn)生不利影響。另外，這些無效的DO圖鐠浪費了所供應(yīng)的氧氣。 任何浪費的能量或任何所加入的未使用過的反應(yīng)物增加了產(chǎn)物的單位成 本，并可造成發(fā)酵過程浪費。
因此，需要改進的方法和裝置用于需氧發(fā)酵條件下的微生物發(fā)酵。
概述
對于一些實施方案，實施需氧發(fā)酵過程的方法包括提供包括發(fā)酵微生物 和可通過微生物發(fā)酵的底物的發(fā)酵培養(yǎng)基，并通過下述步驟控制發(fā)酵培養(yǎng) 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 生長過程中，開始將DO水平從最高乾值降低至最低耙值，此后維持該值 直至發(fā)酵過程完成。在一些實施方案中，實施需氧發(fā)酵過程的方法包括提供包括發(fā)酵微生物
和通過微生物可發(fā)酵的底物的發(fā)酵培養(yǎng)基，并通過升高DO水平至在第一 時間達到最高靶值來控制DO水平，其中升高發(fā)生在開始于微生物指數(shù)生 長起點的一段時間內(nèi)。該方法進一步包括通過將DO水平從最高乾值降低 至在笫二時間達到最低靶值來控制培養(yǎng)基中的DO水平，其中從最高至最 低靶值的轉(zhuǎn)換在微生物的生長過程例如指數(shù)生長中開始。該方法進一 步包 括在第二時間達到最低靶值之后基本維持DO水平直至發(fā)酵過程完成。
根據(jù)一些實施方案，實施需氧發(fā)酵過程的系統(tǒng)包括發(fā)酵罐和配置用于調(diào) 節(jié)發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基中DO水平的控制器，其中控制器包括管理來自控制器 的輸出信號的調(diào)節(jié)指令，以便完成包括如下方法，該方法包括通過最初升 高DO水平至最高靶值來增加DO水平，然后將DO水平從最高靶值降低 至最低靶值，此后維持該值直至發(fā)酵過程完成，其中降低開始于微生物生 長過程中。
附圖簡述
為進一步理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，應(yīng)當(dāng)參考下面的詳細描述，與附圖 聯(lián)系起來，其中對類似的元件給出了相同或相似的參考編號，且其中


圖1圖解了根據(jù)本發(fā)明的實施方案，控制發(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)基中溶解氧 (DO)水平以便建立非恒定的DO圖譜的發(fā)酵系統(tǒng)；
圖2圖解了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的典型發(fā)酵過程結(jié)果的曲線圖，鑒定 了發(fā)酵時間，基于這些結(jié)果，改變培養(yǎng)基中的DO水平的控制；
圖3圖解了根據(jù)本發(fā)明的實施方案，非恒定DO圖譜的一個實例的曲線； 以及
圖4圖解了才艮據(jù)本發(fā)明的實施方案，實施需氧^:生物發(fā)酵過程并具有非 恒定DO圖譜的方法的流程圖。
優(yōu)選實施方案的描述
實施方案通常涉及需氧發(fā)酵過程，例如分批發(fā)酵過程，以及通過傳感和 調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中的特定溶解氧(DO)圖譜來改善發(fā)酵過程而建立起來的系統(tǒng)。本文所述的教導(dǎo)擴展至任何工業(yè)發(fā)酵過程，例如食品、藥物、生物技 術(shù)、釀造和水處理工業(yè)所使用的發(fā)酵過程。發(fā)酵過程發(fā)生于反應(yīng)器或發(fā)酵 罐中，其含有酵母、細菌或其它需氧微生物以及通過微生物消耗而產(chǎn)生有
用產(chǎn)物的含>^友底物。對于一些實施方案，DO圖i普可跟蹤發(fā)酵過程中從賴L 生物的滯后期到穩(wěn)定期增加和降低發(fā)酵培養(yǎng)基中DO水平的一個循環(huán)。作 為控制培養(yǎng)基中DO水平的一個實例，DO水平可在微生物生長期中上升 至最高允許的DO，其通常通過微生物的抑制點來定義，然后在大約當(dāng)微 生物的最大生長速率出現(xiàn)時，DO水平可降低至大約當(dāng)微生物生長終止時 達到微生物的DO限制。
圖l顯示了發(fā)酵系統(tǒng)100，其控制發(fā)酵罐104中含有的培養(yǎng)基102中的 DO水平以便建立一種或多種非恒定的DO圖譜。系統(tǒng)100包括與發(fā)酵罐 104和控制器108相連接的02供應(yīng)106，所述控制器108用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)100 的各方面以便實現(xiàn)給定的非恒定DO圖譜。為此，控制器108用或可用一 種或多種非恒定DO圖譜編程?？刂破?08可為通用計算機(例如，在操 作系統(tǒng)控制下起作用的工作站)或特殊用途可編程裝置例如可編程邏輯控 制器(PLC)?？刂破?08的輸出110發(fā)射控制信號，其驅(qū)動置于02供應(yīng) 106和發(fā)酵罐104之間的閥門112以通過閥門112調(diào)節(jié)流速。02供應(yīng)106 含有氧氣，其可以是氣體例如空氣、純氧或富含氧氣的空氣形式存在。通 過閥門112增加或降低流速分別增加或降低供應(yīng)給發(fā)酵罐104的氧氣量， 以^_控制本文所述的DO水平。
在一些實施方案中，控制器108的輸出110可進一步調(diào)節(jié)置于發(fā)酵罐 104內(nèi)部的攪拌器114的操作。例如，攪拌器114可限定轉(zhuǎn)子， 一旦轉(zhuǎn)子 受到馬達驅(qū)動，其可機械攪拌培養(yǎng)基102，馬達的速度受來自控制器108 的控制信號的控制。培養(yǎng)基102的攪拌增強了 DO水平從而也可操縱攪拌 量來輔助獲得DO圖譜。
控制器108利用來自發(fā)酵罐104內(nèi)DO探頭116的反饋。DO探頭116 測定培養(yǎng)基102中的DO水平來實現(xiàn)通過控制器108對DO水平的適當(dāng)調(diào) 節(jié)?？刂破?08在發(fā)酵過程中控制DO水平從而實現(xiàn)所選擇的非恒定DO圖傳?？刂破?08因此可包括計算機，其具有用指令編碼的有形的計算機 可讀存貯介質(zhì)，以執(zhí)行如本文所述和圖4所示的方法。將發(fā)酵方法的動力 學(xué)輸入控制器108可進一步使得控制器能夠利用基于本文教導(dǎo)的合適的控 制算法計算非恒定DO圖譜。
圖2圖解了典型發(fā)酵過程結(jié)果的曲線圖，例如通過系統(tǒng)100所獲得的， 如利用細胞質(zhì)量相對時間作圖的曲線200所述的曲線圖。線202對應(yīng)于沿 曲線200的最高斜率，因此代表發(fā)酵過程中的最大生長速率，此時培養(yǎng)基 102中的微生物生長最快。在未應(yīng)用非恒定DO圖i普情況下進行的初步發(fā) 酵實驗可測定細胞生長速率來獲得曲線200。作為例子，可用初步發(fā)酵實 驗通過下述步驟來獲得曲線200，從培養(yǎng)基102中每個一定時間取樣并測 定樣品的光密度來確定細胞質(zhì)量，因為光吸收的量與細胞數(shù)量是成比例的。 另外，應(yīng)用了估計的或最初非恒定DO圖譜的先前批發(fā)酵的重復(fù)操作可提 供初步發(fā)酵實驗。
滯后期203,指數(shù)生長期204和穩(wěn)定期205發(fā)生于發(fā)酵過程從開始到結(jié) 束，中，并通過曲線200來表示。通過調(diào)整增加或降低DO水平至選擇值 的速度來控制培養(yǎng)基102中的DO水平發(fā)生在第一、第二和第三時間t0、 t，、 t2。曲線200使得能夠選擇用于確定沿非恒定DO圖鐠的控制變化的時 間to、 t,、 t2。第一時間to發(fā)生于大約生長期204開始時。對于一些實施方 案，第一時間to可對應(yīng)于線202與代表時間的x軸的交點，從而交點確定 了特定時間點，將其指定為第一時間t。。第二時間t,發(fā)生于在滯后和穩(wěn)定 期203、 205中間的生長期204。在一些實施方案中，第二時間t，對應(yīng)于發(fā) 生最大生長速率時。第三時間t2發(fā)生在大約生長期204的終點，例如當(dāng)生 長速率停止或穩(wěn)定期205到達時。在一項實施方案中，最大生長速度(第 二時間tj和生長速率的停止(第三時間t2)可才艮據(jù)曲線200的導(dǎo)數(shù)來確 定。
圖3顯示了非恒定DO圖譜300的一個實例的曲線。在滯后期203期間， 發(fā)生了 DO水平從飽和狀態(tài)的自然降低，因為沒有氧從02供應(yīng)106中注入 來補充所消耗的氧。DO水平的自然降低持續(xù)直至氧的注入開始時的第一時間t。。在第一時間to，控制器108啟動閥門112和/或操作攪拌器114來 隨時間升高DO水平至最高耙值301，如從前已知或?qū)嶒灉y定的微生物的 DO抑制水平?？刂破?08的操作自動地發(fā)生，并發(fā)揮功能以建立從第一 時間to的DO水平升高以便在第二時間t，達到最高耙值301。對于一些實 施方案，最高靶值301可代表任意最高值或通過系統(tǒng)100的物理狀態(tài)例如 任何安全性或操作要求如溢流來確定。
當(dāng)達到第二時間t,時，控制器108改變控制標(biāo)準(zhǔn)來開始將DO水平從最 高靶值301向最低靶值302 (例如，任意最低值或從前已知或?qū)嶒灉y定的 微生物的DO限制)降低，維持所述最低靶值302直至發(fā)酵過程結(jié)束?？?制器108建立從第二時間t,的降低速率使得第三時間t2時達到最低靶值 302。 一旦進入穩(wěn)定期205，將DO水平維持在最低靶值302，避免殺死不 消耗02的微生物，因為微生物已不再生長。
DO圖語300跟蹤了培養(yǎng)基102中從滯后期203到穩(wěn)定期205的DO水 平增高和降低的一個循環(huán)。該循環(huán)設(shè)定DO圖鐠300在發(fā)酵過程中的特定 時間達到的靶值301、 302。只要DO圖譜300分別在第二和第三時間t!、 t2達到最高和最低靶值302、 302，并隨著從第二時間t，至第三時間h開始 下降但仍處于生長期204，那么DO圖譜300可沿著直接或間接途徑到達 靶值301、 302。盡管沿著DO圖鐠300分別在第一和第二時間t。、 t，之間 以及在第二和第三時間t,、 t2之間描繪了線性向上和向下的斜率，但是其 它形狀的斜率例如二階或三階曲線可在時間to、 t，、 t2的相應(yīng)點之間形成 DO圖譜300。例如，DO水平的改變率(如控制器108所控制的)可為恒 定的(如圖3所示)或可改變(例如，改變率可最初升高然后隨第二時間 到達而逐漸降低)。因此，對于時間段之間的給定轉(zhuǎn)換(例如，從to至t。， 水平的改變可為線性或非線性的或兩者的組合。
作為例證，圖3中顯示了 DO水平以給定速率線性增加。然而，應(yīng)當(dāng)理 解對于不同的實施方案，DO水平增加的給定速率可以不同。另外，盡管 圖3顯示了水平的線性增加(即，固定增加速率)，但是也可預(yù)期不同的 時間段之間(例如，第一時間to與第二時間t,之間)水平的增加速率可不同。例如，該速率可最初在第一時間to時升高，然后隨著時間到達第二時 間t，該速率可逐漸降低。
DO圖譜300通過將DO水平最高值設(shè)置為與微生物最快生長相一致而 改善了最需要時的氧輸送和利用的積極效果。此后，降低DO水平另外通 過避免在發(fā)酵過程結(jié)束時浪費培養(yǎng)基102中未利用的氧而改善了氧輸送和 利用的積極效果。在生長期204通向穩(wěn)定期205的部分中，氧添加的速率 降低，而不是持續(xù)增加，不會引起對微生物生長的損害。DO圖譜300描 述了不依賴細胞量來控制DO水平從而避免氧化劑例如氧、廢物，因為細 胞濃度不能提供生長的指示，所述生長需要足夠水平的氧以便不抑制生產(chǎn) 力。相對于發(fā)酵過程中DO水平的恒定維持，非恒定DO圖譜300通過不 限制微生物需要時可用的總氧但不浪費氧而有助于系統(tǒng)100的生產(chǎn)力，這 是由于氧甚至并不從02供應(yīng)106的輸出輸送至培養(yǎng)基102、或由于在發(fā)酵 過程結(jié)束時剩余氧。
圖4圖解了利用非恒定DO圖鐠實施發(fā)酵過程的方法的流程圖。發(fā)酵過 程起始于通過提供培養(yǎng)基的初始步驟402，所述培養(yǎng)基包括需氧微生物和 用于在發(fā)酵中由微生物消耗的含碳底物。DO上升步驟404包括根據(jù)如本 文所述的所選擇的圖i普標(biāo)準(zhǔn)，操作氧輸入和/或攪拌培養(yǎng)基來升高培養(yǎng)基中 的DO水平。升高DO水平發(fā)生在微生物指數(shù)生長起始部分的至少一段時 間，以便在第一時間達到最高靶值。接下來，在DO降低步驟406發(fā)生進 一步操作從而將DO水平從最高靶值降低至在第二時間達到最低靶值。降 低在微生物生長期間例如指數(shù)生長時開始。在最后步驟408中，在第二時 間達到最低靶值之后將對DO水平的維持持續(xù)至發(fā)酵過程完成。
基于前述標(biāo)準(zhǔn)的控制器108的操作提高了系統(tǒng)100的產(chǎn)率和生產(chǎn)力。從 02供應(yīng)106到具有控制器108的發(fā)酵罐104以實現(xiàn)例如DO圖譜300的操 作流程對于培養(yǎng)基102中給定量的底物，提高了所生產(chǎn)的產(chǎn)物或細胞的量。 除了相對于所消耗底物量提高了所產(chǎn)生的細胞量，系統(tǒng)100所實現(xiàn)的生產(chǎn) 力導(dǎo)致每單位時間生長的細胞或產(chǎn)物的數(shù)量提高。
對實施本發(fā)明的優(yōu)選方法和裝置已進行描述。在不背離本發(fā)明的精神和范圍下可對上述實施方案進行改變和修飾，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而 言將是可理解的且顯而易見的。前述內(nèi)容僅僅是舉例說明，在不背離下列 權(quán)利要求限定的發(fā)明的實際范圍的情況下，可使用整合的過程和裝置的其 它實施方案。
權(quán)利要求
1. 進行有氧發(fā)酵過程的方法，其包括a)提供包括發(fā)酵微生物和可通過微生物發(fā)酵的底物的發(fā)酵培養(yǎng)基；和b)如下控制發(fā)酵培養(yǎng)基中的溶解氧(DO)水平最初升高DO水平至預(yù)定的最高靶值，然后在微生物生長過程中開始將DO水平從最高靶值降低至預(yù)定的最低靶值，其后維持該最低靶值至發(fā)酵過程完成。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中最低靶值大約在微生物的DO限制下限。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中最高耙值大約在^:生物的DO抑制上限。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中最低靶值大約在微生物的DO限制下限且 最高靶值大約在微生物的DO抑制上限。
5. 權(quán)利要求l的方法，其中所述升高和降低以基本上線性速率發(fā)生。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中最初升高起始于大約微生物的指數(shù)生長 期開始時。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中初始降低發(fā)生于大約與微生物最大生長 速率相關(guān)的時間。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中最初升高起始于大約微生物的指數(shù)生長 期開始時的第 一時間，并且初始降低發(fā)生于大約與微生物最大生長速率相 關(guān)的第二時間。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中控制DO水平包括調(diào)節(jié)氧化劑向培養(yǎng)基的 供應(yīng)。
10. 權(quán)利要求l的方法，其中控制DO水平包括調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的攪拌。
11. 權(quán)利要求1的方法，其還包含監(jiān)測培養(yǎng)基中DO水平并基于來自 監(jiān)測的反饋調(diào)節(jié)DO水平以實現(xiàn)控制。
12. 進行需氧發(fā)酵過程的方法，其包括b)如下控制培養(yǎng)基中的溶解氧(DO)水平升高DO水平從而在第一時間達到預(yù)定的最高耙值，其中升高發(fā)生在起始于微生物指數(shù)生長開始的一段時間內(nèi)；c )如下控制培養(yǎng)基中的DO水平將DO水平從最高靶值降低至在笫 二時間達到預(yù)定的最低靶值，其中從最高向最低靶值的轉(zhuǎn)換在微生物的生 長期間開始；和d)在第二時間達到最低靶值后，維持DO水平直至發(fā)酵過程完成。
13. 權(quán)利要求12的方法，其中從最高到最低靶值的轉(zhuǎn)換起始于第一時間。
14. 權(quán)利要求13的方法，其中在通過升高DO水平來控制培養(yǎng)基中 的DO水平之前，DO水平缺乏主動調(diào)節(jié)。
15. 權(quán)利要求12的方法，其中最低和最高靶值分別為微生物的DO 限制下限和微生物的DO抑制上限。
16. 權(quán)利要求12的方法，其中所述升高和降低以線性速率發(fā)生。
17. 用于實施需氧發(fā)酵過程的系統(tǒng)，其包含a) 發(fā)酵罐；和b) 控制器，其被配置用來調(diào)節(jié)發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)基中溶解氧(DO)的水 平，其中該控制器包括控制來自控制器的輸出信號的調(diào)節(jié)指令，以便進行 包括下述步驟的方法i) 通過最初升高DO水平至預(yù)定的最高靶值來升高培養(yǎng)基中的DO水平；ii) 然后，將DO水平從最高耙值降低至預(yù)定的最低乾值，此后維持該 最低靼值至發(fā)酵過程完成，其中降低開始于微生物生長期間。
18. 權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其還包含氧源，其中配置所述控制器以調(diào) 節(jié)從氧源至發(fā)酵罐的流動。
19. 權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其還包含置于發(fā)酵罐中的攪拌器，其中配 置所述控制器以調(diào)節(jié)攪拌器的操作。
20. 權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其還包含發(fā)酵罐內(nèi)部的DO傳感探頭，其 中該探頭為所述控制器提供反饋信號。
全文摘要
通過傳感和調(diào)節(jié)整個發(fā)酵過程的特定溶解氧(DO)圖譜以改善發(fā)酵過程，建立了需氧發(fā)酵方法和系統(tǒng)。對于一些實施方案，DO圖譜可允許跟蹤發(fā)酵方法過程中從微生物的滯后期至穩(wěn)定期升高和降低發(fā)酵培養(yǎng)基中DO水平的一個循環(huán)。作為一個控制培養(yǎng)基中DO水平的實例，DO水平可在微生物的生長期升高至設(shè)定的最高控制水平，然后在大約當(dāng)微生物的最大生長速率發(fā)生時可降低至大約當(dāng)生長停止時達到所設(shè)定的最低控制水平。
文檔編號C12M1/04GK101522883SQ200780037228
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月11日
發(fā)明者V·M·紹塞多 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司