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保兴生物:如何才能做好大肠杆菌高密度发酵的过程控制?

时间: 2019-04-12来源: 作者:
概述

        由于大肠杆菌高密度培养能够提高单位体积的产量,在工业生产上可以提高效率降低成本。因此,大肠杆菌高密度培养是发酵生产追求的目标。目前,采用透析反应器培养E.coli K-12以及培养重组大肠杆菌生产PHB菌体浓度达到204.3g/L DCW。已发表的大肠杆菌最高菌浓为175.4g (DCW)/L。限制大肠杆菌高密度发酵主要是营养供给限制(包括溶氧供给不足),代谢副产物积累和发酵液流变学特性等因素的限制。



溶氧

        在微生物培养时,必须不断地向培养液提供足够的氧,以满足微生物生长代谢的需要。在实验室中,可以通过摇床的往复运动或偏心旋转运动对摇瓶中的微生物供氧,而较大生产规模的培养装置则需采用无菌空气并同时进行搅拌的方式对微生物供氧,通风和搅拌的目的就是提供微生物生长和代谢所需的氧。由于微生物的新陈代谢与氧气呼吸有关,调节通气和搅拌可影响发酵周期时间的长短和代谢产物生成的高低,因而发酵液中的溶氧浓度是发酵过程中的一个需要调节控制的重要参数,在培养过程中有效而经济的供氧是极为重要的。在大肠杆菌高密度发酵过程中,溶氧不仅关系是菌体呼吸所需,也参与能力供给,在指数生长期,大肠杆菌培养对氧的需求量很大。足够的溶氧是实现大肠杆菌高密度发酵的关键因素之一。


工艺上主要的控制溶氧手段有以下几种:

1)改变通气速率(增大通风量);可以提高溶氧。

2)改变搅拌速度;增加搅拌速度可以提高氧的传质速率,可以提高溶氧,

3)改变气体组成中的氧含量;比如以一定比例的纯氧和空气混合通入发酵罐中。

4)改变罐压;提高压力,可以改变氧分压,但是同时也会提高其它气体的分压,所以在提高罐压要控制在合理的范围内,大肠杆菌发酵一般控制0.08MPa以内。

5)改变发酵液的理化性质;加入氧载体。

        由于微生物的生长和产物的合成代谢都是在各种酶的催化下进行的,而温度却是保证酶活性的重要条件,因此在发酵过程中必须保证稳定而合适的温度环境。温度对发酵的影响是多方面的,对微生物细胞的生长和产物的生成、代谢的影响是由各种因素综合表现的结果。大肠杆菌生长稳定是37度,诱导表达的温度不同克隆差异比较大,常用的有30度,24度,20度,37度等。


pH

     发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标,是发酵过程中重要参数,对微生物的生长和产物的积累有很大的影响。对于同一种微生物,由于pH值的不同,形成的发酵产物也会不同。


发酵过程中pH值的变化情况

1)在微生物细胞的生长阶段,由于所用的微生物菌种不同,相对于接种后的起始pH值来说,发酵液的pH值有上升或下降的趋势;

2)在生产阶段,一般发酵液的pH值趋于稳定,维持在最适合产物形成的pH范围;

3)在微生物细胞的自溶阶段,随着培养基中的营养物质的耗尽,微生物细胞内蛋白酶的积累和活跃,微生物趋于自溶,引起培养液中氨基酸等的增加,致使pH值上升。


引起发酵液的pH值下降的主要原因有

1)培养基中的碳/氮比不合适,碳源过多,特别是葡萄糖过量或者中间补糖过多或溶解氧不足,致使糖等物质的氧化不完全,培养液中有机酸会大量积累;

2)消泡油加得过多;

3)微生物生理酸性物质的存在。


引起发酵液pH值上升的主要原因有

1)培养基中的碳/氮比不当,氮源过多,氨基酸释放会使pH值上升;

2)生理碱性物质的存在;

3)中间补料液中氨水或尿素等碱性物质加入过多。

 

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