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生物發酵工藝的優化方法與思路
雙擊自動滾屏 發布者:myerun 發布時間:2012-9-29 閱讀:1454

發酵是細胞大規模培養技術中最早被人們認識和利用的。發酵技術在醫藥、輕工、食品、農業、環保等領域的廣泛應用,使這一技術在國民經濟發展中發揮著越來越重要的作用。

為了提高發酵生產水平,人們首先考慮的是菌種的選育或基因工程的構建。而實際上,發酵工藝的優化,包括生物反應器中的工程問題,也同樣非常重要。

發酵環境條件的優化發酵環境條件的優化是發酵過程中最基本的要求,也是最重要、最難掌握的技術指標。溫度、pH值、溶氧、攪拌轉速、氨離子、金屬離子、營養物濃度等的優化控制,依據不同的發酵而有所不同。同時,微生物在生長的不同階段、生產目的代謝產物的不同時期,對環境條件可能會有不同的要求。因此,應該在生物反應器內,使溫度、pH值、溶氧、攪拌轉速等不斷變換,始終為其提供最佳的環境條件,以提高目的產物的得率。

在發酵放大實驗中,一般都很注重尋找最佳的培養基配方和最佳的溫度、pH值、溶氧等參數,但往往忽視了細胞代謝流的變化。例如:在溶解氧濃度的測量與控制時,關心的是最佳氧濃度或其臨界值,而不注意細胞代謝時的攝氧率;用氨水調節pH值時,關心的是最佳pH值,卻不注意添加氨水時的動態變化及其與其他發酵過程的參數的關系,而這些變化對細胞的生長代謝卻非常重要。

超聲波的作用機制分為熱作用、空化作用和機械傳質作用。熱作用是超聲波在介質內傳播過程中,能量不斷被介質吸收而使介質的溫度升高的一種現象,可用于殺菌或使酶失活。空化作用是超聲波在介質中傳播時,液體中分子的平均距離隨著分子的振動而變化。當其超過保持液體作用的臨界分子間距,就形成空化(空泡)。空泡內可產生瞬間高溫高壓并伴有強大的沖擊波或射線流等,這足以改變細胞的壁膜結構,使細胞內外發生物質交換。發酵罐機械傳質作用是超聲波在介質中傳播時,可使介質質點進入振動狀態,加速發酵液的質量傳遞,提高發酵過程的反應速度。

超聲波可廣泛應用于生物發酵工程。不同頻率和強度的超聲波對發酵過程的作用是不同的,使用時應視具體的發酵工藝和使用條件進行選擇。

增加前體物的合成增加目的產物的前體物的合成或是直接添加前體物,均有利于目的產物的大量積累。如:在氨基酸的發酵中,通常在微生物的培養中加入前體,生產氨基酸;在花生四烯酸的發酵中,通過增加前體物或是加強糖代謝的途徑,增加其前體物的合成,均有助于提高花生四烯酸的產量。


基于此,華東理工大學的張嗣良提出了“以細胞代謝流分析與控制為核心的發酵工程學”的觀點。他認為,必須高度重視細胞代謝流分布變化的有關現象,研究細胞代謝物質流與生物反應器物料流變化的相關性,高度重視細胞的生長變化,盡可能多地從生長變化中做出有實際價值的分析,進一步建立細胞生長變量與生物反應器的操作變量及環境變量三者之間的關系,以便有效控制細胞的代謝流,實現發酵過程的優化。

補料分批發酵技術該技術可以有效地減少發酵過程中培養基黏度升高引起的傳質效率降低、降解物的阻遏和底物的反饋抑制的現象,很好地控制代謝方向,延長產物合成期和增加代謝物的積累。

所需營養物限量的補加,常用來控制營養缺陷型突變菌種,使代謝產物積累到最大。氨基酸發酵中采用這種補料分批技術最普遍,實現了準確的代謝調控。
超聲波的應用超聲波有很強的生物學效應。可應用于發酵過程的上、中、下游三個階段。其在發酵工藝上的應用,可增加細胞膜的通透性和選擇性,促進酶的變性或分泌,增強細胞代謝過程,從而縮短發酵時間,改善生物反應條件,提高生物產品的質量和產量。

去除代謝終產物改變細胞膜的通透性,把屬于反饋控制因子的終產物迅速不斷地排出細胞外,不使終產物積累到可引起反饋調節的濃度,即可以預防反饋控制。
發酵工藝優化的方法有很多,它們之間不是孤立的,而是相互聯系的。在一種發酵中,往往是多種優化方法的結合,其目的就是要控制發酵,按照自己的設計,生產出更多、更好的產品。

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