CN106591400A - 一种降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法,属发酵工程领域,所述方法是在整个发酵过程只进行补碳和补氮两种补料控制:发酵罐中还原糖浓度控制在1‑20g/L,当还原糖浓度低于5g/L时采用连续流加方式开始补碳,当还原糖浓度高于20g/L时停止补碳,补碳速率根据实时离线测定的还原糖浓度和发酵液黏度进行调整;发酵罐中氨基氮控制在20‑60mg/mL,当氨基氮浓度低于30mg/mL时采用连续流加方式开始补氮,氨基氮浓度高于60mg/mL时停止补氮,补氮速率根据实时离线测定的氨基氮浓度和发酵液黏度进行调整。本发明所述方法工艺简单,可明显降低发酵液黏度,改善氧传递,对提高庆大霉素产量具有重要作用。
Description
技术领域
本发明属于发酵工程技术领域,具体涉及庆大霉素的发酵生产,特别是涉及一种降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法。
背景技术
庆大霉素C1a作为一种重要的氨基糖苷类抗生素,是国内首创、具备独立知识产权的一类半合成新药衣替米星的母核。传统制备C1a的方法是采用树脂分离技术从多组份庆大霉素中提取C1a单组份,由于各组分之间结构类似,物理化学性质相近,导致了提取成本居高不下,市场上高纯度C1a售价居高不下。
由于多组份庆大霉素发酵工艺较多,目前单组份庆大霉素C1a发酵工艺主要借鉴了多组份庆大霉素发酵工艺,在大工艺不变的前提下,调整小工艺参数,以提高庆大霉素C1a的产量。然而在实际工艺控制过程中由于大量使用了有机氮源和淀粉、玉米粉等黏性较大原材料,导致了发酵后期黏度过大,黏度是培养基物性的重要指标之一,它直接影响氧的传递、营养成分、无机盐、生长因子等的扩散,从而影响细胞的呼吸、营养成分的吸收,最终导致影响目标产物的形成。因此需在庆大霉素发酵过程中采取措施以降低发酵液黏度,提高生产效率。庆大霉素实际发酵工艺中常采用补水补碳等被动措施来改善中后期黏度增加导致的氧限制,但是会产生抑制产物合成等问题。例如,常规补碳采用单一组分的葡萄糖,在庆大霉素碳代谢研究文献报道中,高浓度的葡萄糖对庆大霉素合成有强烈的抑制作用,但是葡萄糖虽然对抗生素合成有抑制作用,但同时也是细胞生长的必需碳源,研究者试图通过添加庆大霉素支路代谢的前体来解除抑制,在尝试了之后,发现尽管这些物质能被细胞有效吸收,但仍然不能解除葡萄糖的阻抑作用。类似种种问题,在发酵生产庆大霉素C1a的过程中,因为发酵液黏度过大严重影响着庆大霉素C1a的产量,如何改善发酵工艺,使之在不影响发酵水平的前提下,降低后期黏度,提高产量,是亟待解决的问题。
发明内容
针对上述庆大霉素发酵生产中的问题和不足,本发明提供一种降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法,该方法通过改变原料和控制工艺方法改善了发酵液黏度,进而改善中后期氧的传递提高发酵效价。
一种降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法, 其特征在于:整个发酵过程只进行补碳和补氮两种补料控制:
补碳控制:发酵罐中还原糖浓度控制在1-20g/L,当测定发酵罐中还原糖浓度低于5g/L时采用连续流加补料方式开始补充碳源,当还原糖浓度高于20g/L时停止补充碳源;其中,补碳速率根据实时离线测定的还原糖浓度值和发酵液黏度值进行调整:
当还原糖浓度值高于5g/L时,,速率单位以kg/h计;
当还原糖浓度值低于5g/L时, ,速率单位以kg/h计;
补氮控制:发酵罐中氨基氮控制在20-60mg/mL,当测定发酵罐中氨基氮浓度低于30mg/mL时采用连续流加补料方式开始补充氮源,氨基氮浓度高于60mg/mL时停止补充氮源;其中,补氮速率根据实时离线测定的氨基氮浓度值和发酵液黏度值进行调整:
当氨基氮浓度值高于30mg/mL时,,速率单位以kg/h计;
当氨基氮浓度值低于30 mg/mL时, ,速率单位以kg/h计。
进一步的,所述碳源的成分及其质量百分数分别为:葡萄糖30-40%、麦芽糖5-10%和D-木糖0.5-2.0%,其余为水。
进一步的,所述氮源的成分及其质量百分数分别为:尿素10-15%,硫酸铵15-20%,玉米浆0.5-1.5%和酵母浸出粉1-3%,其余为水。
进一步的,所述氮源是将尿素、硫酸铵、玉米浆和酵母浸出粉溶于无菌水中,配制成溶液,再用氢氧化钠调整溶液pH至8.0-9.0,过滤灭菌后制得。
本发明的有益效果:
1、本发明在整个发酵过程中只采用补碳和补氮两种补料控制,相对常规补料方式,本发明工艺简单有效,通过调整碳源和氮源的成分比例、补料时间和补料速率等参数,一方面缓解了因营养供应不足和中间产物积累等导致的菌体生长代谢受到抑制的现象,为菌体生长提供了能量,维持了菌体活性;另一方面,本发明所述补料方法,降低了发酵液黏度,发酵液中发酵液黏度降低了1倍,效价平均增加260u/mL,改善了氧的混合传递效果,控制和引导产生菌的培养过程,使中后期的生化代谢活动向着有利于产物积累的方向发展,产量最高提高了63%,生物效价最高提高了40%,是一种行之有效的补料方法。
2、本发明在补碳过程中,碳源选用葡萄糖、麦芽糖和D-木糖,其中葡萄糖在生长代谢与能量提供方面具有重要作用,但其对庆大霉素的合成存在抑制,加入的适量麦芽糖与D-木糖在一定程度上缓解了这种抑制。在发酵过程中,葡萄糖含量相对充足的情况下,麦芽糖的代谢较为缓慢,受到诱导、葡萄糖阻遏和葡萄糖失活三种调节机制的控制,发酵液中,麦芽糖的存在诱导麦芽糖酶和麦芽糖通透酶的合成,在相关酶的作用下麦芽糖和D-木糖发生分解或构型变化,进而可参与到糖代谢过程中,改变微生物环境,降低了发酵黏度,促进细胞增殖。
3、本发明在补氮的过程中,补氮的氮源成分中同时含有有机氮源和无机氮源,在适当控制发酵中、后期发酵液中有机氮源的同时,适量加入无机氮源对庆大霉素C1a的合成是有利的,这是因为无机氮源不易为菌体转化为菌体蛋白,它既保证了在有机氮源相对贫乏的情况下氨基化的需要,同时又不会刺激菌丝的生长,故无机铵与控制有机氮源相辅相成,对庆大霉素发酵中组分的改善是十分有力的。在此基础上采用连续流加的方式进行补料,避免因一次大量加入引起环境突变改变给菌体代谢带来的影响、另外能有效减缓中后期因相关酶表观活性不足所导致的可发酵糖浓度的下降,大幅提高发酵水平。补料、补料速率与补料方式相辅相成,在发酵过程中共同发挥作用,降低发酵液的黏度,提高庆大霉素的产量。
附图说明
图1是实施例1和对照例1中发酵周期内发酵液黏度变化对比图;
图2是实施例1和对照例1中发酵周期内发酵液效价变化对比图。
具体实施方式
一种降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法,整个发酵过程只进行补碳和补氮两种补料控制,即从发酵开始计时,每隔4小时测定发酵液中还原糖、氨基氮和黏度,然后根据测定结果调整补料和补料速率。整个发酵过程只包括补碳和补氮两种补料控制:
补碳控制:发酵罐中还原糖浓度控制在1-20g/L,当测定发酵罐中还原糖浓度低于5g/L时采用连续流加补料方式开始补充碳源,所述碳源的成分及其质量百分数分别为:葡萄糖30-40%、麦芽糖5-10%和D-木糖0.5-2.0%,其余为水。当还原糖浓度高于20g/L时停止补碳。建立补碳速率模型,即当还原糖浓度值高于5g/L时,;当还原糖浓度值低于5g/L时, ,速率单位均以kg/h计;
补氮控制:发酵罐中氨基氮控制在20-60mg/mL,当测定发酵罐中氨基氮浓度低于30mg/ml时采用连续流加补料方式开始补充氮源,所述氮源的成分及其质量百分数分别为:尿素10-15%,硫酸铵15-20%,玉米浆0.5-1.5%和酵母浸出粉1-3%,其余为水。当氨基氮浓度高于60mg/mL时停止补氮。建立补料速率模型,即当氨基氮浓度值高于30 mg/mL时,;当氨基氮浓度值低于30 mg/mL时, ,速率单位均以kg/h计。
下面通过具体的实施例对本发明做进一步的解释和说明。
实施例1
一级种子培养:在2m3种子罐中按照表1中成分配比进行投料。先将一级种子培养基灭菌,冷却,使用无菌空气保压,然后在压差计接种将1L培养好的摇瓶种液接入一级种子罐培养,过程中罐压0.04~ 0.08Mpa;罐温33~38℃;空气流量0.7:1 ;转速为150rpm ;pH值6.0-8.0;培养时间45h。培养好的一级种子液菌体浓度在21%,pH值为7.0,无杂菌污染。
二级种子培养:在15m3培养基中按照表1中成分配比进行投料。先将二级种子培养基灭菌,冷却,使用无菌空气保压,然后将培养好的一级种子液全部移入二级种子管进行培养。过程中罐压0.04~ 0.08Mpa;罐温33~38℃;空气流量0.5:1~ 1:1;转速为100rpm ;pH值6.0-8.0;培养时间43h。培养好的一级种子液菌体浓度在30%,pH值为7.0,无杂菌污染。
发酵培养:在60m3培养基中按照表1中配比投料。先将培养基灭菌,冷却,使用无菌空气保压,然后将培养好的二级种子液全部移入发酵罐中进行培养。过程中罐压0.04~0.08Mpa;罐温33~38℃;空气流量0.5:1~ 1:1;转速为100-150rpm;pH值6.0-8.0。过程中还原糖浓度维持在1-10g/L;发酵周期为110h,放罐菌浓为35%,发酵效价为783u/ml,pH值7.5。
表1:试验配方及配比
注:表中%为质量百分数。
发酵过程中测定还原糖、氨基氮、黏度和产物效价,每隔4h检测一次,然后根据检测结果调整补料速率。整个发酵过程只通过补碳和补氮两种补料控制:
补碳控制:发酵罐中还原糖浓度控制在1-20g/L,当测定发酵罐中还原糖浓度低于5g/L时采用连续流加补料方式开始补充碳源,当还原糖浓度高于20g/L时停止补充碳源;其中,补碳速率根据离线测定的发酵液黏度值进行调整:当还原糖浓度值高于5g/L时,补料速率(kg/h)=(实测还原糖浓度值-黏度值/1000-5)*发酵液体积(m3)*10kg/h;当还原糖浓度值低于5g/L时,补料速率(kg/h)=发酵液体积(m3)*10kg/h;其中,补碳速率=当前发酵体积*10kg/h;
上述补充碳源的成分及其质量百分数分别为:葡萄糖30%、麦芽糖10%和D-木糖2.0%,其余为水。
补氮控制:发酵罐中氨基氮控制在20-60mg/mL,当测定发酵罐中氨基氮浓度低于30mg/ml时采用连续流加补料方式开始补充氮源,氨基氮浓度高于60mg/mL时停止补充氮源;其中,补氮速率根据离线测定的氨基氮浓度和黏度值进行调整:当氨基氮浓度值高于30mg/ml时,补氮速率(kg/h)=(实测氨基氮浓度值+黏度值/1000-30)*发酵液体积*2;当氨基氮浓度值低于30 mg/ml时,补氮速率(kg/h)=发酵液体积*20。
所述氮源是通过将所述尿素、硫酸铵、玉米浆和酵母浸出粉溶于无菌水中,配制成溶液,再用氢氧化钠调整溶液pH至8.0-9.0,过滤灭菌后制得。其中,尿素的质量百分数为10%,硫酸铵的质量百分数为15%,玉米浆的质量百分数为0.5%和酵母浸出粉的质量百分数为3%。
实施例2
一级种子培养、二级种子培养和发酵培养过程与实施例1相同,在补料控制阶段,所用补碳的碳源为:葡萄糖40%、麦芽糖5%和D-木糖2.0%。
所用补氮的氮源为:尿素15%,硫酸铵20%,玉米浆1.5%和酵母浸出粉1%。
对照例
一级种子培养、二级种子培养和发酵培养过程与实施例1相同,但在补料控制阶段,分批次间歇补料,补料时间与补料量如下:
发酵开始24h时第一次补料:补入5-10%全料;
发酵开始36h时第二次补料:补入5-10%全料;
发酵开始44h时第三次补料:补入3-5%全料;
发酵开始64h时第四次补料:补入5-10%全料;
之后每隔10h补水10%至发酵结束。
其中,所述%是指补量与发酵液的体积百分比;全料配方如下表2所示。
表2:对照例中全料配方
对上述实施例1、实施例2和对照例所得发酵液进行质量评价,从效价、菌体浓度、发酵过程黏度和发酵指数等指标进行分析,其中,效价指抗生素在发酵液中的浓度,用来衡量抗生素的有效成分及性能。结果如下表3所示。
表3:发酵液的质量评价
注:表中%为质量百分数。
由表3可以看出,在发酵周期和菌体浓度相差不大的情况下,实施例1和实施例2所得发酵液的黏度最大值由常规的4000cp下降到2000cp,氧传递的速率与效率增强,使得菌体生长代谢加快,导致其效价、发酵总产量和发酵指数均有所增加,相对于对照例,效价平均每mL增加260u左右,发酵总产量最高增加75亿单位,发酵指数平均提高0.04亿/m3/h,庆大霉素产量平均提高60%。总体看来,在相同的发酵周期下,相对对照例的发酵液,实施例1和实施例2在单位产量上投入的固定成本较小,经济效益较高。
本发明进一步对实施例1和对照例中发酵液的黏度和效价进行实时监测,观察在整个发酵周期内的黏度和效价变化,黏度变化结果如图1所示,采用本发明所述补料方法的实施例1和常规方法的对照例1在发酵前24h内黏度变化相差不大,24h后对照例1中发酵液黏度开始快速增大,且在之后的发酵周期内始终大于实施例1,最后黏度可达4000cp,其中,在发酵中期黏度变化速率较减小,这是由于加入的补料在一定程度上缓解了发酵液中的黏度变化。而实施例中,发酵液黏度在24h后缓慢增长,之后在发酵中后期趋于稳定,最终黏度可达2000cp。相比之下,采用常规补料方法的对照例,其黏度起伏变化较大,在整个发酵过程中黏度均高于实施例,峰值可达4000cp,比实施例黏度高约1倍,且维持黏度持续增高趋势的时间较长,直至发酵周期结束,黏度才呈现稳定趋势。效价变化如图2所示,在发酵前期对照例1和实施例1中发酵液效价变化相差不大,在24h之后,实施例1中发酵液效价始终高于对照例1,两种发酵液均在发酵中期呈现出短暂的稳定趋势,之后实施例1以更高的增长速率持续增长,且这种增长趋势一直延续到发酵结束,这是由于补料控制,使发酵液中黏度等物理特性得到改善,促进了庆大霉素C1a产生菌的生长代谢。由此可见,本发明所述补料方法对降低发酵液黏度是十分有效的,增加了发酵效价,提高了庆大霉素C1a的产量。
本发明所述实施例为说明性的,并不以此限定本发明的保护范围,本发明的保护范围以权利要求书为准,在不脱离本发明实质和精神的前提下,对本发明所做的同等替换或修改,均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法,其特征在于:整个发酵过程只进行补碳和补氮两种补料控制:
补碳控制:发酵罐中还原糖浓度控制在1-20g/L,当测定发酵罐中还原糖浓度低于5g/L时采用连续流加补料方式开始补充碳源,当还原糖浓度高于20g/L时停止补充碳源;其中,补碳速率根据实时离线测定的还原糖浓度值和发酵液黏度值进行调整:
当还原糖浓度值高于5g/L时,,速率单位以kg/h计;
当还原糖浓度值低于5g/L时,,速率单位以kg/h计;
补氮控制:发酵罐中氨基氮控制在20-60mg/mL,当测定发酵罐中氨基氮浓度低于30mg/mL时采用连续流加补料方式开始补充氮源,氨基氮浓度高于60mg/mL时停止补充氮源;其中,补氮速率根据实时离线测定的氨基氮浓度值和发酵液黏度值进行调整:
当氨基氮浓度值高于30mg/mL时,,速率单位以kg/h计;
当氨基氮浓度值低于30 mg/mL时,,速率单位以kg/h计。
2.如权利要求1所述的降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法,其特征在于:所述碳源的成分及其质量百分数分别为:葡萄糖30-40%、麦芽糖5-10%和D-木糖0.5-2.0%,其余为水。
3.如权利要求1所述的降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法,其特征在于:所述氮源的成分及其质量百分数分别为:尿素10-15%,硫酸铵15-20%,玉米浆0.5-1.5%和酵母浸出粉1-3%,其余为水。
4.如权利要求3所述的降低庆大霉素C1a发酵液黏度的补料方法,其特征在于:所述氮源是通过将尿素、硫酸铵、玉米浆和酵母浸出粉溶于无菌水中,配制成溶液,再用氢氧化钠调整溶液pH至8.0-9.0,过滤灭菌后制得。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170426 |
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