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生物發(fā)酵工藝的優(yōu)化方法與思路
閱讀：1599 發(fā)布時間：2013-7-25
Foodjx導讀：發(fā)酵是細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術中zui早被人們認識和利用的。發(fā)酵技術在醫(yī)藥、輕工、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領域的廣泛應用，使這一技術在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。
為了提高發(fā)酵生產(chǎn)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(fā)酵工藝的優(yōu)化，包括生物反應器中的工程問題，也同樣非常重要。
發(fā)酵環(huán)境條件的優(yōu)化發(fā)酵環(huán)境條件的優(yōu)化是發(fā)酵過程中zui基本的要求，也是zui重要、zui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(yǎng)物濃度等的優(yōu)化控制，依據(jù)不同的發(fā)酵而有所不同。同時，微生物在生長的不同階段、生產(chǎn)目的代謝產(chǎn)物的不同時期，對環(huán)境條件可能會有不同的要求。因此，應該在生物反應器內(nèi)，使溫度、pH值、溶氧、攪拌轉速等不斷變換，始終為其提供*的環(huán)境條件，以提高目的產(chǎn)物的得率。
在發(fā)酵放大實驗中，一般都很注重尋找*的培養(yǎng)基配方和*的溫度、pH值、溶氧等參數(shù)，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*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(diào)節(jié)pH值時，關心的是*pH值，卻不注意添加氨水時的動態(tài)變化及其與其他發(fā)酵過程的參數(shù)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(zhì)作用。熱作用是超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中，能量不斷被介質(zhì)吸收而使介質(zhì)的溫度升高的一種現(xiàn)象，可用于殺菌或使酶失活。空化作用是超聲波在介質(zhì)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）?？张輧?nèi)可產(chǎn)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(nèi)外發(fā)生物質(zhì)交換。發(fā)酵罐機械傳質(zhì)作用是超聲波在介質(zhì)中傳播時，可使介質(zhì)質(zhì)點進入振動狀態(tài)，加速發(fā)酵液的質(zhì)量傳遞，提高發(fā)酵過程的反應速度。
超聲波可廣泛應用于生物發(fā)酵工程。不同頻率和強度的超聲波對發(fā)酵過程的作用是不同的，使用時應視具體的發(fā)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(chǎn)物的前體物的合成或是直接添加前體物，均有利于目的產(chǎn)物的大量積累。如：在氨基酸的發(fā)酵中，通常在微生物的培養(yǎng)中加入前體，生產(chǎn)氨基酸；在花生四烯酸的發(fā)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)象，研究細胞代謝物質(zhì)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(huán)境變量三者之間的關系，以便有效控制細胞的代謝流，實現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化。
補料分批發(fā)酵技術該技術可以有效地減少發(fā)酵過程中培養(yǎng)基黏度升高引起的傳質(zhì)效率降低、降解物的阻遏和底物的反饋抑制的現(xiàn)象，很好地控制代謝方向，延長產(chǎn)物合成期和增加代謝物的積累。
所需營養(yǎng)物*的補加，常用來控制營養(yǎng)缺陷型突變菌種，使代謝產(chǎn)物積累到zui大。氨基酸發(fā)酵中采用這種補料分批技術zui普遍，實現(xiàn)了準確的代謝調(diào)控。
超聲波的應用超聲波有很強的生物學效應?？蓱糜诎l(fā)酵過程的上、中、下游三個階段。其在發(fā)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(fā)酵時間，改善生物反應條件，提高生物產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。
去除代謝終產(chǎn)物改變細胞膜的通透性，把屬于反饋控制因子的終產(chǎn)物迅速不斷地排出細胞外，不使終產(chǎn)物積累到可引起反饋調(diào)節(jié)的濃度，即可以預防反饋控制。
發(fā)酵工藝優(yōu)化的方法有很多，它們之間不是孤立的，而是相互的。在一種發(fā)酵中，往往是多種優(yōu)化方法的結合，其目的就是要控制發(fā)酵，按照自己的設計，生產(chǎn)出更多、更好的產(chǎn)品。
為了提高發(fā)酵生產(chǎn)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(fā)酵工藝的優(yōu)化，包括生物反應器中的工程問題，也同樣非常重要。
發(fā)酵環(huán)境條件的優(yōu)化發(fā)酵環(huán)境條件的優(yōu)化是發(fā)酵過程中zui基本的要求，也是zui重要、zui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(yǎng)物濃度等的優(yōu)化控制，依據(jù)不同的發(fā)酵而有所不同。同時，微生物在生長的不同階段、生產(chǎn)目的代謝產(chǎn)物的不同時期，對環(huán)境條件可能會有不同的要求。因此，應該在生物反應器內(nèi)，使溫度、pH值、溶氧、攪拌轉速等不斷變換，始終為其提供*的環(huán)境條件，以提高目的產(chǎn)物的得率。
在發(fā)酵放大實驗中，一般都很注重尋找*的培養(yǎng)基配方和*的溫度、pH值、溶氧等參數(shù)，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*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(diào)節(jié)pH值時，關心的是*pH值，卻不注意添加氨水時的動態(tài)變化及其與其他發(fā)酵過程的參數(shù)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(zhì)作用。熱作用是超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中，能量不斷被介質(zhì)吸收而使介質(zhì)的溫度升高的一種現(xiàn)象，可用于殺菌或使酶失活。空化作用是超聲波在介質(zhì)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）?？张輧?nèi)可產(chǎn)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(nèi)外發(fā)生物質(zhì)交換。發(fā)酵罐機械傳質(zhì)作用是超聲波在介質(zhì)中傳播時，可使介質(zhì)質(zhì)點進入振動狀態(tài)，加速發(fā)酵液的質(zhì)量傳遞，提高發(fā)酵過程的反應速度。
超聲波可廣泛應用于生物發(fā)酵工程。不同頻率和強度的超聲波對發(fā)酵過程的作用是不同的，使用時應視具體的發(fā)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(chǎn)物的前體物的合成或是直接添加前體物，均有利于目的產(chǎn)物的大量積累。如：在氨基酸的發(fā)酵中，通常在微生物的培養(yǎng)中加入前體，生產(chǎn)氨基酸；在花生四烯酸的發(fā)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)象，研究細胞代謝物質(zhì)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(huán)境變量三者之間的關系，以便有效控制細胞的代謝流，實現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化。
補料分批發(fā)酵技術該技術可以有效地減少發(fā)酵過程中培養(yǎng)基黏度升高引起的傳質(zhì)效率降低、降解物的阻遏和底物的反饋抑制的現(xiàn)象，很好地控制代謝方向，延長產(chǎn)物合成期和增加代謝物的積累。
所需營養(yǎng)物*的補加，常用來控制營養(yǎng)缺陷型突變菌種，使代謝產(chǎn)物積累到zui大。氨基酸發(fā)酵中采用這種補料分批技術zui普遍，實現(xiàn)了準確的代謝調(diào)控。
超聲波的應用超聲波有很強的生物學效應?？蓱糜诎l(fā)酵過程的上、中、下游三個階段。其在發(fā)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(fā)酵時間，改善生物反應條件，提高生物產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。
去除代謝終產(chǎn)物改變細胞膜的通透性，把屬于反饋控制因子的終產(chǎn)物迅速不斷地排出細胞外，不使終產(chǎn)物積累到可引起反饋調(diào)節(jié)的濃度，即可以預防反饋控制。
發(fā)酵工藝優(yōu)化的方法有很多，它們之間不是孤立的，而是相互的。在一種發(fā)酵中，往往是多種優(yōu)化方法的結合，其目的就是要控制發(fā)酵，按照自己的設計，生產(chǎn)出更多、更好的產(chǎn)品。