对如何推动微生物发酵工艺优化的研究

ｌ 技术推广与应用
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对如何推 动微生物发酵 工艺优化 的研 究
董 昌健
（ 吉林 农业科技 学院 生物工 程 学院 ， 吉林 吉林 １ ３ ２ １ ０ １ ）
摘要： 根据 对 目前 国 内外微 生物发酵 工艺的研 究 ， 相 关研 究 团队进行 了综合 的分析 和研 究。通过 对微 生物发 酵工 艺 中影响发 酵 的各种 因素 的分析 ， 总 结 出了相应 的技术 经验 并且制 定 了工艺的优化 方法。近 年来 ， 微 生物发酵在相 关工程技 术领域 的应用越 来越 广 泛 ， 该工 艺包 括培 养基组 分 中碳 源 、 无机 盐 、 氮源 、 微 量元素 等的作 用 ， 并控 制 ｐ Ｈ值、 温度 、 溶氧 等对发 酵的影 响 ， 从 而将微 生物发 酵工 艺进 行 了优 化 ， 以
培 养 基 对 于 发 酵 而 言 ，其 主 要 功 能 是 满 足 微 生 物 在 进 行 代 谢 产 物 合 成 或 者 生长 繁殖 的过 程 中 所 需 的 能 量 。培 养 基 的 主要成分 直接影响了菌体 的生长和繁殖 能力 ， 并 且 对 生 物 的 合成效率 以及 产品的产量和质量有很大的影响 。在微生物 发 酵 的研究 中发现 ， 不同的微 生物 品种 、 不 同 生 长 阶 段 的 微 生 物 所 需 要 的 培 养 基 以及 发酵 工 艺 都 有 明显 的 差 异 。培 养 基 的 主 要 材 料 是氮 源 、 碳源 、 微 量 元 素 和 无机 盐 ， 这 四 种 材 料 的 选 用直接影 Ｐ ｒ ￣， Ｊ 培 养基 的 质 量 。 除 了 碳 源 以 外 ，无 机 盐 对 培 养 基 而 言 也发 挥 着 很 大 的 作 用 。在 发 酵 过 程 中 ， 无机盐影响了微生物的生长 ， 并 且 对 代 谢 产 物 的形 成 有 一 定 的影 响 。 通 过 研 究 发 现 ， 很 多金 属 离 子 在 浓 度 较 低 时 能 够 对 微 生 物 的 生 理 活 动 有 积 极 的影 响 ， 但 是 浓 度过高则 会抑制微生物 的生 长和代谢 。在无机盐 当中 ， 磷是 微生物生长和 代谢活动所需 的重要元素 ， 参 与 了 微 生 物 很 多 重要 的生长 活动 ， 例 如磷脂 、 核酸 、 辅酶 的构成 ， 都 需 要 磷 元 素 的 加 入 。磷 在 微 生物 的 代 谢 和 调 节 方 面 还 发 挥 着 重 要 的 作 用， 可 以 引 导微 生物 进 行 正 常 的 生 长 和 代 谢 。 正 二 价 的 钙 离 子参 与的是 细胞生理 状态 的调 节 ，并 且能 够增加 发酵 的菌 量， 提高微生物发酵的效率 。 除 此之外 ， 培 养基还需要其他的构成成分 ， 通过 这 些 成 分 对微生物发酵 起到积极的推 动作用 ， 大 大 提 高 了 培 养 基 对 微 生 物 发 酵 的 效 果 。发酵 培 养 基 的成 分 安排 必 须 要 满 足 相 应 微 生物 的生长需 要 ， 为其产物 的形成提 供必 要的营 养 ， 并 且还 要 保 证 物 理 性 状 适 合微 生物 发酵 的进 行 。在 材 料 的 选 用 上 还 需要考虑 到价 格因素 ， 在保证质 量的前提 下选用较为便 宜的 原料 ， 并且原 料的 来源必须 充足 ， 以便 微 生 物 发 酵 工 程 的 长 期发展 。 ２微 生 物 发 酵 工 艺 优 化 的 方 法 在 如 今 的 微 生 物 发 酵 中 ，国 内 外 众 多 学 者 都 开 始关 注 发 酵 工 艺 的 优化 问 题 ， 如 何 有 效 的开 展 微 生 物 发 酵 培 养基 的 成
分、 培 养 条 件 的 实 验 成 为 目前 关 注 度 最 高 的 话 题 。 该 方 面 工 艺的提 高能够 高效 、 系统 的获得所 需的微 生物 产物 ， 将 微 生 物 发酵的效率进行显 著的提高 ， 并 且 在 成 本 上 还 能 够 做 到 有 效 的 控 制 。 经 过 国 内外 的 相 关 研 究 ， 目 前 使 用 效 果 较 好 的 优 化 方 法 主 要 是 正 交试 验 设 计 法 、 响应面 设计法 、 Ｐ １ ａ ｃ ｋ ｅ ｔ ｔ — Ｂ ｕ ｒ ｍ ａ ｎ 设计 法。 正交 试 验 设计 法 是 一 种数 理 统 计 方 法 ，主 要 是 通 过 正 交 表 来 进 行 多因 素 问题 的 分 析 ， 在 研 究 得 出 结 论 以 后 可 以 通 过 直 观 分 析 或 者 是 直 接 对 比 来 确 定 微 生 物 发 酵 的 主 要 影 响 因 素 。该 设 计 法 在 使 用 中具 有 工 作 量 小 、 方 法简单 、 效果好 、 效 率高等特点 ， 因 此 正 交 试 验 设 计 法 是 微 生 物 发 酵 工 艺 优 化 的 最 常 用 方 法 。正 交 试 验 设 计 法 在 工 业 和 农 业 生 产 中 应 用 广 泛， 并 且 在 其 他 科 研 领 域 也 取 得 了 显 著 的 效 果 。 该 设 计 法 曾 被 多名 生 物 学 家 进 行 实 际 的 优 化 应 用 ， 例 如 利 用 正 交 设 计 法 对枯草芽孢杆菌 的液体发酵进行优 化 ， 从 而 使 发 酵 后 杆 菌 的 产量大大提 高。 响应面设计法是一种统计方 法 ， 主 要 结 合数 学 建模 、 统计 分析 、 实验技 术等 方法经过 试验设 计进 行数据 的分析 ， 并 且 通 过 多 元 二 次 回 归 方 程进 行 函 数 关 系 的 拟 合 ， 从 而 将 工 艺 参 数 进 行 优 化 。该 方 法 对 于 变 量 因 素 较 多的 微 生 物 发酵 有 很 好 的 参数优化 效果 ， 能够将各 方面所 需材 料 、 发 酵 因 素 等 进 行 准确 的定量 ， 从而保证微生物 催化的 Ｉ Ｉ Ｉ ￣ ａ Ｖ ｉ ｊ 进 行 。 响 应 面 设 计 法 的适 用 面 较 广 ， 目前 除 了微 生 物 发 酵 领 域 以 外还 遍 布 于 生 物学 、 医学 、 制药 等多个方面 ， 成 为 使 用 最 广 的 微 生 物 发 酵 优
推进 生产效率 的提 高和产 业的应 用发 展。
关 键词 ： 微 生物 ； 发 酵 工 艺； 优 化
中图分 类号 ： 【 Ｑ８ １ ５ ． ］
文献 标识码 ：Ａ
文章 编号 ： １ ６ ７ ４ — ０ ４ ３ ２ （ ２ ０ １ ３ ） 发酵 历 程 中 ，农 业 方 面 的 运 用 越 来 越 广泛， 在农 业中利 用有益微 生物进 行发 酵 ， 能够 收集菌 体或 者相关 的代谢 产物 ， 从而 实现农业 的增 产。除 此之 外 ， 微生物 的 发 酵 应 用 还 在 农 业 防 病 方 面有 显著 的 成 效 。微 生 物 发 酵 对 于 生 产而 言 有 很 好 的增 产 作 用 ， 但 是 不 同 的 微 生 物 有 自身 的 菌 种特性 ， 因此在 发酵过程 中需 要不 同的发酵条 件 ， 其 中 包 括 Ｐ Ｈ值、 温度 、 溶氧 量等 ， 都 属 于 微 生 物 发 酵 条 件 的 重 要 内 容 。 发 酵 工 艺 的 优 化 能 够提 高 发 酵 生 产 的 效 率 ， 并 且 降 低 生 产成本 ， 从 而 将 微 生 物 发 酵 发 展 成 高效 、 节 资的 产 业 。 １微 生 物 发 酵 影 响 因 素 的 分 析