L—精氨酸發(fā)酵條件中溶氧、PH控制的優(yōu)化

馬騰+何連順+米造吉+李斌水+馬靜+張仲良

摘 要：精氨酸作為人體的扮必需氨基酸，其功能性作用及藥理作用逐漸被人們所重視，發(fā)酵法以其成本低、生產(chǎn)清潔等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前精氨酸的主流生產(chǎn)方法。本文主要通過研究發(fā)酵過程中的OD、PH、補(bǔ)料、溶氧等過程的控制，實(shí)現(xiàn)精氨酸發(fā)酵水平的提高，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在PH=7的條件下，一次補(bǔ)料，高溶氧有利于發(fā)酵的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：L-精氨酸；發(fā)酵；過程控制；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TQ922 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）09-0200-02

1 精氨酸簡(jiǎn)述

精氨酸是一種α氨基酸，具有調(diào)節(jié)血糖、保護(hù)肝臟、增強(qiáng)人體免疫力、延緩衰老、促進(jìn)功能抗疲勞、促進(jìn)傷口愈合的獨(dú)特生理功能。精氨酸的制備方法有發(fā)酵法、化學(xué)合成法和蛋白質(zhì)（如明膠）水解物經(jīng)離子交換分離提取法，目前用發(fā)酵法較多，但不是高產(chǎn)酸率的品種。我國(guó)的發(fā)酵法生產(chǎn)水平更低，故當(dāng)前國(guó)內(nèi)精氨酸以動(dòng)物蛋白為原料生產(chǎn)更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國(guó)外如日本等發(fā)達(dá)國(guó)家基本都采用先進(jìn)的發(fā)酵法，而國(guó)內(nèi)的發(fā)酵方法尚處于研究階段，故此，國(guó)內(nèi)L-精氨酸的生產(chǎn)主要是抽提法。但是抽提法收到原料、環(huán)保等限制，具有明顯的生產(chǎn)局限性。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化思路

發(fā)酵工藝的優(yōu)化在發(fā)酵行業(yè)起到很大的作用，尤其是在發(fā)酵生產(chǎn)中，它是提高發(fā)酵指標(biāo)的一項(xiàng)非常有用的技術(shù)手段。發(fā)酵工藝優(yōu)化各因素之間不是孤立的，而是相互聯(lián)系的。為了提高發(fā)酵生產(chǎn)水平，人們首先考慮的是菌種的選育或基因工程的構(gòu)建。而實(shí)際上，發(fā)酵工藝的優(yōu)化，包括生物反應(yīng)器中的工程問題，也同樣非常重要。發(fā)酵環(huán)境條件的優(yōu)化是發(fā)酵過程中最基本的要求，也是最重要、最難掌握的技術(shù)指標(biāo)。溫度、pH值、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)速、氨離子、金屬離子、營(yíng)養(yǎng)物濃度等的優(yōu)化控制，依據(jù)不同的發(fā)酵而有所不同。同時(shí)，微生物在生長(zhǎng)的不同階段、生產(chǎn)目的代謝產(chǎn)物的不同時(shí)期，對(duì)環(huán)境條件可能會(huì)有不同的要求。因此，應(yīng)該在生物反應(yīng)器內(nèi)，使溫度、pH值、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)速等不斷變換，始終為其提供最佳的環(huán)境條件，本實(shí)驗(yàn)以溶氧和PH為主要內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 檢測(cè)方法

（1）儀器：722分光光度計(jì)，上海保興生物設(shè)備有限公司 07-F28發(fā)酵罐30L，BR16012發(fā)酵罐70L（2）試劑與溶液：1）混合試劑：8-羥基喹啉5g加雙乙酰水溶液2.5ml，用正丙醇定容至100ml；2）氫氧化鈉溶液：（3/7）mol/l；3）精氨酸標(biāo)品溶液：先配成1%的精氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，臨用時(shí)再稀釋100倍。（3）樣液的測(cè)定：取3根試管，分別吸取樣品、精氨酸標(biāo)品、和蒸餾水各0.5ml，分別加入3.5ml3/7N的氫氧化鈉溶液，最后分別加入混合試劑1ml搖勻后，在水浴鍋30℃水浴20分鐘。用722分光光度計(jì)在520nm處檢測(cè)吸光度。（4）數(shù)據(jù)處理與計(jì)算：精氨酸含量=-×稀釋倍數(shù)。

3 溶氧控制優(yōu)化過程與討論

3.1 第一次實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)論分析

3.1.1 過程控制方案

溶氧控制：發(fā)酵罐溶氧控制在15%～25%，當(dāng)溶氧低于15%后，開始調(diào)整轉(zhuǎn)速，每次10r。補(bǔ)料控制：采用流加方式補(bǔ)料，根據(jù)溶氧回升情況確定補(bǔ)料起始時(shí)間?？刂七^程中，在發(fā)酵周期26h左右，溶氧開始回升，溶氧超過35，開始補(bǔ)料。分20次補(bǔ)完。前十次每小時(shí)補(bǔ)料一次，每次100ml；后十次每?jī)尚r(shí)補(bǔ)料一次，每次100ml。補(bǔ)糖控制：發(fā)酵罐初始糖為8%，在培養(yǎng)過程通過測(cè)驗(yàn)樣來確定補(bǔ)糖時(shí)間與補(bǔ)糖量。中間控制殘?zhí)菫?.5-2.0%。計(jì)算補(bǔ)糖量時(shí)，以3%目標(biāo)含量為基準(zhǔn)。當(dāng)殘?zhí)沁^低時(shí)，一次性補(bǔ)糖至殘?zhí)?.0%。PH控制：接種前調(diào)節(jié)PH為7.00。培養(yǎng)過程中PH下降過，這時(shí)向罐內(nèi)通氨水控制PH7.00。發(fā)酵罐發(fā)酵過程中，PH根據(jù)OD生長(zhǎng)情況調(diào)整：

3.1.2 分析與總結(jié)

DO回升時(shí)間提前，前期補(bǔ)料后溶氧無變化，精氨酸積累高峰48～54h，還原糖濃度偏高時(shí)生長(zhǎng)情況好于還原糖濃度低時(shí)，泡沫難控制，消泡后溶氧下降幅度超過15%。

3.2 第二次實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)論分析

3.2.1 過程控制方案

在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)果，進(jìn)一步調(diào)整過程PH控制方案。

以下為兩批次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（二-三），見表2-3所示。

3.2.2 分析與總結(jié)

通過對(duì)上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，更改PH后對(duì)精氨酸菌種生長(zhǎng)影響不明顯，產(chǎn)酸有增快趨勢(shì)，殘?zhí)强刂撇环€(wěn)定，波動(dòng)范圍比較大，提高還原糖水平后無不良影響。

4 總結(jié)

4.1 工藝優(yōu)化結(jié)論

在PH全過程控制7時(shí)，適宜精氨酸發(fā)酵，高溶氧控制有利于發(fā)酵進(jìn)行，一次性補(bǔ)料方式相較于多次過程補(bǔ)料方式有利于發(fā)酵水平提高。

4.2 實(shí)驗(yàn)的不足之處和展望

本課題對(duì)不同控制條件下精氨酸發(fā)酵過程進(jìn)行研究，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析測(cè)定，用于精氨酸發(fā)酵放大生產(chǎn)的指導(dǎo)，但實(shí)驗(yàn)整體存在著很大的不足。由于時(shí)間倉促，實(shí)驗(yàn)組數(shù)太少，不能完整反應(yīng)各個(gè)條件下的發(fā)酵過程。未能對(duì)溫度等控制參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。未對(duì)菌種選育、放大進(jìn)行研究。沒能對(duì)不同發(fā)酵菌種的影響進(jìn)行分析驗(yàn)證。顯色法檢測(cè)精氨酸含量，存在一定的誤差，對(duì)結(jié)果分析可能造成偏差。

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