L—精氨酸發酵條件中溶氧、PH控制的優化

馬騰+何連順+米造吉+李斌水+馬靜+張仲良

摘 要：精氨酸作為人體的扮必需氨基酸，其功能性作用及藥理作用逐漸被人們所重視，發酵法以其成本低、生產清潔等優勢，成為當前精氨酸的主流生產方法。本文主要通過研究發酵過程中的OD、PH、補料、溶氧等過程的控制，實現精氨酸發酵水平的提高，實驗發現在PH=7的條件下，一次補料，高溶氧有利于發酵的進行。

關鍵詞：L-精氨酸；發酵；過程控制；優化

中圖分類號：TQ922 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0200-02

1 精氨酸簡述

精氨酸是一種α氨基酸，具有調節血糖、保護肝臟、增強人體免疫力、延緩衰老、促進功能抗疲勞、促進傷口愈合的獨特生理功能。精氨酸的制備方法有發酵法、化學合成法和蛋白質（如明膠）水解物經離子交換分離提取法，目前用發酵法較多，但不是高產酸率的品種。我國的發酵法生產水平更低，故當前國內精氨酸以動物蛋白為原料生產更有經濟價值。國外如日本等發達國家基本都采用先進的發酵法，而國內的發酵方法尚處于研究階段，故此，國內L-精氨酸的生產主要是抽提法。但是抽提法收到原料、環保等限制，具有明顯的生產局限性。

2 優化設計

2.1 優化思路

發酵工藝的優化在發酵行業起到很大的作用，尤其是在發酵生產中，它是提高發酵指標的一項非常有用的技術手段。發酵工藝優化各因素之間不是孤立的，而是相互聯系的。為了提高發酵生產水平，人們首先考慮的是菌種的選育或基因工程的構建。而實際上，發酵工藝的優化，包括生物反應器中的工程問題，也同樣非常重要。發酵環境條件的優化是發酵過程中最基本的要求，也是最重要、最難掌握的技術指標。溫度、pH值、溶氧、攪拌轉速、氨離子、金屬離子、營養物濃度等的優化控制，依據不同的發酵而有所不同。同時，微生物在生長的不同階段、生產目的代謝產物的不同時期，對環境條件可能會有不同的要求。因此，應該在生物反應器內，使溫度、pH值、溶氧、攪拌轉速等不斷變換，始終為其提供最佳的環境條件，本實驗以溶氧和PH為主要內容進行驗證。

2.2 檢測方法

（1）儀器：722分光光度計，上海保興生物設備有限公司 07-F28發酵罐30L，BR16012發酵罐70L（2）試劑與溶液：1）混合試劑：8-羥基喹啉5g加雙乙酰水溶液2.5ml，用正丙醇定容至100ml；2）氫氧化鈉溶液：（3/7）mol/l；3）精氨酸標品溶液：先配成1%的精氨酸標準溶液，臨用時再稀釋100倍。（3）樣液的測定：取3根試管，分別吸取樣品、精氨酸標品、和蒸餾水各0.5ml，分別加入3.5ml3/7N的氫氧化鈉溶液，最后分別加入混合試劑1ml搖勻后，在水浴鍋30℃水浴20分鐘。用722分光光度計在520nm處檢測吸光度。（4）數據處理與計算：精氨酸含量=-×稀釋倍數。

3 溶氧控制優化過程與討論

3.1 第一次實驗方案及結論分析

3.1.1 過程控制方案

溶氧控制：發酵罐溶氧控制在15%～25%，當溶氧低于15%后，開始調整轉速，每次10r。補料控制：采用流加方式補料，根據溶氧回升情況確定補料起始時間。控制過程中，在發酵周期26h左右，溶氧開始回升，溶氧超過35，開始補料。分20次補完。前十次每小時補料一次，每次100ml；后十次每兩小時補料一次，每次100ml。補糖控制：發酵罐初始糖為8%，在培養過程通過測驗樣來確定補糖時間與補糖量。中間控制殘糖為2.5-2.0%。計算補糖量時，以3%目標含量為基準。當殘糖過低時，一次性補糖至殘糖2.0%。PH控制：接種前調節PH為7.00。培養過程中PH下降過，這時向罐內通氨水控制PH7.00。發酵罐發酵過程中，PH根據OD生長情況調整：

3.1.2 分析與總結

DO回升時間提前，前期補料后溶氧無變化，精氨酸積累高峰48～54h，還原糖濃度偏高時生長情況好于還原糖濃度低時，泡沫難控制，消泡后溶氧下降幅度超過15%。

3.2 第二次實驗方案及結論分析

3.2.1 過程控制方案

在實驗一的基礎上，根據結果，進一步調整過程PH控制方案。

以下為兩批次的實驗數據（二-三），見表2-3所示。

3.2.2 分析與總結

通過對上面的數據進行分析，更改PH后對精氨酸菌種生長影響不明顯，產酸有增快趨勢，殘糖控制不穩定，波動范圍比較大，提高還原糖水平后無不良影響。

4 總結

4.1 工藝優化結論

在PH全過程控制7時，適宜精氨酸發酵，高溶氧控制有利于發酵進行，一次性補料方式相較于多次過程補料方式有利于發酵水平提高。

4.2 實驗的不足之處和展望

本課題對不同控制條件下精氨酸發酵過程進行研究，對結果進行分析測定，用于精氨酸發酵放大生產的指導，但實驗整體存在著很大的不足。由于時間倉促，實驗組數太少，不能完整反應各個條件下的發酵過程。未能對溫度等控制參數進行試驗驗證。未對菌種選育、放大進行研究。沒能對不同發酵菌種的影響進行分析驗證。顯色法檢測精氨酸含量，存在一定的誤差，對結果分析可能造成偏差。

參考文獻

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