表7-3-1不同pH值控制条件下Ycdn、YM及MTG的生产强度 参数 控制pH的方法 细胞干重/g1185251226 22.2 MIG酶活/mL11.852.902.7 2.69 细胞产率/gg 0.641.040.90 MIG产率g790134123.3 生产强度/Lh34.360.4 56.0 根据pm=1=11imA,求得MG比合成速率(pN)与时间的关系曲线,如 图7-3-5所示,最大MIG比合成速率如图7-3-6所示。 50 30 20 图7-3-5不同pH值下MIG比合成速率图7-3-6pH对MIG最大比合成速率的影响 pH:1-60,2-65,3-7.0;4—不控制 从图7-3-5及7-3-6中可以看出:(1)不同pH值条件下,MIG比合成速率达到最大值 的时间不同,所达到的最大值也不同。当发酵过程中pH值分别控制为60,6.5,70及不 控制p时,MIG比合成速率达到最大值的时间分别为:18.2h,164h,l0.5h和104h 最大MIG比合成速率分别为:10.8u(gh),225u(gh),31.6u(gh)和212u(gh):(3)MIG 比合成速率达到最大值后下降的速率不同。pH70时所达到的最大值最大,但其下降速率 也最快;pH6.5时,尽管MrG比合成速率的最大值相对于pH7.0的值为小,但其下降趋 势较慢。由此可见,在MIG发酵前13h,宜采用相对较高的培养pH值(如pH70),提高 MIG比合成速率;而在发酵13h后,宜采用相对较低的pH值(如6.5),使MIG比合成速 率继续维持在较高的值,提高MIG的发酵水平。 四、MIG发酵过程中pH值优化控制策略 在MIG发酵过程中的不同阶段,细胞生长和产酶过程所需的最适pH值不同,只有 分别控制细胞生长和MrG合成阶段的最佳pH值,才能实现MTG发酵过程的优化。由以 上分析可知,前期控制适当较高pH值(如7.0)不仅可缩短细胞生长的延滞期,对酶的合成 也有利。在发酵中后期,可适当降低pH值以进一步促进细胞的生长,并维持较高的MIG 比合成速率。 从图7-3-3及图7-35可以得出MIG分批发酵过程pH值控制策略为:0~13h,控制 pH为7.0,13h后,将p值缓慢调至6.5继续进行发酵直至结束。采用此pH值优化控制 策略在2.5L小罐上进行MIG发酵,其发酵过程曲线如图7-3-7所示,有关发酵参数见表
16 表 7-3-1 不同 pH 值控制条件下 Ycell、YMTG 及 MTG 的生产强度 参数 控制 pH 的方法 6.0 6.5 7.0 不控制 pH 细胞干重/gL -1 18.5 25.1 22.6 22.2 MTG 酶活/umL-1 1.85 2.90 2.75 2.69 细胞产率/gg -1 0.64 1.04 0.90 0.84 MTG 产率/ug -1 79.0 133.4 123.3 114.8 生产强度/uL -1 h -1 34.3 60.4 57.3 56.0 根据 t p dt x dp x t MTG = = → lim 0 1 1 ，求得 MTG 比合成速率(MTG)与时间的关系曲线，如 图 7-3-5 所示，最大 MTG 比合成速率如图 7-3-6 所示。 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 t/h 4 2 1 3 MTG/u.g-1 h-1 0 10 20 30 40 4 5 6 7 8 9 10 pH maxMTG/u g-1 h-1 图 7-3-5 不同 pH 值下 MTG 比合成速率 图 7-3-6 pH 对 MTG 最大比合成速率的影响 pH: 1─6.0; 2─6.5; 3─7.0; 4─不控制 从图 7-3-5 及 7-3-6 中可以看出：(1)不同 pH 值条件下，MTG 比合成速率达到最大值 的时间不同，所达到的最大值也不同。当发酵过程中 pH 值分别控制为 6.0，6.5，7.0 及不 控制 pH 时，MTG 比合成速率达到最大值的时间分别为：18.2 h，16.4 h，10.5 h 和 10.4 h； 最大 MTG 比合成速率分别为：10 .8 u/(gh)，22.5 u/(gh)，31.6 u/(gh)和 21.2 u/(gh)；(3) MTG 比合成速率达到最大值后下降的速率不同。pH7.0 时所达到的最大值最大，但其下降速率 也最快；pH6.5 时，尽管 MTG 比合成速率的最大值相对于 pH7.0 的值为小，但其下降趋 势较慢。由此可见，在 MTG 发酵前 13 h，宜采用相对较高的培养 pH 值(如 pH7.0)，提高 MTG 比合成速率；而在发酵 13 h 后，宜采用相对较低的 pH 值(如 6.5)，使 MTG 比合成速 率继续维持在较高的值，提高 MTG 的发酵水平。 四、MTG 发酵过程中 pH 值优化控制策略 在 MTG 发酵过程中的不同阶段，细胞生长和产酶过程所需的最适 pH 值不同，只有 分别控制细胞生长和 MTG 合成阶段的最佳 pH 值，才能实现 MTG 发酵过程的优化。由以 上分析可知，前期控制适当较高 pH 值(如 7.0)不仅可缩短细胞生长的延滞期，对酶的合成 也有利。在发酵中后期，可适当降低 pH 值以进一步促进细胞的生长，并维持较高的 MTG 比合成速率。 从图 7-3-3 及图 7-3-5 可以得出 MTG 分批发酵过程 pH 值控制策略为：013 h，控制 pH 为 7.0，13 h 后，将 pH 值缓慢调至 6.5 继续进行发酵直至结束。采用此 pH 值优化控制 策略在 2.5 L 小罐上进行 MTG 发酵，其发酵过程曲线如图 7-3-7 所示，有关发酵参数见表
7-3-2所示。 H7.0 pH6.5 图7-3-7利用pH控制策略进行发酵的过程曲线 ◆细胞干重:■MTG酶活:▲淀粉 从表7-3-2中可以看出,采用此控制策略进行发酵细胞量、MTG酶活、细胞产率、 MIG产率以及生产强度分别比pH6.5的值提高了%、16%、6%、8%和32%,表明所提 出的分阶段pH控制策略有效 表7-3-2采用pH值控制策略进行发酵后的各种发酵指标分析 参数 控制p的方法 7.0 6.5 pH控制策略 增幅 MIG酶活/umL12.75290 3.40 细胞产率/gg10.90104 1.10 6% MTG产率/g 123.3133.4 143.6 生产强度/Lh157.861.4 814 32% 五、不同温度下的MIG分批发酵过程 由于温度对细胞生长和酶合成过程具有很重要的影响,而且细胞生长和产酶所需的最 适温度各不相同,因而,研究温度对MrG发酵过程的影响有利于确定细胞的最适生长温 度及最适产酶温度 图7-3-8为不同温度下S. mobargense发酵生产谷氨酰胺转胺酶的动力学曲线。从图 7-3-8可以发现,当温度控制相对较低时(25℃和28℃),前期细胞生长的延滞期较长;当 温度控制较高时(30℃,32℃和35℃时),细胞生长的延滞期较短,细胞生长进入平衡 期,酶活继续增加6h左右才停止,达到最大酶活的时间也比温度较低时缩短
17 7-3-2 所示。 pH7.0 0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 50 60 0 1.0 2.0 3.0 4.0 t/h (DCW)/gL-1 (RSC)/g L-1 MTG Act./u mL-1 pH6.5 图 7-3-7 利用 pH 控制策略进行发酵的过程曲线 ◆ 细胞干重；■ MTG 酶活；▲ 淀粉 从表 7-3-2 中可以看出，采用此控制策略进行发酵细胞量、MTG 酶活、细胞产率、 MTG 产率以及生产强度分别比 pH 6.5 的值提高了 9%、16%、6%、8%和 32%，表明所提 出的分阶段 pH 控制策略有效。 表 7-3-2 采用 pH 值控制策略进行发酵后的各种发酵指标分析 参数 控制 pH 的方法 7.0 6.5 pH 控制策略 增幅 细胞干重/gL -1 22.6 25.1 27.3 9% MTG 酶活/umL-1 2.75 2.90 3.40 16% 细胞产率/gg -1 0.90 1.04 1.10 6% MTG 产率/ug -1 123.3 133.4 143.6 8% 生产强度/uL -1 h -1 57.8 61.4 81.4 32% 五、不同温度下的 MTG 分批发酵过程 由于温度对细胞生长和酶合成过程具有很重要的影响，而且细胞生长和产酶所需的最 适温度各不相同，因而，研究温度对 MTG 发酵过程的影响有利于确定细胞的最适生长温 度及最适产酶温度。 图 7-3-8 为不同温度下 S. mobaraense 发酵生产谷氨酰胺转胺酶的动力学曲线。从图 7-3-8 可以发现，当温度控制相对较低时(25 ℃和 28 ℃)，前期细胞生长的延滞期较长；当 温度控制较高时(30 ℃，32 ℃和 35 ℃时)，细胞生长的延滞期较短，细胞生长进入平衡 期，酶活继续增加 6 h 左右才停止，达到最大酶活的时间也比温度较低时缩短
25 221 目e9020 050 25℃ 28℃ 15 15 a 610 010203040506070 010203040506070 30个富 3.0 解■ 20 15 30℃ 2211 0三彡915 32℃ 10 0 010203040506070 010203040506070 30 15 5 5 0 010203040506070 图73-8温度为25℃、28℃、30℃、32℃、35℃时MTG分批发酵过程曲线 ◆细胞干重:■MTG酶活:▲淀粉 表7-3-3总结了不同温度下细胞的生长和产酶情况。可以看出,(1)随着发酵控制温度 的提高,达到最大菌体浓度和最高酶活的时间都大大缩短了;(2)当发酵控制温度较低时 随着温度的升高,细胞干重和MTG酶活不断增加,30℃细胞干重和MIG酶活均达到最 大值,当温度继续升高时,两者反而都有所下降
18 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 MTG Act./u mL-1 (DCW)/g L-1 (RSC)/g L-1 t/h 25℃ (DCW)/g L-1 (RSC)/g L-1 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 MTG Act./u mL-1 28℃ t/h 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (DCW)/g L-1 (RSC)/g L-1 MTG Act./u mL-1 t/h 30℃ MTG Act./u mL-1 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (DCW)/g L-1 (RSC)/g L-1 32℃ t/h 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 MTG Act./u mL-1 (DCW)/g L-1 (RSC)/g L-1 t/h 35℃ 图 7-3-8 温度为 25 ℃、28 ℃、30 ℃、32 ℃、35 ℃时 MTG 分批发酵过程曲线 ◆ 细胞干重；■ MTG 酶活；▲ 淀粉 表 7-3-3 总结了不同温度下细胞的生长和产酶情况。可以看出，(1)随着发酵控制温度 的提高，达到最大菌体浓度和最高酶活的时间都大大缩短了；(2)当发酵控制温度较低时， 随着温度的升高，细胞干重和 MTG 酶活不断增加，30℃细胞干重和 MTG 酶活均达到最 大值，当温度继续升高时，两者反而都有所下降
表7-3-3单一温度及分阶段控制温度对MTG发酵过程的影响 温度细胞干重MIG酶活达到最大细胞干重的时间达到最大MIG酶活的时 ℃ 17.5 1.98 21.0 2.43 25.6 2.94 32 24.6 2.56 42 2.18 36 六、温度对细胞生长及产酶的影响 (一)细胞生长延滞期与温度之间的关系 如图7-3-9所示。细胞生长延滞期随着温度的升高而降低,当温度低于30℃时,延滞 时间随着温度升高其降低速率较快,而当温度髙于30℃时,其下降速率逐渐缓慢,因此, 较高的发酵温度有利于缩短发酵延滞期,减少发酵总时间。 ∈ T℃ 图7-3-9生长延滞期与温度之间的关系 (二)温度对细胞比生长速率及其产率系数的影响 从图7-3-10中可以看出,(1)不同温度下μ随着时间变化趋势相似。(2)当温度相对较高 时(35℃和32℃)时,前期细胞以较高的μ生长,6h左右μ迅速达到最大值,然后μ迅速降低, 30h左右降为零。(3)温度较低时,μ达到最大值的时间延迟,其增大和降低的速率均较慢 (4)24h后,28℃时的μ高于其它温度下的值 图7-3-11为不同温度下的细胞产率系数(Yc)的变化曲线。从图7-3-11可以看出,随 着温度的升高,Ycn不断增大,当温度增大到32℃后Ycsu下降。由此可见,在MG发酵 前期,宜釆用较高的培养温度(如32℃,这样不仅可以缩短细胞生长的延滞期,减少发酵 总时间,还可以获得高的细胞产率系数,提高糖的利用率
19 表 7-3-3 单一温度及分阶段控制温度对 MTG 发酵过程的影响 温度 /℃ 细胞干重 /gL -1 MTG 酶活 /umL-1 达到最大细胞干重的时间 /h 达到最大 MTG 酶活的时 间 /h 25 17.5 1.98 60 60 28 21.0 2.43 48 54 30 25.6 2.94 42 48 32 24.6 2.56 36 42 35 21 2.18 30 36 六、温度对细胞生长及产酶的影响 (一)细胞生长延滞期与温度之间的关系 如图 7-3-9 所示。细胞生长延滞期随着温度的升高而降低，当温度低于 30℃时，延滞 时间随着温度升高其降低速率较快，而当温度高于 30℃时，其下降速率逐渐缓慢，因此， 较高的发酵温度有利于缩短发酵延滞期，减少发酵总时间。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 T℃ λ/h 图 7-3-9 生长延滞期与温度之间的关系 (二)温度对细胞比生长速率及其产率系数的影响 从图 7-3-10 中可以看出，(1)不同温度下随着时间变化趋势相似。(2)当温度相对较高 时(35℃和 32℃)时，前期细胞以较高的生长，6 h 左右迅速达到最大值，然后迅速降低， 30 h 左右降为零。(3)温度较低时，达到最大值的时间延迟，其增大和降低的速率均较慢。 (4)24 h 后，28℃时的高于其它温度下的值。 图 7-3-11 为不同温度下的细胞产率系数(Ycell)的变化曲线。从图 7-3-11 可以看出，随 着温度的升高，Ycell 不断增大，当温度增大到 32℃后 Ycell 下降。由此可见，在 MTG 发酵 前期，宜采用较高的培养温度(如 32℃)，这样不仅可以缩短细胞生长的延滞期，减少发酵 总时间，还可以获得高的细胞产率系数，提高糖的利用率
1.5 0102030405060 图7-3-10不同温度下比生长速率的变化图7-3-11温度对细胞产率系数的影响 35℃:2-32℃:3-30℃:4-28℃:5-25℃ (三)温度对MIG产率系数及其比合成速率的影响 图7-3-12为不同温度下MIG产率系数(YMG)的变化。当温度从25℃升高到32℃时 YMrG不断升高至最大值,然后YMr缓慢下降。当温度从25℃增加到32℃时,YMG从 82.5υg增高到145.8ug,增加了80%,表明适当提高温度有利于产酶。 图7-3-12不同温度下MIG产率图7-3-13不同温度下MTG比合成速率的变化 1—35℃:2-32℃:3-30℃:4-28℃:5-25℃ 不同温度下MIG比合成速率(pMc)如图7-3-13所示,从图中可以看出:(1)不同温度 下pMrG与时间的变化关系都呈现钟形:(2)在12h左右,MrG比合成速率均迅速增加,32℃ 时增加速率最大;(3)不同温度下,pM达到最大值时的发酵时间不同;(4)32℃时,pM 所达到的最大值最大,但其下降趋势也最快,温度为28℃时,尽管pMG的最大值相对较 小,但其下降趋势较慢,发酵18h,28℃C时的Mr高于32℃C的值,20h后,28℃时的 pMG高于其它温度下的pMG。 由此可见,在MIG发酵前期,宜用相对较高的培养温度(如32℃,使pMmG的值较 高,在发酵中后期宜采用较低的温度(如28℃),这样可以使ρMvG继续保持相对较高的值, 提高MIG发酵水平,获得较高的生产强度 七、MIG分批发酵过程分阶段温度控制策略 (一)MrG分批发酵过程分阶段温度控制策略的确定 从上述单一温度控制的分批发酵过程可以看出,前期适当高温,不仅可缩短细胞生长 的延滞期,也有利于酶的合成。在发酵中后期,可适当降低温度以进一步促进菌体的生长
20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 10 20 30 40 50 60 t/h cell/h -1 1 2 3 4 5 0.5 1.0 1.5 20 25 30 35 40 T/℃ Ycell/g g- 1 图 7-3-10 不同温度下比生长速率的变化 图 7-3-11 温度对细胞产率系数的影响 1─35℃；2─32℃；3─30℃；4─28℃；5─25℃ (三)温度对 MTG 产率系数及其比合成速率的影响 图 7-3-12 为不同温度下 MTG 产率系数(YMTG)的变化。当温度从 25 ℃升高到 32 ℃时， YMTG 不断升高至最大值，然后 YMTG 缓慢下降。当温度从 25 ℃增加到 32 ℃时，YMTG从 82.5 u/g 增高到 145.8 u/g，增加了 80%，表明适当提高温度有利于产酶。 50 100 150 20 25 30 35 40 T/℃ YMTG/u g-1 图 7-3-12 不同温度下 MTG 产率 图 7-3-13 不同温度下 MTG 比合成速率的变化 1─35℃；2─32℃；3─30℃；4─28℃；5─25℃ 不同温度下 MTG 比合成速率(MTG)如图 7-3-13 所示，从图中可以看出：(1)不同温度 下MTG 与时间的变化关系都呈现钟形；(2)在 12 h 左右，MTG 比合成速率均迅速增加，32℃ 时增加速率最大；(3)不同温度下，MTG 达到最大值时的发酵时间不同；(4)32 ℃时，MTG 所达到的最大值最大，但其下降趋势也最快，温度为 28 ℃时，尽管MTG 的最大值相对较 小，但其下降趋势较慢，发酵 18 h，28 ℃时的MTG 高于 32 ℃的值，20 h 后，28 ℃时的 MTG 高于其它温度下的MTG。 由此可见，在 MTG 发酵前期，宜采用相对较高的培养温度(如 32 ℃)，使MTG 的值较 高，在发酵中后期宜采用较低的温度(如 28 ℃)，这样可以使MTG 继续保持相对较高的值， 提高 MTG 发酵水平，获得较高的生产强度。 七、MTG 分批发酵过程分阶段温度控制策略 (一)MTG 分批发酵过程分阶段温度控制策略的确定 从上述单一温度控制的分批发酵过程可以看出，前期适当高温，不仅可缩短细胞生长 的延滞期，也有利于酶的合成。在发酵中后期，可适当降低温度以进一步促进菌体的生长