深层发酵生产代谢物技术

深层发酵生产代谢物技术

深层发酵（SmF）是一种在液体培养基中培养微生物的技术，广泛应用于生物分子和代谢物的生产。从抗生素到酶，再到有机酸，深层发酵在许多工业领域都发挥着重要作用。本文将为您详细介绍深层发酵的历史、原理、应用及其优化策略。

关键要点：

• 深层发酵是一种广泛用于生产生物分子和代谢物的工业技术。
• 它涉及在液体培养基中培养微生物，以便更好地控制过程参数。
• 深层发酵广泛用于生产多糖、酶和其他生物活性化合物。
• 该工艺具有周转速度快、成本低、产量高、产品净化更简单等优点。
• 优化深层发酵策略对于开发有效的农业微生物接种剂至关重要。

了解发酵技术基础知识

发酵科学，又称酶学，已从古代的食品保存学发展成为工业生物技术。19世纪中叶，法国化学家路易斯·巴斯德开启了这一旅程。他展示了微生物如何将复杂的有机物质转化为更简单的物质。

发酵过程的历史发展

巴斯德的工作为发酵科学奠定了基础。后来，爱德华·布希纳因在酵母细胞中发现酶而于1907年获得诺贝尔奖。阿瑟·哈登和汉斯·欧勒-切尔平也在1929年取得了重大进展，因对酶的研究而获得诺贝尔奖。

代谢物产生的基本原理

发酵将复杂的糖类转化为更简单的物质，如酒精和酸。发酵类型和所用的微生物决定了生产的产品。这些产品可以是细胞、生物质，甚至是生物燃料。

工业发酵方法的类型

• 批量发酵：简单且风险较小，适合初学者。
• 补料分批发酵：增加细胞密度和代谢物的产生。
• 连续发酵：长时间保持生产，非常适合研究微生物。
• 深层发酵（SmF）：使用液体培养基和氧气，在工业中很常见。
• 固态发酵（SSF）：在固体基质上培养微生物，环境友好。

正确的发酵方法取决于工业需求。关键在于找到生产力、控制和复杂性之间的最佳平衡。

深层发酵：工艺概述和应用

深层发酵（SmF）是生物过程工程用于制作初级和次级微生物代谢物。它在受控的液体培养基中培养微生物。这在许多方面优于固态方法。

SmF 可以更好地控制工艺，更容易回收产品，并且更具可扩展性。它是大规模生产许多产品的首选。这包括抗生素、酶、有机酸和其他生物活性物质。

深层发酵主要有两种方式：分批补料和连续补料。分批补料分批添加营养物质，以提高细胞密度并更容易回收产品。连续补料则不断添加营养物质，以实现稳定的生产和生长。

深层发酵用于许多产品，例如：

• 含酒精的饮料
• 食品防腐剂
• 氨基酸
• 甜味剂
• 酶及其他微生物代谢物

SmF 的多功能性和优势使其成为液体培养和生物过程工程。它有助于创造新产品和新工艺。

“深层发酵为生产各种有价值的微生物代谢物与传统固态方法相比，具有改进的过程控制和可扩展性。”

生物反应器系统的基本组成部分

生物反应器是发酵技术的关键，从小型摇瓶到大型工业容器。了解主要部件及其作用对于更好地生物反应器性能。它还有助于确保代谢物的持续产生。

生物反应器的关键部件及其功能

的主要部分生物反应器系统是：

• 叶轮：将微生物细胞或生长底物均匀混合并保持在液体中。
• 喷射器：它们将空气或其他气体添加到液体中以帮助微生物生长和制造产品。
• 挡板：它们通过分解生物反应器内的流动来帮助更好地混合。
• 探头：它们检查温度、pH 值和氧气水平等重要指标，以保持良好的状态。

控制参数和监控系统

先进的控制系统管理微生物生长和产品制造的关键因素。这些因素包括：

2. 温度：保持适宜微生物最佳生长的温度。
3. pH值：观察并调整至适合发酵过程的范围。
4. 溶解氧：检查并控制有足够的空气好氧发酵。
5. 搅拌速度：设置为充分混合并传输氧气而不损害细胞。

灭菌和维护要求

良好的灭菌和保养是生物反应器系统的关键。它们可防止污染并保持性能稳定。这包括：

• 每次使用前清洁和消毒生物反应器及其零件。
• 定期检查传感器和探头，以实现准确的监控和控制。
• 接种、取样、收获过程中采用严格的无菌方法，保持过程清洁。

了解生物反应器组件及其工作原理有助于改进发酵优化。它还释放了工业生物技术生物反应器的代谢物生产。

生长动力学和培养条件

理解生长动力学微生物的生长是深层发酵的关键。微生物生长分为四个阶段：滞后、指数、稳定和衰退。温度、pH、氧气和底物水平等条件会影响它们的生长和产量。

密切关注和调整这些因素至关重要。这确保了发酵动力学和生物过程工程。例如，乳酸杆菌在 30–40°C 和 pH 5.5–6.2 时生长最佳。它们可以在 2 至 53°C 的温度和 4.5 至 6.5 的 pH 下生长。

像 Gompertz 模型这样的模型有助于预测增长。它们估计关键的增长率和时间。这些模型对于改善微生物培养和发酵。

产品型号 价值观
益生菌市场收入（2024 年预测） 74亿美元
益生菌市场收入（2015 年） 35亿美元
乳酸杆菌生长的最佳温度 30–40°C
乳酸杆菌生长的最佳pH值 5.5-6.2
乳酸杆菌的生长温度范围 2至53°C
乳酸杆菌生长的pH范围 4.5到6.5

了解生长动力学和培养条件是关键。它有助于改善深层发酵和质量生物过程工程。

“生长动力学参数，例如特定生长率和滞后期持续时间，受培养条件和发酵培养基组成的影响，从而影响细菌的适应和增殖。”

代谢物生产的扩大策略

将发酵从实验室扩大到工业是困难的工业生物技术。一切都是为了保持氧气流动、混合和冷却正常。生物过程工程帮助更好地解决这些问题发酵优化。

从实验室到工业规模的转变

生物反应器从小型摇瓶发展成为大型工业容器。实验室生物反应器由玻璃制成，大型生物反应器由不锈钢制成。这种变化有助于处理更大的体积和复杂性。

流程优化技术

• 实验设计（DOE）方法，例如 Plackett–Burman 方法，可以同时调整许多因素。
• 田口方法提高了发酵的可重复性和效率。
• 统计分析和建模找到了高代谢物产量的最佳条件。

常见的扩大规模挑战

扩大发酵规模面临质量传递、剪切应力和温度等问题。保持适当的氧气流动对于微生物的生长和生产力至关重要。

生物反应器规模 音量范围 典型材料
摇动烧瓶 100–1000 毫升 玻璃
实验室规模 1-50 L. 玻璃
中试规模 0.3–10 平方米 不锈钢
产业规模 2–500 平方米 不锈钢

与强生物过程工程，行业可以从实验室走向大规模工业生物技术。这导致更好的发酵优化并产生更多的代谢物。

初级代谢产物与次级代谢产物

在微生物发酵领域，了解初级代谢物和次级代谢物之间的区别至关重要。初级代谢物对微生物的生长至关重要，是在指数期产生的。次级代谢物，如抗生素和色素，更为复杂，是在稳定期产生的。

微生物及其产品市场正在蓬勃发展，预计到 306 年将达到近 2020 亿美元。医疗保健行业是其中的重要组成部分。氨基酸（初级代谢产物）产量大幅增加，6.5 年达到 2014 万吨。到 7 年，l-赖氨酸市场将达到 2020 亿美元。

虽然初级代谢产物对生长至关重要，但次级代谢产物正受到越来越多的关注。它们有很多用途，例如用于制药和食品。固态发酵 (SSF) 是生产次级代谢产物的好方法，与深层发酵 (SmF) 相比，产量更高，可持续性更强。

微生物可以产生各种各样的次级代谢产物，这是生物体生物过程工程。通过了解影响初级和次级代谢物之间平衡的因素，我们可以改善发酵。这有助于充分发挥微生物生物转化的潜力。

“利用微生物培养进行次级代谢产物生产已被证明是降低生产成本和碳足迹的有效策略。”

介质组成和基材选择

在深层发酵中，培养基的成分是关键。它必须具有适当的营养物质，才能使微生物生长良好并产生更多产物。底物的选择极大地影响了发酵系统的运作效果。

最佳生长所需的营养需求

微生物需要许多营养物质才能在深层发酵中生长良好。这些营养物质包括：

• 碳源：葡萄糖、蔗糖或木糖等糖为微生物提供生长和生产产品的能量。
• 氮源：有机（例如，蛋白胨、酵母提取物）或无机（例如，铵盐）氮化合物有助于构建蛋白质和核酸。
• 矿物质：酶和代谢过程需要磷、硫、镁和微量金属。
• 生长因子：维生素、氨基酸和其他化合物有助于微生物生长和繁殖。

碳源和氮源的影响

选择正确的碳源和氮源很重要。例如，使用木糖可以在曲霉菌中产生木聚糖酶。碳和氮的适当平衡也是生长和生产力的关键。

“平衡营养物质的利用率和消耗率是深层发酵培养基优化的一个关键方面，因为它直接影响微生物的生长、代谢物的合成和整体过程的效率。”

过程控制和参数优化

有效发酵优化是深层发酵中代谢物产量提高的关键。观察和调整温度、pH、溶解氧、搅拌速度和底物浓度非常重要。使用补料分批操作和反馈系统等先进控制方法可以大大提高生产率和产品质量。

优化通常意味着使用实验设计和统计分析来找到最佳条件。响应面法（RSM）和人工神经网络（ANN）等技术已证明它们在改善发酵过程方面效果显著。例如，RSM 的 R2 高达 97.09%，MSE 低至 0.039。而 ANN 的 MAPE 仅为 3.46%，表明其预测能力非常出色。

改善这些过程可以大大提高代谢物的产量。一项研究发现，在找到更好的培养条件后，胆固醇氧化酶 (ChOx) 的产量增加了 2.2 倍。另一项研究从解脂耶氏酵母中获得了最高的脂肪酶活性 2.5 U/mL，这要归功于正确的培养基和发酵设置。

“有效的过程控制和参数优化对于充分发挥工业生物技术和生物过程工程在代谢物的产生中。”

通过使用这些先进的控制策略和优化方法，制造商可以提高其发酵过程的效率。这可以提高其代谢物产品的生产率和质量。它有助于推动工业生物技术部门。

工业应用和产品回收

深层发酵是制药、食品和生物燃料等许多领域的关键。从发酵液中获取正确的产品非常重要。这意味着从发酵液中分离生物质并使产品纯净。

下游加工方法

可以使用过滤、离心、色谱和膜分离等方法。正确的方法取决于微生物代谢物及其用途。这些步骤有助于使产品做好使用或销售的准备。

产品纯化技术

分离生物质后，可能需要更多步骤才能获得纯净产品。通常使用色谱法、膜过滤和结晶。方法的选择取决于产品的性质和所需的纯度。

常见问题

什么是深层发酵（SmF）以及它在生物技术中有何应用？

深层发酵 (SmF) 是生物技术中的一种关键方法。它在液体培养基中培养微生物。这样可以更好地控制该过程。SmF 用于制造许多重要产品，如酶和生物活性化合物。

发酵技术的历史发展是怎样的？

发酵技术已经走过了漫长的道路。它始于古老的食物保存方法。路易斯·巴斯德被誉为发酵科学之父。发酵利用微生物将复杂的物质转化为更简单的物质。

工业上使用的发酵方法有哪些不同类型？

目前有几种发酵方法。其中包括分批发酵、连续发酵和深层发酵。深层发酵使用氧气并将底物与液体混合。

深层发酵生物反应器系统的关键组件是什么？

生物反应器对于发酵至关重要。它们包括从小型摇瓶到大型工业容器。重要部件包括叶轮、喷射器和挡板。探头监测温度、pH 值和氧气水平。控制系统调整这些参数以实现最佳生长和生产。

微生物生长动力学如何影响深层发酵过程？

了解微生物的生长是深层发酵的关键。深层发酵有不同的生长阶段。温度和氧气水平等培养条件会影响生长和产量。

扩大深层发酵工艺的关键考虑因素是什么？

扩大发酵规模具有挑战性。保持氧气转移和混合效率很重要。调整参数和培养基成分会有所帮助。

发酵过程中初级代谢产物和次级代谢产物有什么区别？

发酵会产生初级和次级代谢物。初级代谢物是生长所必需的。次级代谢物，如抗生素，是后来产生的。

培养基组成如何影响深层发酵性能？

培养基组成对发酵至关重要。发酵需要正确的营养物质，如碳源和氮源。正确的底物选择对生产也很重要。

优化深层发酵的关键过程控制策略是什么？

良好的过程控制对于发酵至关重要。监测和控制温度、pH 值和氧气水平非常重要。补料分批操作等先进策略可提高生产率。

从深层发酵中回收代谢物的常见下游加工方法有哪些？

下游加工对于产品回收非常重要。它涉及从发酵液中分离生物质并纯化代谢物。使用过滤和色谱等技术。选择取决于产品。

源链接

• 批量发酵与连续发酵：过程控制策略
• 工业生物发酵过程中的放大挑战