发酵过程中的优化
高望
（兰州理工大学生命科学与工程学院）
摘要：发酵过程优化控制技术是发酵工程的重要技术。
综述了近年来微生物发酵过程优化控制技术的研究现状，综合运用微生物反应计量学、生化反应和传递动力学、生物反应器工程及代谢工程理论，(1) 基于微生物反应计量学的培养环境优化技术；(2) 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术；(3) 基于反应动力学模型的优化技术；(4) 基于代谢通量分析的优化技术；(5) 基于系统观点的生物反应系统优化技术；（6）基于环境胁迫的优化技术；（7）基于辅因子调控的优化技术
关键词：发酵过程优化
1 发酵过程优化技术
1.1基于微生物反应计量学的培养环境优化技术
研究微生物从培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，确定不同环境条件对微生物生长和代谢产物分布的影响，进而优化微生物生长的物理和化学环境，保证微生物生长处于最适的环境条件下，为进一步的发酵过程优化奠定基础。
：(1) 培养基组成的优化技术。
(2) 发酵环境条件的优化技术。
研究表明，培养基中的氮含量与葡
萄糖消耗及丙酮酸积累密切相关。
氮源缺乏时, 葡萄糖消耗和丙酮酸生产均受到抑制。
在小型反应器流加发酵中采用氨水控制pH 值( 相当于同时提供氮源) , 细胞能够持续、快速地积累丙酮酸。
[1]李寅；陈坚；梁大芳营养条件对光滑球拟酵母发酵生产丙酮酸的影响[J]生物工程学报2000,16（2）：225-227
1.2 基于微生物代谢特性的分阶段培养技术
对分批发酵过程的研究发现，适合微生物生长的温度、pH 值、剪切和溶解氧浓度往往并不一定适合目标产物的形成，提出分阶段溶解氧和搅拌转速控制策略、分阶段温度控制策略及分阶段pH 值控制策略，将环境条件控制在最适合细胞生长或最适合产物合成的水平。
研究表明，郑美英等以Ｓｔｒｅｐｔｏｖｅｒｔｉｃｉｌｌｉｕｍｍｏｂａｒａｅｎｓｅ为出菌株，研究了培养中温度控制策略，并在小型发酵罐上进行了验证。
得出ＴＧ发酵过程中温度控制策略为：Ｏ～１８ｈ，控制温度为３２℃，１８ｈ后将温度切换到２８℃。
采用此温度控制策略在２．５Ｌ小罐上进行ＴＧ发酵，酶活比未控制温度时的最好水平提高了１４%，发酵时间也缩短了６ｈ。
由此可见，采用合理的温度控制策略确实能够显著提高ＴＧ的发酵过程中的各项指标。
郑美英堵国成陈坚分批发酵生产谷氨酰胺转氨酶的温度控制策略[J]生物工程学报，200,16（6）：759-761 刘延岭，邓林，周昌豹，陈丽微生物发酵生产谷氨酰胺转胺酶的研究进展四川食品与发酵 2004,4：1-4
1.3 基于反应动力学模型的发酵过程优化和控制技术
研究不同目标代谢产物发酵过程的反应动力学，应用统计热力学理论和功能单元扩展理论，建立目标代谢产物分批发酵过程的动力学模型，用龙格库特法求取模型方程数值解，然后用单纯形搜索法或最速下降法寻出动力学模型方程中的最优参数，并对动力学模型的适用性进行评价。
基于分批发酵动力学模型，在下列3 个方面已取得一定成果：①采用奇异优化理论，优化透明质酸的流加培养过程，并通过重复操作和优化补料组合发酵模式，显著提高透明质酸的生产强度[23]；②应用最小值原理，分别建立真氧产碱杆菌细胞生长期和聚羟基丁酸合成期底物流加的准优化控制策略，确定以指数速率流加和变速流加相结合的流加操作方式，得到以聚羟基丁酸最大生产强度和最高转化率为目标的准优化控制策略并成功应用[24－25]；③在无反馈控制的情况下，比较了不同流加培养模式对重组大肠杆菌生产谷胱甘肽的影响，发现采用简单的指数速率流加方式即可实现重组大肠杆菌的高密度培养[26]。
1.4 基于代谢通量分析（MFA）的发酵过程优化技术
参考已知的生化反应计量关系和特定微生物的代谢途径和生理代谢特征，构建生物合成特定目标代谢产物的代谢网络。
利用代谢通量分析方法，对代谢中间产物进行拟稳态假设，然后通过测定细胞和代谢产物浓度的变化速率，计算得出胞内各条代
谢途径的通量变化。
根据代谢通量分析的计算数据，分析特定目标代谢产物，如丙酮酸、透明质酸和生物絮凝剂生物合成途径中主要代谢节点的性质(刚性、弱刚性或弹性)，结合发酵
过程中胞内ATP 和NADPH 的供求情况，提出一系列发酵优化策略，如：①增大细胞合成通量并降低NADH 库浓度，以提高透明质酸的产量(图3)[13]；②发酵前期适当增加ATP 通量，而发酵中后期降低NADH 浓度，并控制较低的ATP 通量以促进生物絮凝剂的合成[27]；③补加L-半胱氨酸，通过缓解胞内对L–半胱氨酸、促进碳流合成更多NADH 和FADH、改变发酵体系已有的氧化还原环境，提高谷胱甘肽的产量[28]。
在不改变菌种遗传特性的基础上，应用以上基于代谢
1.5 基于系统观点的生物反应系统优化技术
生物反应系统优化的基本思想是将生物反应视为一个系统，从优化系统内部各要素的功能和相互间的关系、系统与环境的关系入手，对所构建的系统采用定性或定量的模型优化技术，使系统的结构、性能和状态达到最优。
从外部系统构建方面，成功构建了有机废水（物）酸化和聚羟基烷酸酯（PHAs）发酵生产的耦合系统。
由于PHAs 工业化所面临的主要问题是原料成本过高，导致其与化工合成的塑料难以竞争。
另一方面，真养产碱杆菌能够利用有机酸生产PHAs，因此构建该系统的基本思想是利用厌氧微生物将有机废水（物）酸化，然后以酸化产物为原料由真养产碱杆菌发酵生产具有不同结构的PHAs （图4）[29]。
从内部系统构建方面，构建ATP 再生系统生物合成谷胱甘肽（GSH），利用重组大肠杆菌中的GSH 生物合成活性明显提高，而面包酵母则具有再生ATP 的能力。
以葡萄糖作为能源时，酵母利用酵解途径产生ATP，而大肠杆菌则利用ATP 和提供的其他基质合成GSH，放出的ADP 供酵母菌循环利用。
这样在两种分别负责产生ATP 和合成GSH 的微生物间形成了ATP 再生循环，反应体系中GSH 的产量达到6.2 g/L 的高水平。
该学术思想的普遍意义在于：通过将进行ATP 合成的系统与需要ATP 的酶反应系统有机地耦合，以廉价底物通过磷酸化ADP（或AMP）再生ATP，为经济、高效地生产微生物代谢产物提供了一条新的思路[30－31]。