发酵工程研究与技术进步

<正>发酵工程是利用微生物进行大规模生产的工程技术,属于微生物学与工程学相结合的以产品生产为导向的一门应用技术领域。因此,如果要深入研究发酵过程原理实现发酵工程优化与放大,必须有深入的生物学和工程学研究基础。重点阐述发酵工程的基础理论研究及其技术进步,并探讨其对产业应用的重大影响。     

重组巴氏毕赤酵母高密度发酵表达rHSA

对基因工程菌Pichiapastoris的摇瓶发酵条件进行了试验 ,并根据摇瓶发酵的优化结果进行了补料分批高密度发酵。在摇瓶发酵时 ,甲醇诱导基因工程菌P .pastoris表达重组人血清白蛋白的发酵周期为 96h ;甲醇的最佳诱导浓度为 1 0g L ;发酵pH范围为 5 72～ 6 5 9;在摇瓶培养时 ,随着接种量的增加 ,虽然目的蛋白表达量缓慢增加 ,但单位细胞光密度的蛋白产率却明显下降 ,符合y =1 2 941x- 0 50 59方程 (线性相关系数r=0 9789) ,其限制性因子很可能为溶氧。在分批发酵 ,接种量为 1 0 %且种子细胞光密度 (OD60 0 )为 2 0左右时 ,细胞生长的延迟期为 2 1 1h左右 ,细胞生长光密度与培养时间的关系模型为 :y =0 7841e0 .2 3 19t(线性相关系数r=0 .993 6 ) ;在补料发酵时细胞干重浓度可达到 1 1 5g L— 1 6 0g L ,在 1 2 0h重组人血清白蛋白表达量最大达到 3 6g L。     

以葡萄糖为生长相基质的重组毕赤酵母表达植酸酶发酵

甲醇营养型毕赤酵母表达外源蛋白是在醇氧化酶（alcohol oxidase,AOX）启动子（PAOXI）严格调控下进行的,然而这种启动子在转录水平受到葡萄糖的阻遏。本文研究了毕赤酵母在葡萄糖替代甘油为生长相碳源时表达重组植酸酶蛋白的发酵特征。结果表明：初始葡萄糖浓度为20dL的细胞得率高,为0．39g[DCW]／g。通过基于实时参数（溶氧和呼吸商）调控的葡萄糖补料策略,生长相40h后细胞密度达到100g[DCW]／L,甲醇诱导100h后植酸酶产量达到2200FTUphytase／mL,甲醇得率系数为0．25FTU phytase／gmethnol。因此,在毕赤酵母高表达重组蛋白培养中葡萄糖能够用作生长相基质,并能实现重组蛋白的高效表达。     

高效液相色谱法测定必特螺旋霉素发酵液中有机酸

必特螺旋霉素是运用基因工程技术获得的工程茵产生的一组以异戊酰螺旋霉素为主要成分的多组分新型抗生素,其前体为乙酸、丙酸、丁酸和异戊酸等有机酸。本研究利用高效液相色谱法以0．01mol／L磷酸缓冲液（pH2．3）和甲醇为流动相,分别在反相C8（α-酮戊二酸、乙酸、柠檬酸、琥珀酸、丙酸）和C18（丁酸、异戊酸）柱上定量测定了必特螺旋霉素前体酸和三羧酸循环相关有机酸。所建立的测定方法的相对标准偏差为0．10％～0．42％,回收率为93．19％～102．08％。     

pH控制下绿色木霉（Trichoderma viride）流加发酵生产纤维素酶

绿色木霉（Trichodermaviride）在pH控制发酵条件下,采用流加葡萄糖发酵策略,可显著提高综合滤纸酶活力（FPA）和内切酶（endo—β—1,4-glucanase,EG）、外切酶exo—β-1,4-glucanase,CBH）、纤维二糖酶（cellobiase,CB）酶活。在5L发酵罐中采用pH控制和流加葡萄糖工艺,可提高CB酶含量,改变酶组分之间的比例,使得FPA、EG、CB和CBH酶活分别达到50．0U／mL,210．0U／mL,4．0U／mL和2．5U／mL,比摇瓶发酵分别提高了6．7．4．2、19、2．5倍。     

基于活细胞量测量的利福霉素发酵过程氮源优化策略

在发酵生产利福霉素SV的过程中,其菌丝体的生长代谢情况及产物发酵合成都与有活力的菌丝量密切相关.介绍了在线活细胞传感仪测定活细胞量的方法,它利用细胞的介电特性,能够排除发酵液中固含物的干扰,测得的电容值与活细胞浓度呈线性相关,可以作为工艺优化过程中的关键参数.通过电容变化反映的前期生长出现的二次生长现象,进行了通过使用迟效氮源豆饼粉代替了原培养基中价格昂贵的速效氮源蛋白胨,成功消除了发酵前期由于氮源利用转换造成的生长停滞期,利用豆饼粉情况下培养前期的OUR和CER达到了14.8和15.3 mmol/L/h,明显高于利用速效氮源蛋白胨A组的8.6和11.3 mmol/L/h,保证了持续较高的比生长速率,对于促进菌体的氧消耗速率的增加和维持有着重要的作用,明显有利于利福霉素的合成与速率的维持,氮源替代组的发酵效价达到了5969±19 U/ml,与对照组(5030±17U/ml)相比显著提升发酵单位18.7%以上.     

头孢菌素C产生菌的诱变育种及培养基优化

通过对顶头孢霉（Cephalosporium acremonium）FC-01进行诱变选育及特定种子培养基的优化,提高了头孢菌素C的发酵产量。分别采用紫外-氯化锂和钴-60（60Co）γ射线对FC-01进行诱变选育,筛选到高产菌株FC-1-4和FC-4-2,产量较出发菌株分别提高了26%和54.5%。运用Plackett-Burman设计方法和响应面法对种子培养基进行优化,头孢菌素C发酵效价较对照分别提高了34.7%和13.2%,优化后的种子培养基主要成分为玉米浆3.70%、葡萄糖2.62%和硫酸镁0.15%,得到的菌株及相应的种子培养条件已成功应用在160M³工业发酵罐生产中,具有重要的工业生产能力。     

基于比速率及代谢流的黑曲霉突变株和野生株分析

黑曲霉具备优异的外源蛋白表达和分泌能力,从而被广泛应用于工业酶制剂的生产。通过研究黑曲霉突变株和野生株在相同培养条件下生理参数和代谢流的差异,确定了黑曲霉合成糖化酶过程中的限制性因素。宏观动力学分析发现,较之野生株,突变株具有较高的最大比生长速率,并且副产物得率降低了90%,底物利用率提高了近30%,表明突变株与野生株在碳源分配和产物转化率上具有明显的差异。利用流平衡分析（FBA）计算胞内代谢通量分布,发现还原力和核糖的供应水平是限制菌体合成的主要因素,而前体氨基酸是合成糖化酶最主要的限制性因素。这些研究结果为后续发酵工艺优化和菌株基因改造提供了有益的思路。     

两次诱导实现重组大肠杆菌高密度、高表达研究

通过不同温度诱导模式对大肠杆菌高密度,高表达的研究,确定两次升温诱导模式实现大肠杆菌高密度、高表达重组人载脂蛋白的目的。实验证实两次诱导成功的避免了乙酸对高密度、高表达的影响,最终发酵的细胞密度OD600达150,蛋白表达量4.8g·L-1,证明两次升温诱导的发酵方法在高密度、高表达外源蛋白上是成功的,从而为基因工程菌规模化生产奠定了基础。     

铵离子对梅岭霉素生物合成的调控效应

通过考察不同浓度的硫酸铵对梅岭霉素生物合成的影响,证实在低浓度下,硫酸铵可以促进梅岭霉素的生物合成,当其浓度大于5mmol/L时,菌丝生长和产物合成均受到抑制,而耗糖速率却随着铵离子的浓度增大而增大。在此基础上,进一步测定了与梅岭霉素生物合成和糖代谢过程密切相关的6种酶的活性变化,结果表明较高浓度的铵离子对6_磷酸葡萄糖脱氢酶、柠檬酸合成酶、琥珀酸脱氢酶以及脂肪酸合成酶的活性均表现出一定的促进作用,而对缬氨酸脱氢酶和甲基丙二酰CoA羧基转移酶的活性进行抑制,由此产生的结果一方面是HMP途径和TCA循环得到了加强,促进了菌体的初级代谢,另一方面则是梅岭霉素生物合成所需前体的来源受到限制,从而造成了梅岭霉素的低产。