[发明专利]增加发酵生产力和经济性的溶解氧图谱

说明书

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。