高密度發(fā)酵研究進(jìn)展

 高細(xì)胞密度發(fā)酵( high cell density fermentation，HCDF) 是應(yīng)用一定的培養(yǎng)技術(shù)和設(shè)備來提高菌體生物量與目標(biāo)產(chǎn)物比、獲得高外源蛋白產(chǎn)率的發(fā)酵術(shù)。其發(fā)展至今僅20 年左右歷史，zui簡單的應(yīng)用例子是生產(chǎn)面包酵母，利用烷烴或有機(jī)廢水生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白也是該技術(shù)的雛形應(yīng)用實(shí)例。隨著許多重要工業(yè)微生物的遺傳背景和特性被逐漸認(rèn)識，高細(xì)胞密度發(fā)酵技術(shù)也在該基礎(chǔ)上拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。引自黃莉娟《高細(xì)胞密度發(fā)酵技術(shù)的研究進(jìn)展》
高細(xì)胞密度概念
      高細(xì)胞密度是一個相對概念，一般認(rèn)為上限值為150 ～ 200 g /L，下限值為20 ～ 30 g /L，但是對于一些微生物或自養(yǎng)微生物，細(xì)胞濃度如果達(dá)到1 g /L 也可算 高細(xì)胞密度。廣義來講，凡是細(xì)胞密度比較高，以至接近其理論值均可稱為高細(xì)胞密度。
 
高細(xì)胞密度發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)
       利用高細(xì)胞密度發(fā)酵技術(shù)可以提高單位體積培養(yǎng)液中菌體的濃度，進(jìn)而提高體積產(chǎn)率; 相應(yīng)的縮小反應(yīng)器體積，縮短生產(chǎn)周期，減少設(shè)備投資; 強(qiáng)化后續(xù)分離提取，并在一定程度上減少廢水量; 降低生產(chǎn)成本， 提高綜合生產(chǎn)效率。

高細(xì)胞密度發(fā)酵的應(yīng)用領(lǐng)域
1、在生物制品中的應(yīng)用
試驗(yàn)研究表明，高密度發(fā)酵技術(shù)在利用工程菌生產(chǎn)各種干擾素、生長因子、生物酶、肽類、多糖等活性成分過程中得到了廣泛應(yīng)用。
2、在食品工業(yè)中的應(yīng)用
高細(xì)胞密度發(fā)酵技術(shù)可用于活細(xì)胞( 即為所需產(chǎn)物) 的培養(yǎng)，如通過改善培養(yǎng)環(huán)境和調(diào)控方式得到乳酸菌的高密度發(fā)酵，應(yīng)用于乳制品行業(yè)。另外，高細(xì)胞密度發(fā)酵還可用于酵母菌生產(chǎn)酒精和利用螺旋藻細(xì)胞生產(chǎn)螺旋藻等。
 

高細(xì)胞密度發(fā)酵技術(shù)建立策略
影響高細(xì)胞密度發(fā)酵的因素非常多，如接種量、營養(yǎng)物質(zhì)、抑制性物質(zhì)的積累、溶解氧濃度、培養(yǎng)溫度、pH 值、補(bǔ)料方式及發(fā)酵液流變學(xué)特性等。要建立高細(xì)胞密度發(fā)酵技術(shù)，需在傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的基礎(chǔ)上對培養(yǎng)環(huán)境、培養(yǎng)方式、誘導(dǎo)策略及生物反應(yīng)器等進(jìn)行優(yōu)化選擇。
 
1、培養(yǎng)環(huán)境及其優(yōu)化
1培養(yǎng)基組成
2培養(yǎng)條件
3有害代謝產(chǎn)物的調(diào)控
 
2、培養(yǎng)方式的選擇
實(shí)現(xiàn)高細(xì)胞密度發(fā)酵的方法主要有補(bǔ)料分批培養(yǎng)，在有生長抑制物存在時的滲析、透析及過濾 培養(yǎng)，細(xì)胞的固定化培養(yǎng)以及微孔膜截流的細(xì)胞循環(huán)培養(yǎng) 等，其中補(bǔ)料分批培養(yǎng)研究zui為完善且使用。
3、產(chǎn)物誘導(dǎo)策略
對于許多帶有誘導(dǎo)型啟動子重組生物體的高細(xì)胞密度發(fā)酵，只有將生長期和產(chǎn)物形成期分開才能獲得zui大生產(chǎn)率。若誘導(dǎo)物或產(chǎn)物對細(xì)胞有毒性危害，應(yīng)人為地將誘導(dǎo)期和生長期分開，即采用兩級連續(xù)培養(yǎng)模式。表達(dá)產(chǎn)物的誘導(dǎo)一般在菌體的對數(shù)生長期或?qū)?shù)生長中后期，即A600為0． 5 ～ 0． 7 時進(jìn)行。
4、培養(yǎng)過程的測控
高細(xì)胞密度發(fā)酵過程測控系統(tǒng)是發(fā)酵系統(tǒng)中重要的組成部分，通過測控系統(tǒng)可對發(fā)酵過程實(shí)施有效的檢測與控制，確保發(fā)酵生產(chǎn)過程正常運(yùn)行，以提高發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量。傳統(tǒng)測控方式為離線檢測，即根據(jù)發(fā)酵生產(chǎn)時間進(jìn)行取樣檢測，該方法不能實(shí)時監(jiān)控發(fā)酵過程，測控 效率低，甚至有可能影響發(fā)酵生產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，在 線監(jiān)控，即通過軟測量技術(shù)實(shí)時檢測、實(shí)時反饋，能更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，越來越多的應(yīng)用到發(fā)酵生產(chǎn)過程中。
5、生物反應(yīng)器的選擇
生物反應(yīng)器的選擇通常用于高細(xì)胞密度培養(yǎng)的生物反應(yīng)器類型包括普通攪拌發(fā)酵罐、帶有外置或內(nèi)置式細(xì)胞持留裝置的攪拌發(fā)酵罐、透析膜反應(yīng)器、氣旋式反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器和振動陶瓷瓶反應(yīng)器等。
6、誘導(dǎo)階段甲醇流加方法概述
       有些高密度培訓(xùn)不是為了獲得細(xì)胞，而是提高蛋白表達(dá)，如巴斯德畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)，其作為一種真核表達(dá)系統(tǒng)，自20 世紀(jì)80 年代發(fā)展至今，已經(jīng)顯現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。且在載體構(gòu)建和新型菌株的開發(fā)方面，已 經(jīng)取得卓有成效的研究成果，試驗(yàn)結(jié)果表明，在畢赤酵母誘導(dǎo)表達(dá)階段，甲醇濃度的控制是至關(guān)重要。目前常采用以下3 種方式來調(diào)控甲醇的流加：（1）根據(jù)溶氧控制甲醇流加。（2）通過氣相色譜控制甲醇流加。 （3）甲醇甘油混合流加。
引自：閔兆升等：《巴斯德畢赤酵母（P.pastoris）高密度發(fā)酵研究進(jìn)展》
 
 

總結(jié)
高密度發(fā)酵技術(shù)相比普通發(fā)酵技術(shù)具有*的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于各種微生物產(chǎn)品的表達(dá)能極大降低生產(chǎn)成本， 提高生產(chǎn)效率，但因技術(shù)條件的不成熟和設(shè)備投資的不足使 得其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受到限制。著重于研究解決高密度發(fā)酵實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的問題，并且將高細(xì)胞密度發(fā)酵技術(shù)從工程菌的培養(yǎng)推廣至非工程菌的培養(yǎng)比如培養(yǎng)醋酸菌產(chǎn)醋酸等，這將是今后的研究重點(diǎn)。