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技術(shù)文章
生物發(fā)酵工藝的優(yōu)化方法與思路
閱讀：1668 發(fā)布時(shí)間：2013-7-25
Foodjx導(dǎo)讀：發(fā)酵是細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)中zui早被人們認(rèn)識(shí)和利用的。發(fā)酵技術(shù)在醫(yī)藥、輕工、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使這一技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(gòu)建。而實(shí)際上，發(fā)酵工藝的優(yōu)化，包括生物反應(yīng)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(shù)指標(biāo)。溫度、pH值、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)速、氨離子、金屬離子、營(yíng)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(shí)，微生物在生長(zhǎng)的不同階段、生產(chǎn)目的代謝產(chǎn)物的不同時(shí)期，對(duì)環(huán)境條件可能會(huì)有不同的要求。因此，應(yīng)該在生物反應(yīng)器內(nèi)，使溫度、pH值、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(xì)胞代謝流的變化。例如：在溶解氧濃度的測(cè)量與控制時(shí)，關(guān)心的是*氧濃度或其臨界值，而不注意細(xì)胞代謝時(shí)的攝氧率；用氨水調(diào)節(jié)pH值時(shí)，關(guān)心的是*pH值，卻不注意添加氨水時(shí)的動(dòng)態(tài)變化及其與其他發(fā)酵過程的參數(shù)的關(guān)系，而這些變化對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝卻非常重要。
超聲波的作用機(jī)制分為熱作用、空化作用和機(jī)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?？栈饔檬浅暡ㄔ诮橘|(zhì)中傳播時(shí)，液體中分子的平均距離隨著分子的振動(dòng)而變化。當(dāng)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(qiáng)大的沖擊波或射線流等，這足以改變細(xì)胞的壁膜結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞內(nèi)外發(fā)生物質(zhì)交換。發(fā)酵罐機(jī)械傳質(zhì)作用是超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，可使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入振動(dòng)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(yīng)速度。
超聲波可廣泛應(yīng)用于生物發(fā)酵工程。不同頻率和強(qiáng)度的超聲波對(duì)發(fā)酵過程的作用是不同的，使用時(shí)應(yīng)視具體的發(fā)酵工藝和使用條件進(jìn)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(qiáng)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(xué)的張嗣良提出了“以細(xì)胞代謝流分析與控制為核心的發(fā)酵工程學(xué)”的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，必須高度重視細(xì)胞代謝流分布變化的有關(guān)現(xiàn)象，研究細(xì)胞代謝物質(zhì)流與生物反應(yīng)器物料流變化的相關(guān)性，高度重視細(xì)胞的生長(zhǎng)變化，盡可能多地從生長(zhǎng)變化中做出有實(shí)際價(jià)值的分析，進(jìn)一步建立細(xì)胞生長(zhǎng)變量與生物反應(yīng)器的操作變量及環(huán)境變量三者之間的關(guān)系，以便有效控制細(xì)胞的代謝流，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化。
補(bǔ)料分批發(fā)酵技術(shù)該技術(shù)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(zhǎng)產(chǎn)物合成期和增加代謝物的積累。
所需營(yíng)養(yǎng)物*的補(bǔ)加，常用來控制營(yíng)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(bǔ)料分批技術(shù)zui普遍，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的代謝調(diào)控。
超聲波的應(yīng)用超聲波有很強(qiáng)的生物學(xué)效應(yīng)。可應(yīng)用于發(fā)酵過程的上、中、下游三個(gè)階段。其在發(fā)酵工藝上的應(yīng)用，可增加細(xì)胞膜的通透性和選擇性，促進(jìn)酶的變性或分泌，增強(qiáng)細(xì)胞代謝過程，從而縮短發(fā)酵時(shí)間，改善生物反應(yīng)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(xì)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(xì)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(yù)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(jié)合，其目的就是要控制發(fā)酵，按照自己的設(shè)計(jì)，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(gòu)建。而實(shí)際上，發(fā)酵工藝的優(yōu)化，包括生物反應(yīng)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(shù)指標(biāo)。溫度、pH值、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)速、氨離子、金屬離子、營(yíng)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(shí)，微生物在生長(zhǎng)的不同階段、生產(chǎn)目的代謝產(chǎn)物的不同時(shí)期，對(duì)環(huán)境條件可能會(huì)有不同的要求。因此，應(yīng)該在生物反應(yīng)器內(nèi)，使溫度、pH值、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(xì)胞代謝流的變化。例如：在溶解氧濃度的測(cè)量與控制時(shí)，關(guān)心的是*氧濃度或其臨界值，而不注意細(xì)胞代謝時(shí)的攝氧率；用氨水調(diào)節(jié)pH值時(shí)，關(guān)心的是*pH值，卻不注意添加氨水時(shí)的動(dòng)態(tài)變化及其與其他發(fā)酵過程的參數(shù)的關(guān)系，而這些變化對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝卻非常重要。
超聲波的作用機(jī)制分為熱作用、空化作用和機(jī)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?？栈饔檬浅暡ㄔ诮橘|(zhì)中傳播時(shí)，液體中分子的平均距離隨著分子的振動(dòng)而變化。當(dāng)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(qiáng)大的沖擊波或射線流等，這足以改變細(xì)胞的壁膜結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞內(nèi)外發(fā)生物質(zhì)交換。發(fā)酵罐機(jī)械傳質(zhì)作用是超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，可使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入振動(dòng)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(yīng)速度。
超聲波可廣泛應(yīng)用于生物發(fā)酵工程。不同頻率和強(qiáng)度的超聲波對(duì)發(fā)酵過程的作用是不同的，使用時(shí)應(yīng)視具體的發(fā)酵工藝和使用條件進(jìn)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(qiáng)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(xué)的張嗣良提出了“以細(xì)胞代謝流分析與控制為核心的發(fā)酵工程學(xué)”的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，必須高度重視細(xì)胞代謝流分布變化的有關(guān)現(xiàn)象，研究細(xì)胞代謝物質(zhì)流與生物反應(yīng)器物料流變化的相關(guān)性，高度重視細(xì)胞的生長(zhǎng)變化，盡可能多地從生長(zhǎng)變化中做出有實(shí)際價(jià)值的分析，進(jìn)一步建立細(xì)胞生長(zhǎng)變量與生物反應(yīng)器的操作變量及環(huán)境變量三者之間的關(guān)系，以便有效控制細(xì)胞的代謝流，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化。
補(bǔ)料分批發(fā)酵技術(shù)該技術(shù)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(zhǎng)產(chǎn)物合成期和增加代謝物的積累。
所需營(yíng)養(yǎng)物*的補(bǔ)加，常用來控制營(yíng)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(bǔ)料分批技術(shù)zui普遍，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的代謝調(diào)控。
超聲波的應(yīng)用超聲波有很強(qiáng)的生物學(xué)效應(yīng)。可應(yīng)用于發(fā)酵過程的上、中、下游三個(gè)階段。其在發(fā)酵工藝上的應(yīng)用，可增加細(xì)胞膜的通透性和選擇性，促進(jìn)酶的變性或分泌，增強(qiáng)細(xì)胞代謝過程，從而縮短發(fā)酵時(shí)間，改善生物反應(yīng)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(xì)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(xì)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(yù)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(jié)合，其目的就是要控制發(fā)酵，按照自己的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出更多、更好的產(chǎn)品。