發(fā)酵補(bǔ)料
精細(xì)控制補(bǔ)料，是實現(xiàn)氨基酸高效發(fā)酵的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
在氨基酸發(fā)酵過程中，補(bǔ)料策略是連接優(yōu)良菌種和高效產(chǎn)出的橋梁，其核心在于通過動態(tài)營養(yǎng)供給，使菌體始終處于“最佳狀態(tài)”。
通過精細(xì)控制補(bǔ)料，能將尾碳濃度維持在適宜的低水平，有效避免分解代謝物阻遏，減少有害副產(chǎn)物生成，提高原料利用率和產(chǎn)品得率。
那么，氨基酸發(fā)酵過程中有哪些補(bǔ)料方式，不同的補(bǔ)料方式又需要注意哪些要點呢？
01 補(bǔ)料方式：兩種主流策略
選擇何種方式將營養(yǎng)物質(zhì)添加到發(fā)酵罐中，直接影響著發(fā)酵過程的穩(wěn)定性。當(dāng)前主流的補(bǔ)料方式主要有以下兩種：
1. 分批補(bǔ)料（脈沖補(bǔ)料）
這種方式是將需要補(bǔ)充的物料在特定時間點，分批、脈沖式地加入發(fā)酵罐。其優(yōu)點是操作相對簡單，但缺點也很明顯：補(bǔ)料后，發(fā)酵罐內(nèi)的底物濃度會突然升高，隨后隨著菌體的消耗逐漸降低，容易造成底物濃度的周期性波動。
這種波動可能對菌體的均一生長和穩(wěn)定代謝產(chǎn)生不利影響，尤其在對過程控制要求較高的發(fā)酵中，其局限性更加突出。
2. 連續(xù)補(bǔ)料
連續(xù)補(bǔ)料是指通過自動化控制系統(tǒng)，以相對恒定的速率持續(xù)向發(fā)酵罐內(nèi)流加新鮮培養(yǎng)基。這種方式最大的優(yōu)勢在于能夠?qū)l(fā)酵液中的關(guān)鍵營養(yǎng)物（如葡萄糖）濃度維持在一個狹窄且穩(wěn)定的理想范圍內(nèi)。
這為菌體營造了一個近乎恒定的生長環(huán)境，能有效避免底物抑制，顯著提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率。因此，連續(xù)補(bǔ)料已成為目前工業(yè)上高產(chǎn)量發(fā)酵的首選方式。
研究表明，在L-谷氨酸發(fā)酵中，采用連續(xù)補(bǔ)料方式相比分批補(bǔ)料，能顯著提高產(chǎn)量。
02 補(bǔ)料種類：五大關(guān)鍵物質(zhì)
在氨基酸發(fā)酵中，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物和菌種特性，需要補(bǔ)充的營養(yǎng)物質(zhì)各不相同。主要的補(bǔ)料種類包括：
1. 碳源補(bǔ)料
葡萄糖、蔗糖等糖類是菌體生長和產(chǎn)物合成最主要的能源和碳骨架來源。但初始碳源濃度過高可能抑制菌體生長或產(chǎn)生大量副產(chǎn)物。
因此，通過流加方式將糖濃度維持在較低水平是常見策略。例如在L-丙氨酸發(fā)酵中維持在6-8 g/L，而在色氨酸發(fā)酵中甚至需維持在更低的0.01-0.2 g/L。
2. 氮源補(bǔ)料
氮元素是合成氨基酸的必備元素。銨鹽、尿素、氨水等是常用的氮源。其中，氨水較為特殊，它既能作為氮源，又能中和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸，起到調(diào)節(jié)pH的雙重作用，因此在氨基酸發(fā)酵中應(yīng)用非常廣泛。
3. 微量元素補(bǔ)料
鐵（Fe）、錳（Mn）、鈷（Co）、鋅（Zn）等微量元素雖然是微量的，但它們是許多關(guān)鍵酶輔酶的組成部分，對菌體代謝至關(guān)重要。
在發(fā)酵中后期流加微量元素，可以避免初期高濃度抑制，并補(bǔ)充后期的消耗。有專利技術(shù)提及將微量元素配制成混合液并進(jìn)行補(bǔ)料，以避免初期高濃度抑制和后期營養(yǎng)不足。
4. 前體或誘導(dǎo)劑補(bǔ)料
在某些特定氨基酸的發(fā)酵中，添加特定的前體物質(zhì)或誘導(dǎo)劑，可以顯著促進(jìn)目標(biāo)氨基酸的合成或誘導(dǎo)關(guān)鍵代謝途徑的高效表達(dá)。例如，在L-纈氨酸的發(fā)酵工藝中，通過在發(fā)酵中期流加玉米漿等營養(yǎng)物質(zhì)，可以促進(jìn)纈氨酸的生物合成并減少副產(chǎn)物的生成。
5. 特殊生長因子補(bǔ)料
有些氨基酸發(fā)酵菌種是營養(yǎng)缺陷型，需要額外添加生長因子，如生物素、維生素等。例如，谷氨酸發(fā)酵菌種通常需要生物素作為生長因子，其用量會影響細(xì)胞膜的透性，進(jìn)而影響谷氨酸的分泌。
下表概括了這些主要補(bǔ)料種類及其功能：
| 碳源 | ||
| 氮源 | ||
| 微量元素/無機(jī)鹽 | ||
| 前體/誘導(dǎo)劑 | ||
| 生長因子 |
03 控制要點：實現(xiàn)精準(zhǔn)補(bǔ)料的三個關(guān)鍵
制定了補(bǔ)料策略后，精準(zhǔn)的執(zhí)行是成功的關(guān)鍵。以下幾點需要特別關(guān)注：
1. 把握補(bǔ)料時機(jī)
開始補(bǔ)料的時間點至關(guān)重要。對于生長耦聯(lián)型發(fā)酵（菌體生長與產(chǎn)物合成同步），通常在菌體進(jìn)入快速生長期、底物消耗到一定濃度時開始補(bǔ)料。
例如，在L-丙氨酸發(fā)酵中，當(dāng)初始糖濃度降至10 g/L左右時開始補(bǔ)糖。
對于非生長耦聯(lián)型發(fā)酵（產(chǎn)物合成在菌體生長基本停止后），則多在菌體生長基本結(jié)束、進(jìn)入產(chǎn)物合成期后開始集中補(bǔ)料。
例如，在色氨酸發(fā)酵中，當(dāng)比氧消耗速率從高峰下降至5.0 mmol/h/g時，通過補(bǔ)加復(fù)合氮料控制代謝方向。
2. 精準(zhǔn)控制速率與協(xié)同效應(yīng)
補(bǔ)料的核心是控制補(bǔ)加速率，使其與菌體的消耗速率相匹配，維持動態(tài)平衡。例如，在L-丙氨酸的發(fā)酵過程中，通過實時監(jiān)測糖濃度，動態(tài)調(diào)整補(bǔ)糖速率：當(dāng)糖含量≥8g/L時減少流加速率；當(dāng)糖含量≤6g/L時加大流加速率，以維持預(yù)設(shè)的濃度范圍。
此外，當(dāng)同時補(bǔ)加多種物料時，需要注意它們之間的配比協(xié)同，例如維持適宜的碳氮比（C/N） 對氨基酸的高效合成至關(guān)重要。在賴氨酸發(fā)酵中，可能需要同時流加葡萄糖液（碳源）、液氨和硫酸銨溶液（氮源），這就需要根據(jù)各自的消耗情況控制流速，維持適宜的碳氮比，以利于賴氨酸的合成。
3. 與其他參數(shù)聯(lián)動控制
補(bǔ)料控制還需與pH、溶解氧等參數(shù)協(xié)同控制。例如，在L-丙氨酸發(fā)酵中，補(bǔ)糖策略與pH調(diào)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)：糖濃度高時（≥8g/L）將pH控制在6.95-7.00之間；糖濃度低時（≤6g/L）將pH控制在6.80-6.85之間。這種動態(tài)調(diào)控確保了菌體代謝環(huán)境的穩(wěn)定。
同樣重要的是溶解氧的控制。補(bǔ)加碳源會增加耗氧，需相應(yīng)提高攪拌轉(zhuǎn)速或通氣量以維持充足溶氧，防止因缺氧而轉(zhuǎn)產(chǎn)副產(chǎn)物。在色氨酸發(fā)酵中，采用攪拌聯(lián)動，控制溶氧不低于20%。
4. 確保無菌操作
補(bǔ)料操作是發(fā)酵過程中一個重要的染菌風(fēng)險點。無論是間歇補(bǔ)料還是連續(xù)補(bǔ)料，都必須確保補(bǔ)料管路和物料經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌處理，防止雜菌或噬菌體侵入發(fā)酵系統(tǒng)，導(dǎo)致整批發(fā)酵的失敗。
04 實踐案例：L-丙氨酸的補(bǔ)料控制
一項專利技術(shù)展示了如何將上述原則整合應(yīng)用到L-丙氨酸發(fā)酵中：
? 微量元素混合液補(bǔ)加：在接種前便開始以恒定速率（110-170 mL/min）流加，確保了整個發(fā)酵周期內(nèi)微量元素的穩(wěn)定供應(yīng)。 ? 葡萄糖的流加：與在線糖度監(jiān)測聯(lián)動，當(dāng)殘?zhí)墙抵?0 g/L時啟動流加，并通過動態(tài)調(diào)節(jié)速率將糖濃度精確維持在6-8 g/L的狹窄范圍內(nèi)。 ? pH的協(xié)同控制：通過氨水流加控制，且pH設(shè)定值與糖濃度關(guān)聯(lián)（糖濃度高時pH略高，糖濃度低時pH略低），實現(xiàn)了碳源補(bǔ)充與pH調(diào)節(jié)的協(xié)同控制。 ? 誘導(dǎo)時機(jī)的把握：在發(fā)酵后期（OD值達(dá)到30時），通過降低pH至6.5左右來誘導(dǎo)L-丙氨酸合成酶系的高效表達(dá)。
這一系列精細(xì)控制最終使得L-丙氨酸的產(chǎn)量達(dá)到152 g/L，葡萄糖轉(zhuǎn)化率在95.5%以上，體現(xiàn)了精細(xì)補(bǔ)料控制的強(qiáng)大效果。
結(jié)語
氨基酸發(fā)酵的補(bǔ)料控制是一門在動態(tài)中尋求平衡的藝術(shù)。其核心原則可總結(jié)為：“看菌投料，動態(tài)平衡”。
