如何優(yōu)化酵母菌發(fā)酵罐的發(fā)酵過(guò)程與產(chǎn)量？

南京錦維

　　優(yōu)化酵母菌發(fā)酵罐的發(fā)酵過(guò)程與產(chǎn)量需從??菌種特性、培養(yǎng)基配方、發(fā)酵條件控制、設(shè)備設(shè)計(jì)及過(guò)程監(jiān)控??等多維度協(xié)同改進(jìn)，通過(guò)系統(tǒng)性策略提升生物量積累、代謝效率及產(chǎn)物得率。以下是具體優(yōu)化方向與措施：

　　??一、菌種選育與改良：強(qiáng)化代謝能力??

　　1. ??高活性菌株篩選??

　　通過(guò)自然分離或誘變育種(如紫外線、化學(xué)誘變劑)篩選具有??高生長(zhǎng)速率、高糖利用效率及抗逆性強(qiáng)??的酵母菌株(如釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae工業(yè)菌株)。例如，篩選能在高糖濃度(如30% w/v)下保持高活性的菌株，避免滲透壓抑制導(dǎo)致的生長(zhǎng)停滯。

　　2. ??基因工程改造??

　　利用CRISPR-Cas9等技術(shù)敲除副產(chǎn)物合成基因(如甘油合成途徑的GPD1/GPD2基因)，減少碳源分流；或過(guò)表達(dá)關(guān)鍵代謝酶基因(如丙酮酸脫羧酶PDC、乙醇脫氫酶ADH)，強(qiáng)化目標(biāo)產(chǎn)物(如乙醇)合成路徑。例如，工程菌可將乙醇產(chǎn)量提高10%~20%。

　　3. ??適應(yīng)性進(jìn)化??

　　在目標(biāo)發(fā)酵條件下(如高溫、高乙醇濃度)連續(xù)傳代培養(yǎng)，篩選適應(yīng)高壓環(huán)境的菌株。例如，通過(guò)逐步提高乙醇濃度(從5%至12% v/v)馴化菌株，增強(qiáng)其對(duì)代謝抑制物的耐受性。
  
　　??二、培養(yǎng)基優(yōu)化：精準(zhǔn)供給營(yíng)養(yǎng)??

　　1. ??碳源選擇與濃度調(diào)控??

　　??碳源類型??：葡萄糖是最易利用的碳源，但高濃度會(huì)引發(fā)“葡萄糖效應(yīng)”(抑制其他基因表達(dá))?？刹糠痔娲鸀檎崽?、麥芽糖或木質(zhì)纖維素水解液(如玉米秸稈水解糖)，降低成本并延緩碳源消耗速率。

　　??濃度控制??：初始糖濃度需匹配菌株耐受能力(如釀酒酵母通常為15%~25% w/v)，避免初始濃度過(guò)高導(dǎo)致滲透壓抑制；采用??補(bǔ)料分批培養(yǎng)（Fed-batch）??動(dòng)態(tài)補(bǔ)充碳源，維持糖濃度在1%~5% w/v，延長(zhǎng)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。

　　2. ??氮源優(yōu)化??

　　??速效氮源??(如酵母提取物、蛋白胨)促進(jìn)菌體快速增殖；??遲效氮源??(如硫酸銨、尿素)維持穩(wěn)定代謝。典型配比為速效:遲效=3:1~4:1。

　　??氨離子濃度??：過(guò)量銨鹽(>100mmol/L)會(huì)抑制呼吸鏈酶活性，需通過(guò)pH反饋控制補(bǔ)料速率(如維持pH 4.5~5.5，間接調(diào)控氨離子供給)。

　　3. ??微量營(yíng)養(yǎng)素補(bǔ)充??

　　添加維生素(如生物素、硫胺素)、礦物質(zhì)(如磷酸鹽、鎂離子)及微量元素(如鋅、銅)，激活代謝關(guān)鍵酶(如乙酰輔酶A合成酶需生物素作為輔因子)。例如，添加0.01mg/L生物素可使乙醇產(chǎn)量提升8%~15%。

　　??三、發(fā)酵條件精準(zhǔn)控制：動(dòng)態(tài)匹配代謝需求??

　　1. ??溫度調(diào)控??

　　??對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期??：維持較高溫度(如30℃~32℃)加速細(xì)胞分裂；

　　??產(chǎn)物合成期??：適當(dāng)降溫(如28℃~30℃)減少呼吸消耗，促進(jìn)產(chǎn)物積累。

　　??動(dòng)態(tài)控制??：通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)反饋，結(jié)合菌體生長(zhǎng)速率(OD600)調(diào)整溫度，避免高溫導(dǎo)致酶失活或低溫抑制代謝。

　　2. ??pH管理??

　　??初始pH??：設(shè)定為4.0~5.5(酵母最適范圍)，避免酸性過(guò)強(qiáng)抑制菌體生長(zhǎng)或堿性過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致氨揮發(fā)。

　　??動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)??：通過(guò)自動(dòng)流加酸(如H?SO?)或堿(如NaOH)維持pH穩(wěn)定，或利用代謝副產(chǎn)物(如CO?溶解產(chǎn)生碳酸)自然調(diào)節(jié)pH。例如，乙醇發(fā)酵中pH降至3.5以下會(huì)抑制PDC活性，需及時(shí)補(bǔ)堿。

　　3. ??溶氧控制??

　　??有氧階段??(菌體增殖期)：維持高溶氧(DO>20%飽和度)，促進(jìn)細(xì)胞呼吸與生物量積累；

　　??厭氧階段??(產(chǎn)物合成期)：降低溶氧(DO<5%飽和度)，誘導(dǎo)厭氧代謝途徑(如乙醇發(fā)酵)。

　　??動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)??：通過(guò)攪拌轉(zhuǎn)速(200~800rpm)與通氣量(0.5~2.0vvm)協(xié)同控制DO，避免泡沫過(guò)多(添加消泡劑如硅油)或溶氧不足(導(dǎo)致代謝轉(zhuǎn)向副產(chǎn)物合成)。