2022年微生物发酵培养基的优化方法.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 工业发酵进展微生物发酵培育基的优化名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 4 页精选学习资料 - - - - - - - - - 微生物发酵培育基的优化方法对于微生物的生长及发酵,其培育基成份特别复杂,特殊是有关微生物发酵的培 养基,各养分物质和生长因子之间的配比,以及它们之间的相互作用是特别微妙的；面对特定的微生物,人们期望找到一种最适合其生长及发酵的培育基,在原先的基础 上提高发酵产物的产量,以期到达生产最大发酵产物的目的；发酵培育基的优化在微 生物产业化生产中举足轻重,是从试验室到工业生产的必要环节；能否设计出一个好 的发

2、酵培育基,是一个发酵产品工业化胜利中特别重要的一步；以工业微生物为例,选育或构建一株优良菌株仅仅是一个开头,要使优良菌株的潜力充分发挥出来,仍必 须优化其发酵过程,以获得较高的产物浓度便于下游处理,较高的底物转化率降 低原料成本和较高的生产强度缩短发酵周期；设计发酵培育基时仍应时刻把工 业应用的目的留在脑海里；一 .发酵培育基的成分 现代别离的微生物绝大部分是异养型微生物,它需要碳水化合物、蛋白质和前体 等物质供应能量和构成特定产物的需要；其养分物质一般包括碳源、氮源有机氮源、无机氮源、无机盐及微量元素、生长因子、前体、产物促进和抑制剂等；另外,在 设计培育基时仍必需把经济问题和原材料的供应问

3、题等因素一起考虑在内；此外,仍要考虑所挑选的菌种来源的地点环境,比方本试验室长期从事红树林微 生物的别离及其讨论工作,红树林的环境处于海洋与陆地之间,所以配制培育基所用 的水除了一般的去离子水外仍包括陈海水；假如在知道产物结构或者产物合成途径的情形下,我们可以有意识地加入构成产 物和合成途径中所需的特定结构物质；我们也可以结合某一菌株的特定代谢途径,加 入阻遏或者促进物质,使目的产物过量合成；例如青霉素的合成会受到赖氨酸的剧烈抑制,而赖氨酸合成的前体-氨基已二酸可以缓解赖氨酸的抑制作用,并能刺激赖氨酸的合成；这是由于 -氨基已二酸是合成青霉素和赖氨酸的共同前体；假如赖氨酸过量,它就会抑制这个反

4、应途径中的第一个酶,削减 影响青霉素的合成；二 .发酵培育基的设计和优化-氨基已二酸的产量,从而进一步由于发酵培育基成份众多,且各因素常存在交互作用,很难建立理论模型；另外,由于测量数据常包含较大的误差,也影响了培育基优化过程的精确评估,因此培育基 优化工作的量大且复杂；很多试验技术和方法都在发酵培育基优化上得到应用,如：生物模型、单次试验、全因子法、部分因子法、PlackettandBurman法等；但每一种实验设计都有它的优点和缺点,不行能只用一种试验设计来完成全部的工作；1.单次单因子法 试验室最常用的优化方法是单次单因子法,这种方法是在假设因素间不存在交互 作用的前提下,通过一次转变一

5、个因素的水平而其他因素保持恒定水平,然后逐个因 素进行考察的优化方法；但是由于考察的因素间常常存在交互作用,使得该方法并非 总能获得最正确的优化条件；另外,当考察的因素较多时,需要太多的试验次数和较 长的试验周期 3 ；所以现在的培育基优化试验中一般不采纳或不单独采纳这种方法,而采纳多因子试验；2.多因子试验名师归纳总结 多因子试验需要解决的两个问题: 第 2 页,共 4 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 1 哪些因子对响应具有最大或最小 的效应,哪些因子间具有交互作用；2 感爱好区域的因子组合情形,并对独立变量进行优化；3.正交试验设计 正交试验设

6、计是支配多因子的一种常用方法,通过合理的试验设计,可用少量的 具有代表性的试验来代替全面试验,较快地取得试验结果；正交试验的实质就是挑选 适当的正交表,合理支配试验的分析试验结果的一种试验方法；详细可以分为下面四 步： 1依据问题的要求和客观的条件确定因子和水平,列出因子水平表； 2依据因子和水平数选用合适的正交表,设计正交表头,并支配试验； 3依据正交表给出的试验方案,进行试验； 4对试验结果进行分析,选出较优的“ 试验 ” 条件以及对结果有显著影响的因子；正交试验设计留意如何科学合理地支配试验,可同时考虑几种因素,查找最正确 因素水平结合,但它不能在给出的整个区域上找到因素和响应值之间的一

7、个明确的函 数表达式即回来方程,从而无法找到整个区域上因素的最正确组合和响应面值的最优 值；正交方法可以用来分析因素之间的交叉效应,但需要提前考虑那些因素之间存在 交互作用,再依据考虑来设计试验；因此,没有预先考虑的两因素之间即使存在交互 作用,在结果中也得不到显示；对于多因素、多水平的科学试验来说,正交法需要进行的次数仍嫌太多,在实际 工作中常常无法支配,应用范畴受到限制；4.匀称试验设计 假如仅考虑“ 匀称分散 ” ,而不考虑 “整齐可比 ” ,完全从 “ 匀称分散 ”的角度动身的实 验设计,叫做匀称设计；匀称设计按匀称设计表来支配试验,匀称设计表在使用时最 值得留意的是匀称设计表中各列的

8、因素水平不能像正交表那样任意转变次序,而只能 依据原先的次序进行平滑,即把原先的最终一个水平与第一个水平连接起来,组成一 个封闭圈,然后从任一处开头定为第一个水平,按圈的原方向和相反方向依次排出第 二、第三水平；匀称设计只考虑试验点在试验范畴内匀称分布,因而可使所需试验次 数大大削减；例如一项因素 10 水平的试验,假设用正交设计需要做 102 次试验,而 用匀称设计只需做 10 次,随着水平数的增多,匀称设计的优越性就愈加突出；这就大 大削减了多因素多水平试验中的试验次数；5.Plackett-Burman 法 Plackett-Bunnan 设计法是一种两水平的试验优化方法,它试图用最少的

9、试验次数 到达使因子的主成效得到尽可能精确的估量,适用于从众多的考察因子中快速有效地 挑选出最为重要的几个因子,供进一步优化讨论用；理论上 Plackett-Bunnan 设计法可 以到达 99 个因子仅做 100 次试验,但该法不能考察各因子的相互交互作用；因此,它 通常作为过程优化的初步试验,用于确定影响过程的重要因子；很多文献都对此有报道； CastroPML报道用此法设计20 种培育基,做24 次试验,把gamma 干扰素的产量提高了45%；6.部分因子设计法部分因子设计法与P1ackett-Burman设计法一样是一种两水平的试验优化方法,能够用比全因子试验次数少得多的试验,从大量影

10、响因子中挑选出重要的因子；依据实 验数据拟合出一次多项式,并以此利用最陡爬坡法确定最大响应区域,以便利用响应名师归纳总结 面法进一步优化；部分因子设计法与Plaekett-Burman设计法相比试验次数稍多,如6第 3 页,共 4 页因子的26-2 部分因子设法需要进行20 次试验,而Plackett-Burman设计法只需要7 次- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 试验；7.响应面分析法 响应面分析responsesurfaceanalysis , RSM 方法是数学与统计学相结合的产物,和其他统计方法一样,由于采纳了合理的试验设计,能以最经济的方式,

11、用很少的实 验数量和时间对试验进行全面讨论,科学地供应局部与整体的关系,从而取得明确的、有目的的结论；它与 “正交设计法” 不同, 响应面分析方法以回来方法作为函数估算的工具,将多因子试验中,因子与试验结果的相互关系,用多项式近似,把因子与试验结 果响应值的关系函数化,依此可对函数的面进行分析,讨论因子与响应值之间,因子与因子之间的相互关系,并进行优化；近年来较多的报道都是用响应面分析法来 优化发酵培育基,并取得比较好的成果；RSM 有很多方面的优点,但它仍有肯定的局限性；第一,假如将因素水平选的太 宽,或选的关键因素不全,将会导致响应面显现吊兜和鞍点；因此事先必需进行调研,查询和充分的论证或

12、者通过其它试验设计得出主要影响因子；其次,通过回来分析得 到的结果只能对该类试验作估量；第三,当回来数据用于猜测时,只能在因素所限的 范畴内进行猜测；响应面拟合方程只在考察的紧接邻域里才充分近似真实情形,在其 他区域,拟合方程与被近似的函数方程毫无相像之处,几乎无意义；中心组合设计是一种国际上较为常用的响应面法,是一种5 水平的试验设计法；采纳该法能够在有限的试验次数下,对影响生物过程的因子及其交互作用进行评判,而且仍能对各因子进行优化,以获得影响过程的最正确条件；三 .结论 培育基的优化通常包括以下几个步骤：全部影响因子的确认；影响因子的筛 选,以确定各个因子的影响程度；依据影响因子和优化的

13、要求,挑选优化策略； 试验结果的数学或统计分析,以确定其最正确条件；最正确条件的验证；经以上几种方法的比较,我们可以通过把几种试验方法的结合,削减试验工作量,但又得到比较抱负的结果；第一充分调研和以前试验的基础上,用部分因子设计对多 种培育基组分对响应值影响进行评判,并找出主要影响因子；再用最陡爬坡路径靠近 最大响应区域；最终用中心组合设计及响应面分析确定主要影响因子的最正确浓度；已经有很多报道利用这几种试验相结合的方法胜利地优化了目的菌株的发酵培育基；另外,在缺乏某一菌株的生理代谢和合成调控机制学问的情形时,可通过摇瓶实验先用Plackett-Burman法从手边可获得的多种培育基中确定出重要因素,然后用响应面优化设计法或匀称设计法得到各重要因素的最正确水平值；参考文献1 李孱 ,白景华 ,蔡昭铃等 .细菌素发酵培育基的优化及动力学初步分析 .生物工程学报 . 4 郝学财 ,余晓斌 ,刘志钰等 .响应面方法在优化微生物生物培育基中的应用 .5 原理 .北京 :科学出版社 6 陈坚 ,李寅 .发酵过程优化原理与实践 .北京 :化学工业出版社 7 进展 .化工时刊名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 4 页