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1、第35卷第1期工业微生物Vol.35No.12005年3月IndustrialMicrobiologyMar.2005补料发酵工艺的应用及其研究进展蔡谨,孙章辉,王隽,岑沛霖(浙江大学材料与化学工程学院生物工程研究所,杭州310027)摘要综述了补料工艺在发酵工业中应用和研究。介绍了补料发酵工艺及其优点,着重讨论了补料发酵动力学和控制理论研究,以期为补料发酵的应用提供充分的参考依据。关键词:补料发酵;动力学;控制早在1915年就有人在酵母大规模发酵过程中养物。补料成分简单、补加的数量少,这种补料方式添加营养物,成功地增加了酵母产量。随后,在一些简单易
2、行,但往往无法有效控制发酵。在现代大规由碳水化合物生产简单有机化合物(如甘油、丙酮、模发酵工业中,补料方式已从简单一级补料发展到丁醇和乳酸等)发酵生产中,相继出现了中间补加单多级重复补料,从简单地补加一种营养物发展到补一组分或多组分营养物的试验。结果是大多数发酵加几种营养物。补料发酵类型也更加多样。的产量都有所提高,培养基中各个成份得到有效利发酵类型按补料方式分,有连续补料、不连续补用。二战以后,补料工艺被广泛应用于抗生素、氨基料和多周期补料;按补加物料的组分分,可分为完全[1]酸和维生素等产品的发酵生产。但补料工艺几补料(补入完全的培养基)和半分批
3、补料(补入一种乎都是经验性的,对它的理论研究相对滞后。或几种营养成分);按补料控制方式分,有反馈控制随着计算机的发展,人们不断尝试着把计算机补料和无反馈控制补料;反馈控制补料还可分为直技术应用于补料发酵的控制。但由于有关数学理论接控制补料和间接控制补料;按反应器数目分,有单和模型相对落后,限制了计算机技术在这领域中的级和多级之分;按反应器中发酵液体积变化分,有变应用。二十世纪70年代末,一些科学家开始把微积体积补料和恒体积补料。分学、矩阵、泛函等数学理论应用到补料发酵的计算补料一般是在发酵进行至大量生成产物的阶机控制。近年来,一些新兴的控制理论,尤其
4、是模糊段,因合成产物和维持细胞活动的需要,有选择地补控制理论和神经网络控制理论开始在补料发酵的控充营养物质。合适的补料工艺能够有效地控制微生制上得到了运用。这些成果促进了补料工艺在发酵物的中间代谢,使之向着有利于产物积累的方向发[2,3,4]工业中更广泛的应用。展。补料发酵补加的营养物质大致有五类:①补充目前,补料工艺已是工业发酵领域中研究最多、菌体所需的能源和碳源,如葡萄糖和液化淀粉等;②应用最广的技术之一。本文结合一些例子,就补料补充菌体所需氮源,如蛋白胨、豆饼粉、玉米浆、酵母工艺特点、补料原则、补料动力学和补料控制理论等粉和尿素等有机氮源,有些
5、发酵还采取通入氨气或问题展开讨论。添加氨水等;③加入某些菌体生长代谢所需的微量元素和无机盐,如磷酸盐、硫酸盐等;④对于产诱导1补料发酵工艺概述酶的微生物,常在补料中适当加入该酶的作用底物,补料发酵(Fed2batchFermentation)就是指在分以提高酶的产量;⑤对一些抗生素发酵,往往需要补批发酵过程中,间歇或连续地补加含有限制性营养充抗生素形成的前体。成分的新鲜培养基。早期的补料方式完全是凭经验表1是补料发酵中添加营养物的代表性例子:进行的,即发酵到一定时间,经验性地添加一定量营作者简介:蔡谨(1960年12月出生),男,博士,副教授。Cai
6、j@che.zju.edu.cn—42—第1期蔡谨,等:补料发酵工艺的应用及其研究进展第35卷表1补料发酵中添加的各种营养物遏作用葡萄糖分解代谢物可阻遏包括纤维素酶、蛋产品补料产品补料白酶、淀粉酶、转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黄霉素葡萄糖成。通过补料来控制菌体生长速率以使酶的合成明单细胞蛋白甲醇新生霉素各种碳源和氮源β2淀粉酶淀粉假丝菌素葡萄糖显去阻遏;通过补料还可以减小分解代谢产生的乙β2葡萄糖酶淀粉赤霉素葡萄糖醇、甲酸、乳酸等副产物对菌体生长的不利影响。青霉素酰胺酶苯乙酸钠利福霉素脂肪酸、葡萄糖(4)维持有利的发酵条件发酵
7、过程中常常发生纤维素酶葡萄糖核黄素蜜糖、葡萄糖谷氨酸氨水、尿素、乙醇维生素B12葡萄糖pH值的变化,直接加酸或加碱可以快速调整酸碱苯丙氨酸葡萄糖乙醇葡萄糖度,而通过补加碳源或氮源,可以缓慢而根本地调整赖氨酸乙醇、尿素乙二醇甲苯酪氨酸苯酚丙酮和丁醇麦芽汁pH值;对于好氧发酵,一次性投糖过多会造成细胞色氨酸甘油、乙醇、葡萄糖聚232羟基丁醇葡萄糖生长过快,快速消耗氧气,而常规的通风搅拌无法满柠檬酸铵盐木糖醇碳源乳酸葡萄糖甘油可发酵的糖、碳酸钙足供氧需求。补料可以缓解该矛盾;此外,补料还可葡萄糖酸碳酸钙、氢氧化钙酵母麦芽汁、氮源调整发酵液粘度、氧传递系数等
8、物性参数,改善发酵青霉素苯乙酸、葡萄糖大肠杆菌葡萄糖链霉素葡萄糖、硫酸铵苏云金杆菌葡萄糖环境,有利于细胞生长
