補(bǔ)料發(fā)酵工藝的應(yīng)用及其研究進(jìn)展.pdf

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1、第35卷第1期工業(yè)微生物Vol.35No.12005年3月IndustrialMicrobiologyMar.2005補(bǔ)料發(fā)酵工藝的應(yīng)用及其研究進(jìn)展蔡謹(jǐn),孫章輝,王雋,岑沛霖(浙江大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院生物工程研究所,杭州310027)摘要綜述了補(bǔ)料工藝在發(fā)酵工業(yè)中應(yīng)用和研究。介紹了補(bǔ)料發(fā)酵工藝及其優(yōu)點(diǎn),著重討論了補(bǔ)料發(fā)酵動(dòng)力學(xué)和控制理論研究,以期為補(bǔ)料發(fā)酵的應(yīng)用提供充分的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞:補(bǔ)料發(fā)酵;動(dòng)力學(xué);控制早在1915年就有人在酵母大規(guī)模發(fā)酵過程中養(yǎng)物。補(bǔ)料成分簡單、補(bǔ)加的數(shù)量少,這種補(bǔ)料方式添加營養(yǎng)物,成功地增加了酵母產(chǎn)量。隨后,在一些簡單易

2、行,但往往無法有效控制發(fā)酵。在現(xiàn)代大規(guī)由碳水化合物生產(chǎn)簡單有機(jī)化合物(如甘油、丙酮、模發(fā)酵工業(yè)中,補(bǔ)料方式已從簡單一級(jí)補(bǔ)料發(fā)展到丁醇和乳酸等)發(fā)酵生產(chǎn)中,相繼出現(xiàn)了中間補(bǔ)加單多級(jí)重復(fù)補(bǔ)料,從簡單地補(bǔ)加一種營養(yǎng)物發(fā)展到補(bǔ)一組分或多組分營養(yǎng)物的試驗(yàn)。結(jié)果是大多數(shù)發(fā)酵加幾種營養(yǎng)物。補(bǔ)料發(fā)酵類型也更加多樣。的產(chǎn)量都有所提高,培養(yǎng)基中各個(gè)成份得到有效利發(fā)酵類型按補(bǔ)料方式分,有連續(xù)補(bǔ)料、不連續(xù)補(bǔ)用。二戰(zhàn)以后,補(bǔ)料工藝被廣泛應(yīng)用于抗生素、氨基料和多周期補(bǔ)料;按補(bǔ)加物料的組分分,可分為完全[1]酸和維生素等產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)。但補(bǔ)料工藝幾補(bǔ)料(補(bǔ)入完全的培養(yǎng)基)和半分批

3、補(bǔ)料(補(bǔ)入一種乎都是經(jīng)驗(yàn)性的,對(duì)它的理論研究相對(duì)滯后?；驇追N營養(yǎng)成分);按補(bǔ)料控制方式分,有反饋控制隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,人們不斷嘗試著把計(jì)算機(jī)補(bǔ)料和無反饋控制補(bǔ)料;反饋控制補(bǔ)料還可分為直技術(shù)應(yīng)用于補(bǔ)料發(fā)酵的控制。但由于有關(guān)數(shù)學(xué)理論接控制補(bǔ)料和間接控制補(bǔ)料;按反應(yīng)器數(shù)目分,有單和模型相對(duì)落后,限制了計(jì)算機(jī)技術(shù)在這領(lǐng)域中的級(jí)和多級(jí)之分;按反應(yīng)器中發(fā)酵液體積變化分,有變應(yīng)用。二十世紀(jì)70年代末,一些科學(xué)家開始把微積體積補(bǔ)料和恒體積補(bǔ)料。分學(xué)、矩陣、泛函等數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到補(bǔ)料發(fā)酵的計(jì)算補(bǔ)料一般是在發(fā)酵進(jìn)行至大量生成產(chǎn)物的階機(jī)控制。近年來,一些新興的控制理論,尤其

4、是模糊段,因合成產(chǎn)物和維持細(xì)胞活動(dòng)的需要,有選擇地補(bǔ)控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論開始在補(bǔ)料發(fā)酵的控充營養(yǎng)物質(zhì)。合適的補(bǔ)料工藝能夠有效地控制微生制上得到了運(yùn)用。這些成果促進(jìn)了補(bǔ)料工藝在發(fā)酵物的中間代謝,使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)[2,3,4]工業(yè)中更廣泛的應(yīng)用。展。補(bǔ)料發(fā)酵補(bǔ)加的營養(yǎng)物質(zhì)大致有五類:①補(bǔ)充目前,補(bǔ)料工藝已是工業(yè)發(fā)酵領(lǐng)域中研究最多、菌體所需的能源和碳源,如葡萄糖和液化淀粉等;②應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。本文結(jié)合一些例子,就補(bǔ)料補(bǔ)充菌體所需氮源,如蛋白胨、豆餅粉、玉米漿、酵母工藝特點(diǎn)、補(bǔ)料原則、補(bǔ)料動(dòng)力學(xué)和補(bǔ)料控制理論等粉和尿素等有機(jī)氮源,有些

5、發(fā)酵還采取通入氨氣或問題展開討論。添加氨水等;③加入某些菌體生長代謝所需的微量元素和無機(jī)鹽,如磷酸鹽、硫酸鹽等;④對(duì)于產(chǎn)誘導(dǎo)1補(bǔ)料發(fā)酵工藝概述酶的微生物,常在補(bǔ)料中適當(dāng)加入該酶的作用底物,補(bǔ)料發(fā)酵(Fed2batchFermentation)就是指在分以提高酶的產(chǎn)量;⑤對(duì)一些抗生素發(fā)酵,往往需要補(bǔ)批發(fā)酵過程中,間歇或連續(xù)地補(bǔ)加含有限制性營養(yǎng)充抗生素形成的前體。成分的新鮮培養(yǎng)基。早期的補(bǔ)料方式完全是憑經(jīng)驗(yàn)表1是補(bǔ)料發(fā)酵中添加營養(yǎng)物的代表性例子:進(jìn)行的,即發(fā)酵到一定時(shí)間,經(jīng)驗(yàn)性地添加一定量營作者簡介:蔡謹(jǐn)(1960年12月出生),男,博士,副教授。Cai

6、j@che.zju.edu.cn—42—第1期蔡謹(jǐn),等:補(bǔ)料發(fā)酵工藝的應(yīng)用及其研究進(jìn)展第35卷表1補(bǔ)料發(fā)酵中添加的各種營養(yǎng)物遏作用葡萄糖分解代謝物可阻遏包括纖維素酶、蛋產(chǎn)品補(bǔ)料產(chǎn)品補(bǔ)料白酶、淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶以及氨基酸合成酶等酶的合蛋白酶葡萄糖和蛋白胨灰黃霉素葡萄糖成。通過補(bǔ)料來控制菌體生長速率以使酶的合成明單細(xì)胞蛋白甲醇新生霉素各種碳源和氮源β2淀粉酶淀粉假絲菌素葡萄糖顯去阻遏;通過補(bǔ)料還可以減小分解代謝產(chǎn)生的乙β2葡萄糖酶淀粉赤霉素葡萄糖醇、甲酸、乳酸等副產(chǎn)物對(duì)菌體生長的不利影響。青霉素酰胺酶苯乙酸鈉利福霉素脂肪酸、葡萄糖(4)維持有利的發(fā)酵條件發(fā)酵

7、過程中常常發(fā)生纖維素酶葡萄糖核黃素蜜糖、葡萄糖谷氨酸氨水、尿素、乙醇維生素B12葡萄糖pH值的變化,直接加酸或加堿可以快速調(diào)整酸堿苯丙氨酸葡萄糖乙醇葡萄糖度,而通過補(bǔ)加碳源或氮源,可以緩慢而根本地調(diào)整賴氨酸乙醇、尿素乙二醇甲苯酪氨酸苯酚丙酮和丁醇麥芽汁pH值;對(duì)于好氧發(fā)酵,一次性投糖過多會(huì)造成細(xì)胞色氨酸甘油、乙醇、葡萄糖聚232羥基丁醇葡萄糖生長過快,快速消耗氧氣,而常規(guī)的通風(fēng)攪拌無法滿檸檬酸銨鹽木糖醇碳源乳酸葡萄糖甘油可發(fā)酵的糖、碳酸鈣足供氧需求。補(bǔ)料可以緩解該矛盾;此外,補(bǔ)料還可葡萄糖酸碳酸鈣、氫氧化鈣酵母麥芽汁、氮源調(diào)整發(fā)酵液粘度、氧傳遞系數(shù)等

8、物性參數(shù),改善發(fā)酵青霉素苯乙酸、葡萄糖大腸桿菌葡萄糖鏈霉素葡萄糖、硫酸銨蘇云金桿菌葡萄糖環(huán)境,有利于細(xì)胞生長