固定化细胞发酵工艺的优化控制策略

（一）固定化细胞的预培养

固定化细胞制备好后，一般要进行预培养，以利于固定在载体上的细胞生长繁殖，然后才用于发酵生产。因此，预培养的目的就是获得活力较强的微生物细胞。通常细胞的固定化生长主要有四种形式：①包埋在多孔物质中的生长；②附着在悬浮固体载体表面的生长；③附着在固定填料上的生长；④菌体絮凝成团生长。细胞在载体的生长达到平衡后的一段时间内，固定化细胞的浓度基本保持恒定，同时，随着细胞的生长和繁殖，有一些细胞泄漏到培养液中，这些泄漏细胞则是游离细胞，它们也在培养液中生长繁殖。因此，固定化细胞的培养系统包括固定在载体上的细胞和游离细胞两部分。

为了使固定化细胞生长良好，预培养应采用有利于生长的培养基和工艺条件。例如，将包埋好的固定化酵母细胞放入增殖培养基中，在28～32℃通气培养40～60h，其增殖的酵母细胞数可达到10⁹个/mL以上，用于酒精发酵，酒精生产能力可达到25～35mg/（mL·h）。

（二）溶氧的供给

溶氧的供给是固定化细胞好气性发酵的关键限制性因素之一。固定化细胞在进行培养过程中，由于受到载体的影响，氧的溶解和传递受到一定的阻碍作用。特别是采用包埋法制备的固定化细胞，氧要通过凝胶层扩散到凝胶粒内部，才能供细胞应用，这使氧的供给成为主要的限制性因素。例如，氧气在海藻酸钙凝胶中的扩散速率随凝胶中细胞浓度、凝胶颗粒和载体浓度的增大而降低。为此，必须增加溶氧的供给，才能满足细胞生长和产酶的需要。另外，有人研究用固定化细胞发酵葡萄糖生产柠檬酸时，利用发酵槽内的木屑吸附解脂复膜孢酵母，当酵母在木屑上繁殖太多形成厚层时，对氧扩散也形成阻碍，影响氧的传递。

由于固定化细胞反应器均不能采用强烈的搅拌，以免破坏固定化细胞，所以，增加溶氧供给的主要方法是加大通气量。例如，游离的枯草杆菌细胞发酵生产α-淀粉酶，通气量一般控制在0.5～1m³/（m³·min），而采用固定化细胞发酵，其通风比要达到1～2m³/（m³·min），或者更多。此外，还可通过改变固定化载体、固定化方法或改变培养基组分等手段，以改善供氧。例如，琼脂对氧的扩散不利，应尽量少用作固定化载体；在凝胶中加进某些物质，使其有利于氧的传递；采用过氧化氢酶与细胞共固定，再在培养液中添加适量的过氧化氢，通过酶的作用产生氧气，供细胞使用；降低培养基的浓度和黏度等。

（三）温度的控制(www.xing528.com)

固定化细胞对温度的适应范围较广，在分批发酵和半连续发酵中，温度不难控制。但在连续发酵过程中，由于稀释率较高，反应器内温度变化较大。若只是在反应器内调节温度，则在流加的培养液温度差别较大时，难以达到要求。一般在培养液进入反应器之前，必须预先调节到适宜温度。实验结果表明，固定化增殖酵母细胞发酵生产酒精的最适温度一般为30～34℃，但不同菌种最适发酵温度往往是不同的，这需要通过实验进行确定。

（四）培养基成分的控制

一些研究结果表明，固定化增殖酵母细胞能适应较高糖浓度发酵液，其酒精生产能力可以远比游离细胞高，如表10-4所示。不过，一般培养基的浓度不宜过高，否则有可能出现底物的抑制作用。

表10-4 不同底物浓度对细胞生产酒精能力的影响

另外，通过改变培养基组分来降低培养基的黏度，会有利于氧的溶解和扩散，从而克服固定化细胞好氧发酵过程中氧溶解和传递的限制。