提高微生物发酵速率与方法

提高微生物发酵速率与方法微生物工程又叫发酵工程。发酵是微生物特有的作用，几千年前就已被人类认识并且用来制造酒、面包等食品。微生物工程，是大规模发酵生产工艺的总称，就是利用微生物的发酵作用，通过现代工程技术手段来生产有用物质，或者把微生物直接应用于生物反应器的技术。微生物工程是在发酵工艺基础上吸收基因工程、细胞工程和酶工程以及其他技术的成果而形成的。发酵工程与化学工业、医药、食品、能源、环境保护和农牧业等许多领域关系密切，对它的开发有很大的经济效益。DNA重组技术和生物反应器（装有固定化酶的容器，能进行生物化学合成），是生物工程中的两大支柱。从工业规模生产这一点看，生物反应器尤其重要。因为只有通过微生物发酵，才能形成新的产业。大规模利用微生物的工业是在20世纪20年代才真正开始的。当时主要是以酒精发酵、甘油发酵和丙醇发酵等为主。20世纪40年代，弗莱明发现了青霉素，开始采用深层发酵法大量生产。此后，链霉素等几十种重要的抗菌素相继问世，带动了抗菌素工业的诞生。发酵工业由无氧条件下的发酵发展到了有氧发酵。长期以来，几乎都是以碳水化合物作为发酵的原料，而到60年代增加了正烷烃、醋酸、醇类和天然气等。发酵的原料从依赖于农产品的状态转为从石油等矿产资源中寻找，从而实现了发酵原料的重大转变。70年代，基因重组技术、细胞融合等生物工程技术的飞速发展，为人类定向培育微生物开辟了新途径，微生物工程应运而生。通过DNA的组装或细胞工程手段，能按照人类设计的蓝图创造出新的“工程菌”和超级菌，然后通过微生物的发酵生产出对人有益的物质产品。传统的发酵技术，与现代生物工程中的基因工程、细胞工程、蛋白质工程和酶工程等相结合，使发酵工业进入到微生物工程的阶段。微生物工程包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等。现代微生物工程不仅使用微生物细胞，也可以使用动物和植物的细胞来进行发酵，以生产出对人类有用的各种生物产品。例如利用培养罐可以大量培养出杂交瘤细胞，生产出用于疾病诊断和治疗的单克隆抗体等生物工程药品。提高微生物发酵速率与方法：改良菌种采用异柠檬酸裂介酶活性低的菌株进行谷氨发酵可以提高L一谷氨酸产量, 提高糖酸转化率5一15%。 通过改变培养菌种的条件，来改良菌种在微生物发酵生产氨基酸中, 用富氧空气培养种子, 能显著地增加氨基酸的产量,富氧空气的通入显著地减少了苹果酸、琥珀酸和乳酸的形成, 这些苹果酸、琥珀酸和乳酸对一氨基酸的形成有抑制作用。通过对菌种进行诱变处理，来改良菌种。 从土壤分离的Saccharomycopsis lipolytica的MT1002 株经NTG变异处理, 得到几株柠檬酸高生产能的变异株SL 2一8, MN 3一1等, 在三角瓶内振动培养, 培地中n一正构石蜡的C数以C14和C16为最好, 控制砖酸、柠檬酸产量增加。当培地中Cu、硼酸、硫存在时能抑制付产物异柠檬酸的产生, 提高柠檬酸产率和速度。比较亲株和变株的酶活性, 柠檬酸合酶变异株高, 顺乌头酸hydratase变异株低, 这对变异株生产柠檬酸有利。通过菌种的非主要功能，来提高产率日本山梨大学田中健太郎教授用酿造葡萄酒酵母的来生产能治疗贫血症的有机铁, 并对有机铁的结构和提高产率等继续进行研究。外界环境选择合适的发酵设备 根据文献报道谷氨酸发酵时所要求的Kd值, 推测出此设备用于谷氨酸发酵时的长菌期及产酸期分别所需要的通风量。在此基础上, 进行了谷氨酸的一次低糖发酵试验, 最后探索出适用于此设备的谷氨酸发酵最佳工艺。实验结果的最高产酸率为7.69%, 转化率为58.8%, 比使用同一菌种的用机械搅拌罐发酵的产酸率（6.0%）及转化率（44%）分别提高28.2%和33.6%。按本实验结果推论,50L小罐放大到20m3大罐后, 单位体积发酵液能耗为0.2kW/m3左右, 比20m3机械搅拌罐的能耗（2.5kW/m3左右）减小20%左右。本实验结果充分表明, 内循环气升式发酵罐用于谷氨酸发酵时在经济效益等方面都优于机械搅拌罐。通过寻找底物的恰当添加时间，来提高产率和速度。 制造5一肌苷酸的方法, 一般采用微生物对次黄嘌呤或肌苷酸作用后转换成5一肌苷酸的方法。但这种方法产率过低，速度较慢。味之素株式会社的石桥政梭等人研究成功了一种发酵法高效率生产5一肌苷酸的新方法, 并申请了专利。该专利的技术特征是在培养过程中添加肌苷或/和次黄嘌呤和糖类, 经反复试验后已确认可以高蓄积生产5一肌苷酸, 而且可实现工业化生产。生物素的添加，可以加快产率和速率 。 生物素作用主要是影响谷氨酸产生菌细胞膜的谷氨胶通透性, 同时也影响菌体的代谢途径。因此如何控制培养基中适量生物素浓度, 是提高谷氨酸产率的一个关键因素。据1960年研究谷氨酸小球菌的发酵产物与生物素的关系, 认为生物素的亚适量在2微克/升左右 。但由于谷氨酸发酵最适生物素浓度随菌种、碳源种类和浓度以及供氧条件不同而异，目前一般控制生物素浓度2-5微克/升。改变生产流程，加快发酵产率和速度日本传统的酱油酿造需要6个月时间, 新的酱油酿造技术, 能使酱油生产时间缩短数倍甚至数十倍, 效率大大提高。日本岐阜大学研究用生物技术快速酿造酱油, 采用陶瓷作微生物固定化载体, 分别将第一酱油酵母塞特假丝酵母置入第二生物反应器的载体上, 经曲霉菌在高温下分解的大豆与乳酸菌作用后的酱油酵母先后在第一、第二反应器中再发酵, 只需2一3周时间就可酿造出有传统风味的酱油。改变底物的成分，是发酵产率和速度得以提高。开发应用转化糖蜜和蔗糖蜜以3:79:1的比例混合制成混合糖蜜, 再添加日常发酵所使用的培养基, 采用谷氨酸生产菌发酵, 可以明显提高谷氨酸的发酵产率。 通过改变盐度，即渗透压，来寻找最适的盐度，从而提高产率和速度。不同的盐度对豆豉生产周期有一定的影响，盐度低生产周期短，但是产品易受微生物污染。盐度太高生产周期长，且盐分含量高对健康不利，不为广大消费者接受。因此适量的食盐含量是发酵调味品生产的关键。也是提高产率以及产品质量的好方法。温度、酸度对于发酵至关重要，不仅影响菌体的生长，而且还影响代谢产物的产量从温度、酸度对大曲酒产、质量的影响，揭示大曲酒夏季“掉排”的主要原因为高温、高酸环境抑制了酿酒酵母的发酵，降低了酿酒酵母的发酵力，从而影响了大曲酒的产、质量。在排除了酸度和其它微生物的干扰条件下，不同的温度对酿酒酵母的发酵力（产酒精能力）的影响是不同的，在26-28左右，酵母的发酵力最强；在30-36范围内，温度对酵母发酵力的影响很大，温度越高，发酵力越低；此外当温度超过34时，固体酒醅中的酵母的生长也受到影响。在排除了温度和其它微生物的干扰条件下，不同的酸度对酿酒酵母的发酵力（产酒精能力）的影响是不同的，当酸度2.3时，酵母的发酵力显著下降，酸度越高，发酵力越低。在制作啤酒的过程中，温度控制是糖化工艺中首要条件。糖化温度变化直接影响到酶活性，产生不同酶效应，进而改变麦汁成分组成，最终发酵度也受到影响。原料的状态也直接影响着发酵产率和速度原料的状态可分为固态、液态、气态、颗粒、粉末等等。例如：利用麦芽来制作啤酒，原料的粉碎，特别是麦芽粉碎是否适宜，不仅关系到原料糖化室浸出物收得率，而且影响到制得麦汁组成成分，特别是麦汁中可发酵糖的含量，影响到麦汁色泽与口味。麦芽粉碎过细，虽然有利于糖化，获得较高可发酵糖，较高最终发酵度，但难以形成理想过滤层，麦汁过滤困难，过滤时间长，原料利用率低。但原料粉碎过粗，过滤层形成较理想，但糖化难以完全，麦汁收得率同样不理想，麦汁中可发酵糖含量少，麦汁最终发酵度会受到影响。料水比对于发酵度的影响，要选择适宜的料水比料水比是指投入的物料体积和水体积之比。 又称糖化用水量，是糖化工艺设计中重要技术参数。料水比分为总料水比、麦芽醪料水比、辅料醪料水比。总料水比决定糖化醪浓度。一般以总浸出物和第一麦汁浓度为依据。料水比大小影响到酶对基质的渗透，过浓会抑制酶作用，降低淀粉分解速度和可发酵糖积累。 但浓醪对酶耐热性有保护作用，稀醪对发挥酶作用更为有利，但酶易失活。过浓或过稀都会影响到浸出物收得率及可发酵糖含量， 进而影响到最终发酵度。PH值对发酵产率