微生物發(fā)酵是指在適宜的條件下逐級培養微生物，利用微生物的初級或次級代謝，經(jīng)過(guò)微生物固有的或者人為改造的代謝途徑，將廉價(jià)易得的原材料轉化為所需要的目標產(chǎn)物的過(guò)程。
個(gè)人理解的微生物發(fā)酵工藝包括三部分，菌種的選育與活化、種子放大及發(fā)酵的控制參數、發(fā)酵液中目標產(chǎn)物的分離純化工藝。
第一部分是優(yōu)良菌株的選育，一般包括底盤(pán)菌株的篩選；基因工程路線(xiàn)設計與菌株改造；新菌株的馴化與篩選，這很多是前期研發(fā)的工作。還包括對選定菌株好氧情況、營(yíng)養需求與代謝途徑的深入研究，最終落實(shí)到搖瓶條件摸索，如起始碳源、氮源，與初步培養基組成，并確定初步發(fā)酵條件。
第二部分是種子放大及發(fā)酵控制參數研究，摸索出最適種子培養和發(fā)酵生產(chǎn)工藝，利用密集細胞生產(chǎn)出高濃度高含量的代謝產(chǎn)物。一般包括種子級數與放大倍數的選擇，種子及發(fā)酵周期的確定，種子及發(fā)酵培養基組成，種子及發(fā)酵的接種量、培養溫度、pH、溶氧與攪拌等參數與發(fā)酵補料控制；此部分開(kāi)始于實(shí)驗室規模的發(fā)酵罐實(shí)驗，經(jīng)逐級非線(xiàn)性放大，摸索經(jīng)驗后反復調整，落腳于生產(chǎn)規模得出最大產(chǎn)量、轉化率與生產(chǎn)強度的放大工藝。還包括在此過(guò)程中的雜質(zhì)對比、發(fā)酵液狀態(tài)對比，補料與產(chǎn)出的經(jīng)濟性對比等。由于微生物細胞內生化反應及細胞間自身相互反饋調節的復雜性，在小試放大過(guò)程中會(huì )出現許多問(wèn)題，解決這些問(wèn)題是微生物發(fā)酵工藝開(kāi)發(fā)的核心關(guān)鍵所在。
第三部分是發(fā)酵液中目標產(chǎn)物的分離純化工藝，一般包括制定分離路線(xiàn)與各模塊參數，最終得到高質(zhì)高量的目標產(chǎn)品。還包括物料平衡的估算、熱力學(xué)估算、目標產(chǎn)物穩定性等。
對于菌株，不同的底盤(pán)最終落實(shí)到工藝上差距非常大，故此在改良前篩選底盤(pán)菌株很重要；另外不同的改良策略對應不同的菌株穩定性、耐受性。一般地，外源質(zhì)粒直接導入后對于菌種的穩定傳代要求較高，發(fā)酵放大時(shí)每一步也需要考慮比生長(cháng)速率，具體地需盡可能地控制OD，生長(cháng)過(guò)慢不利于發(fā)酵，而生長(cháng)過(guò)快質(zhì)粒容易丟失；自身染色體改造，適當敲除一些基因，改變目標產(chǎn)物前體、目標產(chǎn)物的代謝流，菌種的穩定性較好，但同時(shí)會(huì )可能出現代謝流紊亂與難于控制。穩定性提升可能會(huì )降低轉化率指標，合適的發(fā)酵工藝可以縮小降低量。
對于摸索發(fā)酵最適條件，包括最適菌體生長(cháng)溫度與最適生產(chǎn)溫度，摸索最適生長(cháng)pH與最適生產(chǎn)pH，最適生長(cháng)好氧與最適生產(chǎn)好氧控制，不同的菌種不同，同一底盤(pán)經(jīng)不同的改造策略得到的菌種也不同。如一般大腸桿菌的誘導生產(chǎn)溫度可比最適生長(cháng)溫度低6℃，這樣穩定了質(zhì)粒傳代也提升了組酶的整體效率并延長(cháng)了產(chǎn)物周期，另發(fā)酵后期相比于中期可略升高2℃，以提升生產(chǎn)強度；最適生產(chǎn)pH需結合組酶的活性及目標產(chǎn)物積累后對于pH影響，如氨基酸發(fā)酵的種子生長(cháng)pH控制近中性而產(chǎn)物發(fā)酵階段略低，而萜類(lèi)恰恰相反；最適生長(cháng)好氧狀態(tài)，不能局限于代謝理論，簡(jiǎn)單地認為需養就加大氧供給，需實(shí)際摸索，有時(shí)與理論恰恰相反，這關(guān)乎菌體生產(chǎn)、底物轉化率、生產(chǎn)強度與雜質(zhì)生成。有些發(fā)酵工藝是固定通風(fēng)，根據溶氧反饋聯(lián)動(dòng)轉速控制；有些發(fā)酵工藝是根據菌絲形態(tài)增加或者降低攪拌而相應地減少或者增加通風(fēng)，溶氧僅為參照。
對于發(fā)酵液分離純化，遵循先提取后純化的整體思路，固液分離、雜質(zhì)分離與產(chǎn)品濃縮。離心壓榨過(guò)濾或者膜過(guò)濾，兩相萃取或者樹(shù)脂柱層析，超濾納濾及沉淀結晶、冷凍干燥等不同模塊的不同組合?，F在微生物下游的效率及產(chǎn)品質(zhì)量也是評價(jià)整個(gè)工藝開(kāi)發(fā)的一個(gè)首要指標，如在雜質(zhì)方面，要求在菌株設計階段就需要考慮類(lèi)似物質(zhì)的含量，選擇類(lèi)似產(chǎn)物積累較少的菌株；要求在發(fā)酵工藝放大時(shí)，需要考慮有否能減少類(lèi)似產(chǎn)物積累的工藝條件，并盡可能避免增加雷士產(chǎn)物積累的環(huán)境，或者平衡各參數使某項或者總體某類(lèi)雜質(zhì)減少。
微生物發(fā)酵工藝小試放大，以發(fā)酵放大為承前啟后的關(guān)鍵，以解決各級放大問(wèn)題為工藝完善提升的首要抓手，可以多做些前瞻后延的嘗試。如培養基優(yōu)化時(shí)，雖然提倡種子培養基與發(fā)酵培養基接近，以使微生物快速適應新環(huán)境，但是這樣的種子培養基不一定是最佳；原理上消耗TPP較多的路線(xiàn)在發(fā)酵不同階段不一定都是高溶氧好，更不一定是高轉速好；樣品處理時(shí)摸索酸堿及溫度對產(chǎn)品的影響，同一樣品開(kāi)發(fā)氣相、液相雙方法及多方法對比；關(guān)注后期發(fā)酵液狀態(tài)、產(chǎn)物峰譜圖，指導發(fā)酵下游技術(shù)等等。
實(shí)際上微生物發(fā)酵工藝小試放大的三部分也不是物理分割的，發(fā)酵放大時(shí)可根據轉化及生產(chǎn)強度情況，根據產(chǎn)物雜質(zhì)情況，對菌株提出進(jìn)一步改良的可能與必要；發(fā)酵放大時(shí)可分析不同工藝、周期的發(fā)酵液狀態(tài)，選擇合適的控制方法，甚至可為后續的分離純化簡(jiǎn)化路線(xiàn)提供可能。
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