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書名：基因工程藥物研究與應用
作者名：李校堃主編
本章字數(shù)： 1886字
更新時間： 2021-04-16 15:28:40

一、發(fā)酵過程中的代謝變化與控制參數(shù)

發(fā)酵（或培養(yǎng)）過程，因其代謝產物的種類不同而有一定的差異，但大體上是相同的。隨著菌體的生長和繁殖，培養(yǎng)液的物理性質、菌體形態(tài)和生理狀態(tài)都可能會發(fā)生顯著的變化，如：培養(yǎng)液的表觀黏度可能增大，液體的流變學特性改變，進而影響罐內的氧傳遞、熱傳遞和液體混合等過程。細胞在初期和后期的生理活性也不相同。因此，了解各種不同菌體在發(fā)酵過程中的生長曲線及代謝變化，有利于對發(fā)酵過程進行控制。

從產物形成來說，代謝變化就是反映發(fā)酵中的菌體生長、發(fā)酵參數(shù)的變化（培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件）和產物生成速率這三者之間的關系。如果將它們隨時間變化的過程繪制成圖，就形成所謂的生長曲線（圖4-1）。

圖4-1　細胞生長曲線

1.延滯期；2.對數(shù)期；3.穩(wěn)定期；4.衰亡期

菌體生長過程可分為四個階段即遲緩期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期和衰亡期（表4-1）。在發(fā)酵過程中即使是同一菌種，由于生理狀態(tài)和培養(yǎng)條件差異，各期的時間長短也不盡相同。在工業(yè)發(fā)酵中往往接種對數(shù)期的（特別是對數(shù)生長中期）的菌液，盡量縮短延滯期，縮短發(fā)酵周期，并在尚未達到衰亡期即進行放罐處理或在對數(shù)生長中后期進行誘導。

表4-1　不同生長期菌體變化及特征

發(fā)酵（或培養(yǎng)）是在一定條件下進行的，其代謝變化是通過各種檢測參數(shù)反映出來的。一般發(fā)酵（或培養(yǎng)）過程控制主要參數(shù)有以下幾種：

1.pH（酸堿度）

是影響微生物生長和產物合成最重要的因素之一，是代謝活動的綜合指標。不同種類的工程菌對pH的要求不同，生長和產物合成過程的最適pH也可能有所不同。

2.溫度（℃）

對發(fā)酵的影響是多方面的，對細胞的生長和代謝、產物合成均產生重要影響。它的高低與發(fā)酵中的酶反應速率、氧在培養(yǎng)液中的溶解度和傳遞速率、菌體生長速率和產物生成速率等有密切關系。不同的菌種、不同產品、發(fā)酵不同階段，所維持的溫度亦不同。

3.溶解氧濃度（DO%）

是好氧菌發(fā)酵的必備條件。外源基因的高效轉錄和翻譯需要大量的能量，促進細胞的呼吸作用，因此維持適宜的溶解氧濃度，才能提高菌的生長及外源蛋白產物的合成。溶解氧一般用絕對含量（ppm）來表示，有時也用在相同條件下氧在培養(yǎng)液中飽和度的百分數(shù)（%）來表示。

4.基質含量（%或g/100ml）

也稱之為底物，主要包括碳源、氮源、無機鹽等，是工程菌代謝的物質基礎，既涉及菌體的生長繁殖，又涉及產物的形成。基質的種類和濃度與發(fā)酵代謝有著密切的關系。因此，在發(fā)酵過程中，必須定時測定糖（還原糖和總糖）、氮（氨基氮或銨氮）等基質的濃度。

5.空氣流量［V/（V·min）］

是指每分鐘內每單位體積發(fā)酵液通入空氣的體積，也可叫通風比，是好氧發(fā)酵的控制參數(shù)。它的大小與氧的傳遞和其他控制參數(shù)有關。

6.壓力（MPa）

是指發(fā)酵過程中發(fā)酵罐維持的壓力。罐內維持正壓可以防止外界空氣中的雜菌侵入而避免污染，以保證純種的培養(yǎng)。同時罐壓的高低還與氧和CO ₂在培養(yǎng)液中的溶解度有關，間接影響菌體代謝。

7.攪拌轉速（r/min）

是指攪拌器在發(fā)酵過程中的轉動速度，對好氧性發(fā)酵，在發(fā)酵的不同階段控制發(fā)酵罐攪拌器不同的轉數(shù)，以調節(jié)培養(yǎng)基中的溶氧。它的大小與氧在發(fā)酵液中的傳遞速率和發(fā)酵液的均勻性有關。

8.攪拌功率（kW）

是指攪拌器攪拌時所消耗的功率，它的大小與液相體積氧傳遞系數(shù) K Lα有關。

9.黏度（Pa·s）

可以作為細胞生長或細胞形態(tài)的一項標志，也能反映發(fā)酵罐中菌絲分裂過程的情況，通常用表觀黏度表示。它的大小可改變氧傳遞的阻力，又可表示相對菌體濃度。

10.濁度（OD%）

是能及時反映單細胞生長狀況的參數(shù)，用于澄清培養(yǎng)液中低濃度非絲狀菌的測量，測得的OD值與細胞濃度成線性關系。

11.料液流速（ml/h）

是控制流體進料的參數(shù)。

12.產物的濃度（μg/ml）

這是發(fā)酵產物產量高低或合成代謝正常與否的重要參數(shù)，也是決定發(fā)酵周期長短的根據(jù)。

13.氧化還原電位（mV）

是影響微生物生長及其生化活性的因素之一，特別是厭氧發(fā)酵和某些氨基酸發(fā)酵是在限氧條件下進行的，溶氧電極已不能精確使用，這時用氧化還原電位參數(shù)控制則較為理想。

14.排氣中的氧含量（%）

與產生菌的攝氧率和 K Lα有關。從廢氣中的氧和CO ₂的含量可以算出產生菌的攝氧率、呼吸熵和發(fā)酵罐的供氧能力。

15.排氣中的CO₂含量（%）

是指產生菌呼吸放出的CO ₂，測定它可以算出產生菌的呼吸熵，從而了解其呼吸代謝規(guī)律。

16.菌絲形態(tài)

可反映生化代謝變化，一般都以菌絲形態(tài)作為衡量種子質量、區(qū)分發(fā)酵階段、控制發(fā)酵過程的代謝變化和決定發(fā)酵周期長短的依據(jù)之一。

17.菌體濃度（簡稱菌濃）

菌濃度與培養(yǎng)液的表觀黏度有關，間接影響發(fā)酵液的溶氧濃度。生產過程中，常常根據(jù)菌濃度來決定適合的補料量和供氧量，以保證生產達到預期的水平。

發(fā)酵過程重要參數(shù)的測定方法和目的見表4-2。

表4-2　發(fā)酵過程重要控制參數(shù)的測定方法及目的

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