提高发酵产率与速度的方法

提高发酵产率与速度的方法

摘要：如今，微生物发酵凭借其自身优点在各领域得到广泛应用，微生物工业成为一大新兴产业。提高发酵的产率及速度成为研究开发新的生物产品时的一大课题。本文从优化微生物发酵的上游技术，发酵条件、下游技术及综合创新四个方面阐述了提高微生物发酵产率与速度的方法。

关键字：发酵；产率；速度

发酵技术有着悠久的历史，早在几千年前，人们就开始从事酿酒、制酱等生产。然而直到19世纪，人们才开始真正认识发酵，伟大的生物学家巴斯德阐明了发酵是由微生物引起的，不同的微生物引起不同的发酵。这一重要发现开启了近代微生物学的大门，微生物学家开始了探索微生物的旅程。而在这个旅程中，如何提高微生物发酵产率与速度成为人们在研究微生物领域的一个重要课题。1、提高微生物发酵产率与速度

如今，发酵工业发展迅猛，微生物发酵具有投资省、见效快，污染小等特点，广泛应用于医药、食品、化工、保健、能源、环境等多个领域中，提高发酵产率及速度成为发酵工业的迫切需求。微生物的发酵工程从广义上包括上游技术、发酵工程、下游技术三部分。要想提高发酵产率和速度，可以从这三部分着手，优化发酵工艺，便于工业生产。

1、1优化发酵的上游工程技术

微生物发酵的上游技术主要包括菌种选育、种子的扩大培养、培养基的制备以及灭菌技术。近年来，人们对微生物的研究已经越来越深入，种子扩大培养技术、灭菌技术已经比较成熟，而培养基的优化则是根据菌种的选择而定的，因此优化发酵的上游技术，主要是需要获得好的菌株。我们可以选择优势菌株、利用基因工程获得重组菌株、用诱变的方法得到有益变异的菌株或者根据需要用细胞工程获得融合的菌株。

江南大学王正祥等人利用基因重组技术或得了一种高发酵产率的酒精酵母[1]。其主要思想是将酸性蛋白酶基因通过酵母的整合型表达载体转化到工业酒精酵母中，酸性蛋白酶的表达可以水解原料中的蛋白质，增加醪液中酵母可吸收性氮，促进酵母的增殖。应用这种重组酵母可提高酒精发酵速率，发酵周期缩短38%，而且并减少底物流失和能耗，提高原料出酒率，相对出酒率提高20%。由此可见，良好地运用重组技术，培养新型菌种，可大大提高发酵产率和速度。

根据发酵工艺的优化，培养优化菌株，对发酵产率的提高也有很大的帮助。

例如，在纤维素发酵乙醇时，采用同步糖化发酵模式，可大大提高乙醇的产率，然而其最大的问题是最佳酶解温度(45～50℃)和乙醇发酵温度(25～35℃)不协调。[2-4] 2008年，Tomas．Pejo E等[5]在测试不同纤维素量对细胞活性和乙醇产量中得到乙醇的最大理论产率为86％。而我国田沈等人[6]对实验室筛选出耐高温酵母菌进行高温驯化，培育耐高温的菌株，在高温条件下发酵可以发挥酶的最大作用，提高发酵产率。他们驯化后的菌株在46℃时仍可正常发酵，使用同步糖化发酵模式得到乙醇产率为88.2%，达到国际领先水平。

1、2优化发酵条件

微生物发酵是一个严密的过程，需要严格控制其发酵条件和微生物代谢途径，才能使微生物产生我们所需的发酵产物。控制好发酵条件是提高发酵速度的保证，也是控制微生物代谢途径的基础工作。掌控了微生物代谢途径，也就掌控了发酵的命脉，为提高发酵产率奠定基础。

不同微生物发酵所需的条件是不同的，这些条件主要包括原料浓度、接种量、发酵时的温度、pH、溶氧量、以及发酵设备与发酵类型的选择等等。然而更多时候发酵条件与控制微生物的代谢是相结合的，我们应当根据所选微生物发酵的特点来优化发酵条件，以保证发酵速度，提高发酵产率。例如利用微生物双末端氧化法的特殊功能可以发酵长链二元酸，而其发酵机理是主反应为ω-氧化，副反应为β-氧化，之前虽然优选菌株，但仍无法有效降低副反应，长链二元酸的转化率仅能达到50～60%，2003年方向晨等人[7]发明了一向专利，大大提高了二元酸的产率。其专利技术是在菌体培养初期或产酸期加入抑制剂减弱菌株的β-氧化能力，从而降低烷烃消耗，其发酵产率是不加抑制剂的菌株发酵产率的161%。此外，黄色短杆菌是工业发酵生产L-缬氨酸的主要菌株，但是在实际生产过程中，产率仅为理论值的38～54%，经研究发现其主要原因是过量的碳溢流产生有机酸和其他产物，使L-缬氨酸发酵产率降低。2010年陈宁等人[8]对此进行了深入研究，他们发现在培养基中加入柠檬酸或者其盐可以有效地调控黄色短杆菌中葡萄糖的代谢途径，减少副产物L-丙酮酸和醋酸的产生，大大提高了L-缬氨酸的发酵产率。由此可见，一些突破微生物发酵产率瓶颈的方法很可能就在优化发酵条件上，其关键是要结合微生物代谢途径来寻求突破口。

1.3优化发酵的下游工程技术

微生物发酵下游工程主要是指发酵液分离和纯化产品，主要包括发酵液的预处理和固液分离、提取、精制以及成品加工四个阶段[9]。1968年BLATT首次提出膜反应器的概念，之后随着膜分离技术的发展，膜反应器逐步应用于微生物发酵领域。

膜生物反应器有以下优点：可实现连续惭怍；酶可重复利用，有利于降低

生产成本，提高反应效率与经济效益。因此近30年来，膜分离技术已用于工业生产，在发酵的下游工程中的澄清除菌、产物浓缩、分级与纯化及废水处理等方面起到了重要作用[10]。采用聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜，将双向流膜分离工艺用于处理青霉素发酵液，可大大提高滤液质量，提高青霉素生产收率2.31%，同时也降低了后续工段的生产负荷，节能降耗有利于环境保护[11]。然而目前膜技术仍然受到价格高、分离性能等制约，所以我们还应当开发新材料、新技术将膜分离技术提高，从而为发酵产率的提高奠定基础。

1.4综合创新，整体优化

微生物发酵是一个整体，我们在分步解析，节节提高的基础上还必须要有整体意识，将微生物发酵的整个过程结合起来考虑，从中也可以找到提高发酵产率与速度的方法。

谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌等是工业发酵生产谷氨酸的常用菌株。在谷氨酸生产菌生物合成的代谢途径已经很清楚的前提下，2009年之前，工业合成L-谷氨酸的产率仅为理论值的61～71%。而陈宁等人[12]综合考虑了谷氨酸发酵的途径及工艺，发明了一种绿色提高L-谷氨酸发酵产率的方法。其原理是L-谷氨酸发酵液提取过程中所分离出的废弃菌体所制备的营养液可以为菌体生长提供丰富的营养物质。他们将废弃菌体经酸水解、或碱水解、或酶水解等方法制备成营养液加入到培养基中，这种营养液可以促进菌体生长，提高菌体酶活力，相对延缓菌体衰老，提高发酵产率20%左右。而云南师范大学李建昌等人[13]则利用电化学的手段活跃微生物协助产氢，其思想是用微生物燃料电池将微生物发酵产生的有机酸分解，在阴极上得到氢气。大大提高了氢气产率与速度。虽然这一方法并不是从微生物发酵及其代谢的思想出发，但是它突破了发酵产氢的一大屏障，为提高微生物高效产氢另辟蹊径。而在这项技术实施与完善的过程中也需要与微生物发酵有机结合起来，也需要整体考虑综合设计。

2.微生物发酵前景展望

微生物发酵与我们的生活息息相关，微生物发酵工业也经历了半个多世纪的发展。在今后的研究中，人们会不断发现新的菌株发酵新的产品，提高发酵产率与速度。我认为今后提高发酵产率与速度的方法主要是培养优良菌种，根据微生物代谢途径优化发酵条件以及优化分离纯化技术上。但更重要的是要综合考虑各方面的影响因素，创新设计发酵工艺，不仅提高发酵产率与速度，同时减少成本，降低污染，最大程度回收利用废弃物。相信未来的微生物发酵技术会不断完善，提高产率与速度的方法会更新更好，微生物的发展前景广阔。

参考文献

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