埃博霉素补料分批发酵工艺研究

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粘细菌中的纤维堆囊菌发酵产生的次级代谢产物埃博霉素是一类较新的大环内酯类化合物。由于这类化合物具有抗真菌的性质,最初它们是作为植物保护剂进行研究。后来人们发现其对动物细胞具有细胞毒活性,表征为微管蛋白聚合剂,从而越来越引人注意。现已知埃博霉素能发挥类似于紫杉醇的稳定微管效应进而起到抗快速增殖细胞如肿瘤细胞或其他多度增殖细胞的疾病的细胞毒活性作用。埃博霉素活性高于紫杉醇,对紫杉醇耐受及多药抗性的癌细胞具有很好的抑制作用,而且埃博霉素具有较紫杉醇简单的化学结构和良好的水溶性,可通过大规模发酵生产等特点,使得埃博霉素成为新一代抗肿瘤药物的研发热点。然而,其产生菌纤维堆囊菌的合成水平较低,成为埃博霉素类药物研发的主要限制。鉴于纤维堆囊菌的难操作性,国际上针对埃博霉素的生物合成改造多考虑在异源菌株中进行,但是异源表达的困难在于:埃博霉素对异源宿主菌产生的细胞毒性使异源表达产量极低。因此选择对埃博霉素产生菌纤维堆囊菌进行改造,以及对其发酵工艺进行优化来获得埃博霉素,仍是最有效的方法。本论文以埃博霉素生产菌作为研究对象,对其摇瓶发酵培养条件下的基本参数及50L发酵罐分批发酵条件下的发酵参数进行了研究,并在此基础上进行了培养条件的优化并采用响应面法对补料条件进行了优化。最终通过发酵罐逐级放大试验,建立了一套高效的埃博霉素发酵生产方法。本实验在摇瓶发酵条件下研究了埃博霉素生产菌的生产基础发酵参数,确定了纤维堆囊菌的快速生长过程与还原糖的消耗过程相偶联,而埃博霉素作为次级代谢产物,其合成过程滞后于菌体的生长过程,在菌体生长稳定期大量合成。而氨基氮的消耗规律在发酵过程中表现不明显。据此而确立了一套以还原糖、生物量、埃博霉素产量为主要测定参数的工艺研究方法。摇瓶实验条件放大到发酵罐实验条件时,所得到的产物和产量往往有较大差别,特别是对培养环境极为敏感的纤维堆囊菌。发酵基本动力参数也可能会因为实验条件的放大而产生变化。为了能够向埃博霉素的大规模生产更进一步,本实验又针对发酵罐分批发酵特点进行初步研究,分析了甘油、丙酸钠的补料条件对纤维堆囊菌的生长及埃博霉素产量的影响。最后采用响应面法对甘油及丙酸钠的补料浓度及补料时间进行工艺优化。建立最优化的补料条件:在发酵的第4天补料10mg/L的甘油,0.4mg/L的丙酸钠。在给定的条件下埃博霉素的产量增加了13.7%。补料条件建立之后,发酵过程条件的参数是否受到影响并做相应变化便成为首先应该研究的问题。温度和pH的变化对微生物生长过程中的酶促反应有很大影响,而接种量的多少则会影响到在发酵过程中菌体的生长和目的产物的得率。实验对补料条件下的发酵温度、初始pH、接种量进行了最适条件的研究,确定了最佳条件:初始pH在7.2~7.5范围内,接种量介于10%~20%之间,发酵温度20℃。在此条件下最利于菌体增殖及埃博霉素合成。本实验分别在500L搅拌式发酵罐、500L气升式发酵罐中成功放大,通过补料培养,纤维堆囊菌基本能够实现高密度培养。优化培养条件后,埃博霉素B产量在发酵第10天达到了22.09mg/L,与原始分批发酵条件相比,提高了约29.9%。
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