第07章 海洋藻类Crypthecodinium cobnii 异养生长生产二十二碳六烯酸可用的替代碳源 佘隽.doc

第七章 海洋藻类Crypthecodinium cobnii 异养十二碳六烯酸替代碳源前言 近年来，多不饱和脂肪酸备受关注，这是因为它们在人体中的有着各种生理功能，且有益人类健康。至今，鱼油是主要的脂肪酸；一些海洋微藻种的单细胞油脂（SCO）也含有重要的多不饱和脂肪酸。在本书的各章节中，这些油是主要的脂肪酸来源。 重要的异养海洋生物甲藻，Crypthecodinium cobnii，相关研究很多。这仅是多不饱和脂肪酸的一类单细胞油脂DHA，C.cobnii 中积聚了高含量的DHA[脂肪酸总量的25-60%]。优化DHA生产的重要参数，包括生长率、初始生物量、总脂含量以及脂类中DHA比例。大部分商业化的培养过程中，葡萄糖是主要的碳源和能源。葡萄糖是工业生产中容易获得的原料，从谷物淀粉中通过水解（化学、酶解）得到葡萄糖浆。成本低、获取方便、能浓缩储存，以溶液灭菌，性质稳定。制成水溶液便于发酵，且灭菌容易，传输到最终的发酵罐中是单一的溶液。但它不可能仅满足作为底物的条件。这一章讨论了利用替代碳源-乙酸和乙醇-生长，脂类积聚，DHA生产， C.cobnii批量分批补料式培养培养。通常也将葡萄糖作为可用的原料。 乙酸在石化工业中生产的比例很大，其成本是葡萄糖的三倍，大约600美元/t。发酵中大比例使用有缺陷，以浓缩的方式，要求操作小心，任何溢出物或接触到皮肤必须迅速处理。将其归类为“强酸”，它没有盐酸或硝酸这些无机酸攻击性强。因此，大量使用时不需要紧急警告。 乙醇能通过发酵生产，在巴西、新西兰、美国广泛生产，被视为“汽油醇”。因为是用葡萄糖发酵生产，其成本高于葡萄糖。“食品级”乙醇，需要满足 “食品级”DHA生产，售价760-800美元/t，现在比乙酸更贵。 这些底物，如葡萄糖，是水溶液，因此混在发酵媒介中没有问题。这些底物都是“纯品”，作为人类消费品生产也是适当的。他们没有残留，没有未发酵的化合物，最终的废物可以最小限度处理。分批补料式培养培养中 ，这些底物都可使用，其优点是可以自身消毒，减少污染的风险。使用替代碳源 用乙酸或乙醇作为发酵分批补料式培养替代葡萄糖，总体来看在改进生产上减少了成本。如果使用替代分批补料式培养，产量提高，附加产物回收的优点，或改进发酵蒸汽产生的废弃物处理方法，可以额外鼓励转换底物。这样来看，替代分批补料式培养的优点和缺点与原料生产成本没有太大的相关性。 在以乙酸和乙醇为底物时，不像葡萄糖，可以马上注意到，这些原料浓度高出1-2%对大部分细胞是有毒的。在发酵过程中使用很少的碳底物是不实际的（最终细胞生物量得率不能超过5g/L）。这个过程中，附加的底物供给到发酵罐，保持底物浓度在限制生长的浓度之下。现在的问题是如何达到附加的浓度，另外，不能超过限制生长的浓度的。可以用下面的行动表明，这不是不能控制的任务。事实上，大部分工业化发酵过程使用分批补料式培养工艺模型来优化生产，这就表示可以在许多引用单元中使用乙酸和乙醇作为底物。 使用乙酸 当浓度超过5-10g/L时，乙酸对许多微藻有毒，少量的有机体，能在高于20g/L，甚至在中性条件下时生长。Vazhappily 和Chen就乙酸对于C.cobnii及其他微藻的毒性做了一些初步研究，研究表明C.cobnii能在浓度不超过1g/L的醋酸盐中生长；因为培养基质中有其他碳源，结果不完全清楚。一些初步的实验室研究表明C.cobnii 能在3g/L的乙酸钠中生长，但生长对pH要求严格。这些问题在使用乙酸作为分批补料式培养时都是很关键的。 当添加到发酵基质中，乙酸被中和或带进平衡离子，通常是Na+或K+。当细胞生长时，乙酸盐（CH3COO-）消耗，被氢氧离子（OH-）取代，结果导致pH升高。事实上，NaOH是乙酸盐的消耗产物。这件快速增长pH值，制止细胞生长。如果要避免pH值的风险，必须用酸滴定的方法；有没有比乙酸更好的酸？乙酸的容器附在发酵罐上并带有pH计和剂量泵。这些设备能按需要将乙酸加到发酵基质中。 在初步研究中，不管C.cobnii在乙酸盐中的不确定生长，乙酸盐能用作碳源和pH连续文化设备，一个适当可行的评估系统，用于生产富集DHA的单细胞油脂。最佳的生产率是初始浓度达到8g乙酸盐/L(图7.1)。细胞的脂类含量只有微小变化（45-50%生物量），初始乙酸盐浓度达到12g/L，油中DHA含量没有实际的变化（40-50%）。 图 7.1 （A）生长率，（B）细胞中脂类含量，（C）DHA在脂肪酸总量中含量。C.cobnii在pH6.5，连续文化设备下的乙酸钠中培养。 图 7.2 纯乙酸分批补料式培养培养C.cobnii。培养基：10g/L酵母提取物/L,25g海盐/L,8gNaAc/L;10%(V/V)接种物。（A）添加乙酸的生物量干重（DW）;(B)干基中脂类含量