微生物发酵工艺的优化

2021-01-09吕家樑汪剑黑龙江新和成生物科技有限公司黑龙江绥化152001

化工管理 2021年35期

吕家樑，汪剑(黑龙江新和成生物科技有限公司，黑龙江绥化 152001)

0 引言

近年来，微生物发酵工程技术得到了广泛的应用。利用有益微生物和收集相关细菌或代谢物来提高产量和预防疾病的研究越来越多。不同的微生物和发酵条件有利于发酵产物的生产。国内外对发酵过程的优化主要集中在碳源、氮源、微量元素、发酵温度、pH值、发酵时间等发酵条件上。通过不同的工艺优化方法，有效提高了发酵效率，降低了生产成本，促进了发酵工程技术的快速发展。

1 发酵工艺概述

微生物发酵生产的好坏主要取决于菌种本身的遗传特性和培养氛围及培养的环境。发酵过程广泛应用于医药、食品、能源、化工、农业等行业。微生物发酵主要是指培养优良发酵产物的过程。人们根据目标产品准备必要的发酵产品，选择相应的环境，控制pH、温度等客观条件。在这个过程中，品种的选择和客观条件的控制是最重要的。同时，发酵环境的pH值、介质温度和控制同样非常重要[1]。严格按照无菌条件控制工艺要求，获得优质的发酵产品。我们经常在发酵过程中引入计算机控制技术，通过发酵生产线和连续发酵来保证相应的代谢产物。根据发酵产物的不同需要，对发酵产物进行分离纯化。代谢的初级代谢产物往往不能满足目标代谢产物的要求，往往需要转化。代谢物和纯化主要用于工业分离产品。代谢物通常在一次或两次分离后即可满足要求。同时要严格控制无菌条件，产品在收集、分离、纯化过程中应保持无菌，并在整个过程中进行控制。

2 培养基对发酵的影响

发酵培养基主要用于微生物大规模生长或代谢产物合成所需的营养和能量。其组成对微生物的生长和繁殖能力有重要影响。用于科学研究和微生物产品发酵的培养基也因物种、生长阶段和发酵条件的不同而不同。

2.1 发酵培养基碳、氮源的选择

碳源是主要的能量来源，主要在环境中为微生物在培育过程中提供能量。目前较为常用的碳源应是己糖，主要作为微生物细胞成分和代谢的产物。在工业规模性培育繁殖中，原料的成本及易用性是着重需要考虑的因素之一。在发酵过程中较为常用的碳源有淀粉、蔗糖、米糠纤维等。在微生物发酵中，碳源固然重要，但氮源同样是微生物发酵培养中必不可少的物质。氮源主要用于微生物细胞材料和含氮的代谢产物，氮源通常分为两类，一类是延迟氮源，而另一类属于速效氮源。延迟氮源通常包括肽和氨基酸，其主要作用机理是促进细菌生长，在代谢物的形成中同样具有促进作用[2]。而速效氮源通常包括酵母浸膏、蛋白胨等，能够满足细菌发酵和产品合成时对氮源的需求。在整个微生物的发酵培育过程中，通过延迟氮源与速效氮源的合理搭配，形成的负荷氮源既能满足节杆菌属细菌的生长，同时还能促进病原拮抗剂的抑制，达到良好的发酵效果。

2.2 发酵培养基中无机盐对发酵的影响

磷、硫、钠、锌、锰等无机盐对微生物的生长和代谢产物的产生有一定的影响，磷是微生物生长和代谢活动的重要组成部分，参与磷脂、核酸和多种辅酶的合成，在代谢调节中发挥重要作用。如成分失衡和高渗压升高，这将部分导致微生物的生长。微生物发酵和发酵离子交换介质。

2.3 发酵培养基中其他成分对发酵的影响

在发酵过程中，发酵培养基还需要其他能积极促进微生物发酵的成分，这大大提高了培养基对微生物发酵的影响，为其产品的形成提供了必要的营养。其物理性质必须适应微生物发酵。在选择原材料时，还应考虑价格，在保证质量的基础上选择低成本的原材料。原料来源必须满足微生物发酵工程长期发展的需要。

3 培养条件对发酵的影响

在微生物发酵生产中，除了培养基的组成和浓度外，微生物只有在适宜的环境条件下才能正常生长和繁殖。以下简要分析几项主要的影响因素。

3.1 pH值对发酵的影响

在微生物发酵过程中，培育环境的影响非常显著。其中，溶液的pH值就是一项非常重要的控制指标。pH值通过对各种酶活性的影响，对微生物的代谢、生长和繁殖过程起到显著的促进和抑制作用。因此，pH值的不同将会直接影响微生物的合成及生长，改变微生物对营养物质的使用和吸收。

3.2 种子质量对发酵的影响

微生物发酵种子的质量对细菌的生长和产物的合成有很大的影响，通常是指接种量和接种年限。如果种子种龄太长，细菌产量就会下降。如果种子种龄太短，细菌的生长将直接减慢，这将大大推迟产品的合成时间[3]。如果接种量太小，会增加对数生长时间，会对某些酶和产物产生非常不利的影响。

3.3 温度对发酵的影响

酶活性与温度的控制直接相关，在高温环境下会显著破坏微生物细胞的酶活性，对微生物的生长产生明显的抑制作用。微生物细胞中的蛋白质在高温下容易浓缩或降解。低温对微生物的生长有重要的抑制作用。不同种类微生物的生长温度随产品合成的不同阶段而不同。在设计发酵温度时，应考虑其他发酵条件和因素，如培养基的组成。如有必要，可考虑能耗、发酵周期、产量水平和培养温度。

3.4 溶氧对发酵的影响

好氧微生物生长的关键因素之一就是对氧气的需求，好氧细菌只有在足够的氧环境中才能维持正常的代谢，以促进其生长。溶解氧对次生代谢产物的合成途径和速率有重要影响。微生物的好氧氧化过程不足可能会影响发酵液的pH值[4]。产生有毒物质，影响产品合成所需前体的积累，进而影响细菌生长和产品生产。通过调节通风，可以有效地控制和保证氧气供应。分解发酵可以减少液体量，提高发酵速度，有效增加氧气量，大大提高细菌的生产能力。通过相应的实验结果表明，溶解氧对产物的合成有积极的影响。

4 微生物发酵工艺优化的方法

在当今的微生物发酵中，如何有效地实验微生物发酵培养基的组成和培养条件已成为国内外学者关注的焦点。国内外有效的优化方法主要有正交设计法、Plackett-Burman设计法和响应面设计法。

4.1 正交试验设计法

正交试验设计是一种基于正交表法的数理统计方法。根据研究结论，可通过直接分析或比较确定微生物发酵的主要影响因素[5]。该设计方法简单、有效，而且高效，因此正交设计是优化微生物发酵过程最常用的方法。通过优化枯草芽孢杆菌的正交液体发酵工艺，可获得较好的发酵效果。

4.2 Plackett-Burman设计法

Plackett-burman方法主要用于确定与反应变量和人口统计学因素相关的许多因素的显著影响。快速有效地分析了影响试验结果的关键因素，为设计方法中的试验研究提供了可能。通过比较每个因子的两个水平，确定每个因子的显著性因子。但是应当注意，如果未正确选择系数级别，则Plackett-Burman测试结果可能无效。因此，当遇到某些突发情况时测试应当考虑其他影响因素。如果Plackett-burman测试模型有效，则使用Plackett-Burman设计来选择最佳条件，并通过响应面设计的下一步获得预期结果。

4.3 响应面设计法

响应面设计结合了数学建模、测试设计和统计分析。通过划分优化区域，解决了试验中的多因子阴影问题。通过建立回归方程和绘制曲线，找出最佳工艺参数。近年来，由于统计和建模在各个领域的广泛发展和应用，响应面设计进一步扩大了其应用范围，引起了越来越多研究者的兴趣。响应法已广泛应用于生物学、医学、生物制药、食品、工程等领域。

5 微生物发酵过程的优化控制策略

5.1 基于线性化近似的经典优化控制

通过描述发酵过程的状态空间，可以实现发酵过程的最大化原理和迭代优化，但最大化原理只能通过开环控制来实现。发酵过程通常可以经过计算得出，但由于忽略了环境因素对系统的干扰，研究人员结合最大变量法得到了控制效果良好的最优变量曲线。然而，实验的准确性和简单性还没有达到理想的程度，这对发酵过程建模的质量有很大的影响。