全 文 ：第 １４卷第 ３期
２０１６年 ５月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １４ Ｎｏ􀆰 ３
Ｍａｙ ２０１６
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１６􀆰 ０３􀆰 ０１５
收稿日期：２０１６－０３－０９
基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２０１３ＡＡ０６４４０２）
作者简介：左肖肖（１９９１—），女，江苏邳州人，研究方向：发酵工程；陆利霞（联系人），副教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｘｉａｌｕ＠ ｎｊｔｅｃｈ．ｅｄｕ．ｃｎ
微生物高密度培养策略
左肖肖１，陆利霞１，２，李　 壹１，２，熊晓辉１，２
（１􀆰 南京工业大学 食品与轻工学院，江苏 南京 ２１１８００；
２􀆰 江苏省食品安全快速检测公共技术服务中心，江苏 南京 ２１１８００）
摘　 要：微生物高密度培养具有发酵周期短、生产率高、成本低等优点，已成为发酵工程领域的研究重点。 笔者从
营养物质、环境因素、补料方式及反应器、代谢调控策略等方面分析如何提高微生物发酵密度效果，表明微生物高
密度发酵必须从菌体本身、代谢特点、营养需求等多角度、综合设计才更有效，便于降低发酵成本。
关键词：高密度培养；生物反应器；代谢调控
中图分类号：ＴＱ９２０􀆰 １　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１６）０３－００８１－０６
Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ⁃ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｕｌｔｕｒｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ
ＺＵＯ Ｘｉａｏｘｉａｏ１，ＬＵ Ｌｉｘｉａ１，２，ＬＩ Ｙｉ１，２，ＸＩＯＮＧ Ｘｉａｏｈｕｉ１，２
（１􀆰 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｔｅｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１８００，Ｃｈｉｎａ；
２􀆰 Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｕｂｌｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｒａｐｉｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓａｆｅｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１８００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ⁃ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｕｌｔｕｒｅ ｃｏｕｌｄ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｏｔａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ， ｉｎｃｒｅａｓｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ
ｄｅｃｒｅａｓｅ ｃｏｓｔ􀆰 Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ａ ｈｏｔ ｉｓｓｕｅ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ􀆰 Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ，ｗｅ
ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ，ｆｅｅｄｉｎｇ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ，ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ，ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ
ａｎａｌｙｚｅ ｈｏｗ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ⁃ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｕｌｔｕｒｅ􀆰 Ｗｅ ａｌｓｏ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ⁃ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ
ｃａｎ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｂｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｓｕｃｈ ａｓ
ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｓｔｒａｉｎｓ，ｔｈｅｉｒ ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ􀆰
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ⁃ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｕｌｔｕｒｅ； ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ； ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ
　 　 微生物的高密度培养以低成本获得高生产率
和高产品效益，已成为食品、药品等方面的研究热
点。 微生物采油将微生物及其营养物注入地下油
层，使其在油层中繁殖代谢，利用微生物对原油作
用及其代谢产物来提高原油采收率。 由于油层孔
隙体积一般高达几百万立方米，为提高增油效果，
现场需要注入大量的微生物菌体培养物。 在工业
化生产中，保证生产效果的同时必须控制投入成
本。 因此，低成本、高效率的高密度培养技术有望
大幅降低微生物培养液的成本，在微生物采油领域
具有广阔的应用前景。 高密度培养 （ ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ⁃
ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｕｌｔｕｒｅ，ＨＣＤＣ），一般是指微生物在液体培养
中，细胞群体密度超过常规细胞 １０倍以上时的生长
状态或培养状态［１］。 高密度培养与常规培养相比，
优点如下［２］：１）实现微生物的高密度和高生产率；
２）可使生物反应器的体积缩小，过程更加安全；３）
简化下游产物的分离纯化步骤；４）缩短发酵周期，
实现产物的高效价；５）减少设备投资，缩小成本。
高密度培养技术也可用于工程菌发酵，以尽可能低
的成本实现规模化生产［３］。
影响高密度培养的因素包括营养物质种类、培
养条件、培养方式、生物反应器的选择以及培养体
系等，本文就微生物高密度培养策略进行综述。
１　 营养物质优化策略
碳源、氮源、无机盐、生长因子等是细胞生长所
必需的营养成分，在高密度培养时，这些营养成分
必须比例恰当，且浓度不会抑制细胞的生长［４］。
碳源是微生物培养基的关键组成部分，主要为
微生物或细胞的正常生长提供物质基础，而不同的
碳源种类和浓度对生物量有不同的影响。 郭汉卿
等［５］通过对石油开采功能菌株琼氏不动杆菌 ５ ６
高密度发酵培养基优化，发现以葵花籽油作为碳源
时，明显优于其他几种碳源，菌密度高达１􀆰 ２× １０９
ＣＦＵ ／ ｍＬ，较优化前基础培养基的 ６􀆰 ０×１０８ ＣＦＵ ／ ｍＬ
提高了 ２倍。 Ｐｏｓａｄａ⁃Ｕｒｉｂｅ 等［６］在研究培养基组成
和培养条件对枯草芽胞杆菌 ＥＡ ＣＢ０５７５产芽胞的
影响中发现，最优的碳源是葡萄糖，最佳无机盐为
ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ。 整体优化后得到的芽胞数为 ８􀆰 ７８×
１０９ ＣＦＵ ／ ｍＬ，芽胞率为 ９４􀆰 ２％，芽胞数量和芽胞率
分别提高了 １７􀆰 ２倍和 １􀆰 ９倍。
氮源是构成生物体的蛋白质、核酸及其他含
氮化合物的基础，在微生物生产目标产物过程中
起着至关重要的作用，最常用的氮源是有机氮源。
但是，微生物利用不同氮源，其相应的产物和菌密
度差别较大。 Ｆｅｉ 等［７］利用葡萄糖和木糖作为碳
源，高密度培养一种工程红球菌属菌株，发现当
（ＮＨ４） ２ＳＯ４作为氮源时，ＯＤ６００为 ２８􀆰 ８ ± １􀆰 ３，其他
无机氮源的 ＯＤ也比有机氮源的高，脂质浓度和脂
质质量分数都达到最大，分别为（４􀆰 ０５±０􀆰 ６６） ｇ ／ Ｌ
和 ４４􀆰 ３％，脂质的最高产量为 ０􀆰 １３７ ｇ ／ ｇ。 这与文
献［８］报道的用葡萄糖作为碳源的结果一致，这说
明葡萄糖和木糖作为混合碳源时，选择（ＮＨ４） ２ＳＯ４
作为氮源最佳。
无机盐是许多微生物生长不可缺少的营养元
素，主要是构成菌体的细胞成分，作为酶的激活剂
或者抑制剂。 常用的无机盐有磷酸盐、镁盐、铁盐
及钾盐等。 臧超群等［９］通过对生防细菌 ＳＹ２８６ 发
酵条件优化，得出以 ＮａＣｌ 作为无机盐时，生防细菌
ＳＹ２８６菌悬液密度和产生抑菌物质的活性均最大，
分别为 １􀆰 ５ × １０９ ＣＦＵ ／ ｍＬ 和 ９２􀆰 ３７％，明显优于
ＭｇＳＯ４、ＺｎＳＯ４等其他几种无机盐，因此选择 ＮａＣｌ 作
为最佳无机盐。
因此，选择营养物质时需要分析菌体代谢及产
物特点、原料供应优势等，使微生物细胞快速生长，
以提高菌体密度，这也是解决高密度培养问题的策
略之一。
２　 培养条件
温度主要是通过改变酶的反应速度来控制微
生物的生长。 选择适宜的培养温度对菌体的浓度
和产物的产量至关重要。 王西祥等［１０］在响应面法
优化枯草芽胞杆菌 ＮＳ１７８ 产芽胞发酵工艺中发现，
当培养温度为 ３３ ℃时，ＮＳ１７８ 发酵液菌落密度为
３􀆰 ４５× １０９ ＣＦＵ ／ ｍＬ，是优化前的 ７ 倍左右。 周斌
等［１１］在重组菌肝素黄杆菌高密度生产肝素酶Ⅱ中
发现，只有在 ３７ ℃条件下最终 ＯＤ６００可以达到 ９８，
酶活可以高达 ９ ４３６ Ｕ ／ Ｌ。
ｐＨ是影响高密度培养的重要因素之一。 目前
大多数的研究都是针对起始 ｐＨ 对生物量和代谢产
物的影响，培养液中 ｐＨ 的变化和菌体自身的生长
代谢会影响培养液的 ｐＨ，从而影响菌体的生长。 发
酵过程中，主要通过定时补料加入酸或碱。 Ｊａｌｌｏｕｌｉ
等［１２］利用温带发光杆菌突变菌体 Ｋ１２２生产生物杀
虫剂，通过分批发酵和补料发酵的方法，未控制 ｐＨ
时，活菌密度为 １􀆰 ８×１０９ ＣＦＵ ／ ｍＬ；当发酵 ｐＨ 被控
制为 ７􀆰 ０时，活菌密度为 ２􀆰 ５×１０９ ＣＦＵ ／ ｍＬ。 与不控
制 ｐＨ相比，活菌密度提高了 ３８􀆰 ８％。 由此可知，ｐＨ
是影响细胞生长和代谢产物形成的重要参数
之一［１３］。
３　 补料分批培养策略
培养方式的选择对菌体的生长有着重要的作
用，高密度发酵生产的过程主要是补料分批发
酵［１４－１５］。 这种类型的方法包括指数流加和传统的
在线补料方法，比如 ｐＨ、溶氧（ＤＯ）等［１６－１７］。 补料
分批发酵是在发酵过程中补入新鲜发酵液，以免造
成营养成分不足而导致菌体生长不好甚至死亡，同
时可以稀释部分代谢有害物。 补料分批发酵能维
持较低的基质浓度，避免碳源的阻遏效应，并能减
缓代谢有害物的不利影响。 Ｓｏｈｏｎｉ 等［１８］在大肠杆
菌中优化高密度发酵工艺生产重组腈水解酶，利用
连续补料的方法，细胞干质量浓度达到 １９􀆰 ５ ｇ ／ Ｌ，腈
水解酶产量为 ４􀆰 １９×１０５ Ｕ ／ Ｌ；而 Ｌｉｕ 等［１９］在利用甘
油补料时，腈水解酶的产量为 １􀆰 ９３×１０４ Ｕ ／ Ｌ。 与普
通的分批培养相比，这种补料分批的策略使生物量
２８ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １４卷　
提高了 ８ 倍，腈水解酶的产量提高了 ２􀆰 ４ 倍。 在补
料分批培养过程中，需结合菌体自身的特征，确定
最佳的补料策略和补料方式，从而实现微生物的高
密度和产物的高产量。
３􀆰 １　 溶氧补料策略
培养基中营养物质消耗殆尽时，细菌的有氧
代谢活动下降，导致环境溶氧持续上升，加入营养
物质后溶氧又会下降。 通过溶氧反馈控制限制性
营养物质的补加速率，使限制性营养物质保持在
一定的浓度，同时也避免了溶氧的抑制。 当碳源
消耗，溶氧开始上升时，需要对生物反应器设计一
个预定的补料方案［２０］ 。 ４０％的溶氧水平最适合嗜
酸氧化亚铁硫杆菌的高密度培养［２１］ ，但是 Ｏ２ 是一
种难溶气体，因此在实验中常常会用摇床、发酵罐
和通气设备来增加溶氧［２２］ ，但是也有 Ｍａｔｓｕｉ等［２３］
研究在高密度培养重组大肠杆菌过程中发现，溶
氧并不是越多越好。 好氧型菌体需要较高的 ＤＯ
才能生长，但厌氧型菌体在高 ＤＯ 时不适宜生长，
应根据菌体类型控制好 ＤＯ 的上下限。 张锋等［２４］
研究枯草芽胞杆菌谷氨酰胺合成酶工程菌利用溶
氧反馈补料策略时，成功进行了工程菌的高密度
培养，将溶氧的上限设为 ５０％，高于 ＤＯ 时开始流
加补料培养基，直到 ＤＯ 达到下限停止流加，最终
细菌干质量浓度达到 ４８􀆰 １ ｇ ／ Ｌ，目的蛋白的表达
量占菌体蛋白总量的 ５５％，粗体物酶比活为 １０􀆰 ３５
Ｕ ／ ｍｇ。
３􀆰 ２　 底物反馈流加策略
葡萄糖浓度的控制在补料式发酵中的重要性
已经受到了很多的关注［２５－２７］。 在发酵过程中，微生
物的性能和微生物产物的合成极大地影响了葡萄
糖的浓度［２８］。 当葡萄糖浓度充足时，会积累不必要
的代谢产物，例如，乙醇和醋酸。 为了避免产生不
必要的代谢产物，必须控制葡萄糖的浓度［２７－３３］。 葡
萄糖是目前最常用的碳源，但糖的浓度过高，会对
菌体的生长产生一定的抑制作用。 初始葡萄糖质
量浓度超过 ２０ ｇ ／ Ｌ，大肠杆菌生长就会受到抑
制［３４］。 闵伟红等［３５］在碱性中和与补料分批高密度
培养保加利亚乳杆菌的研究中发现：当每次加入 ２
ｇ ／ Ｌ的 ８ ｍＬ 葡萄糖时，最终菌密度达到 ９􀆰 ０× １０１１
ＣＦＵ ／ ｍＬ，菌体干质量浓度达 １４􀆰 ２６６ ｇ ／ Ｌ。
３􀆰 ３　 代谢物的抑制
在高密度培养过程中，会产生一些有害的代谢
产物，对菌体的生长有抑制作用。 比如，甲醇积累
会对酵母细胞的生长产生一定的抑制作用，Ｂｒｕｎｅｌ
等［３６］提出采用补料分批培养策略对平滑假丝酵母
生产脂肪酶进行高细胞密度培养。 发酵终点时，菌
体质量浓度达到了 ７４􀆰 ３０ ｇ ／ Ｌ 左右，脂肪酶的活力
为 １􀆰 ０２×１０６ Ｕ ／ Ｌ 左右。 因此，通过补料分批培养，
可以有效避免甲醇积累对菌体生长的抑制。
３􀆰 ４　 两阶段补料策略
微生物细胞快速生长时期与产物合成期处于
一个动态平衡的过程，并不完全吻合，为了同时获
得高细胞密度和高产率，两段式补料策略被引入。
鲁明波等［３７］研究发现：法夫酵母在发酵的延迟期和
对数生长早期，通过流加控制葡萄糖质量浓度为 ２５
ｇ ／ Ｌ左右，在对数生长后期和稳定期，控制糖质量浓
度为 ５ ｇ ／ Ｌ。 采用这种发酵方式，发酵终点细胞干质
量浓度为 ２３􀆰 ８ ｇ ／ Ｌ，虾青素产量最大达到 ２９􀆰 ０５
ｇ ／ Ｌ，分别比分批发酵提高了 ５２􀆰 ８％和 １０９％，虾青
素的产量也比脉冲流加和恒 ｐＨ 流加高。 该两段式
补料优化控制方式基本达到产物合成最优化和产
物合成效率最高化。
３􀆰 ５　 指数流加补料策略
指数流加是一种开环补料式的策略以去达到
某种预定的值［２０］。 当葡萄糖被消耗完之后，应用指
数流加策略将葡萄糖流加到培养基中（葡萄糖为最
主要的限制性底物），葡萄糖流加量可以用下面的
方程［３８－３９］计算。
Ｆ ｔ ＝
μｓｅｔＸ０Ｖ０ｅｘｐ（μｓｅｔ）
ＳｆＹＸ／ Ｓ
（１）
式中：Ｆ ｔ是连续流加速率（Ｌ ／ ｈ），Ｘ０和 Ｖ０分别表示在
补料分批培养的开始阶段干细胞质量浓度（ｇ ／ Ｌ）和
培养体积 （ Ｌ）， Ｓｆ 是流加中的葡萄糖质量浓度
（ｇ ／ Ｌ），μｓｅｔ是预定的生长速率，ＹＸ／ Ｓ是增长的生物量
和葡萄糖的量的比值 （ｇ ／ ｇ ）。 在研究过程中，Ｆ ｔ每
个小时都会被改变去模拟指数流加过程。
Ｋｏｒｚ等［４０］采用指数流加的补料方式，当重组大
肠杆菌分别以葡萄糖和甘油为碳源时，菌体质量浓
度分别达到了 １２８ ｇ ／ Ｌ 和 １４８ ｇ ／ Ｌ。 谢婷等［４１］在
指数流加补料发酵提高鲁氏酵母 β １，３ 葡聚糖酶
产量中发现，１５～２３ ｈ开始进行指数流加补料，细胞
维持了对数生长至 ２１ ｈ（对应最大生物量为 １２􀆰 ８６
ｇ ／ Ｌ），而 ＹＥＰＤ批培养 ３３ ｈ生物量达到 １０􀆰 ７８ ｇ ／ Ｌ，
相比之下，前者周期缩短了 １２ ｈ，生物量提高
了 １９􀆰 ２９％。
３８　 第 ３期 左肖肖等：微生物高密度培养策略
４　 生物反应器的选择策略
生物反应器是指包含了底物和酶或者细胞作
为生物催化剂的一种设备或者系统，在这个环境
中，生物催化剂可以执行他们的功能。 生物反应器
的结构、操作方式和操作条件对高密度培养的产物
和产率有着重要的影响。
４􀆰 １　 搅拌式生物反应器
搅拌式生物反应器的混合程度较高，但其较大
的剪切力并不利于丝状菌和动植物细胞的培养，不
过可以改变桨叶的尺寸和形状，或者加入一些物质
来减小剪切力。 其具有操作简单、应用范围广、容
易放大培养等特点，所以，目前这种传统的搅拌式
生物反应器应用最为广泛，也是高密度培养最常用
的生物反应器［４２］。 李佳伟等［４３］采用 ３ Ｌ 机械搅拌
式发酵罐研究黑曲霉发酵生产柠檬酸的培养条件。
结果显示，在固定控制条件下，固定转速 ５００ ｒ ／ ｍｉｎ
时，发酵情况最好，产酸均达到 １２􀆰 ９ ｇ ／ Ｌ，糖酸转化
率为 ８６％，生物量为 ４２􀆰 ６ ｇ ／ Ｌ。
４􀆰 ２　 气升式生物反应器
气升式生物反应器与其他生物反应器相比，设
备的密封性好，有更强的抗杂菌污染能力。 但是气
升式生物反应器在发酵过程中容易起泡，这可能是
由于培养基中的糖浓度较高引起的。 气升式生物
反应器适用于流体黏度相对不高、搅拌温和［４４］和氧
传质要求较低［４５－４６］情况，但是其操作弹性小、轴向
梯度高径比大、高黏度时相间传质差等不利因素制
约了其发展。 郑裕国等［４７］在甘薯原料气升式生物
反应器发酵生产单细胞蛋白中发现，采用 １０ Ｌ机械
搅拌发酵罐发酵 ４８ ｈ后，发酵液中干物质量为 ３７􀆰 ２
ｇ ／ Ｌ，蛋白产量为 １７􀆰 ７ ｇ ／ Ｌ；１０ Ｌ 带 ２ 块筛板气升式
生物反应器发酵 ４８ ｈ后，发酵液中干物质量为 ３９􀆰 ６
ｇ ／ Ｌ，蛋白产量为 １８􀆰 ９ ｇ ／ Ｌ。 可以得出，气升式生物
反应器在甘薯原料发酵生产单细胞蛋白中的发酵
性能优于机械搅拌发酵罐。
４􀆰 ３　 膜生物反应器
膜生物反应器是生物处理法与膜技术相结合
的一种先进技术。 按照生物反应器和膜组件之间
的相对位置，可将膜生物反应器分为以下 ３种：分置
式膜生物反应器，一体式膜生物反应器，复合式膜
生物反应器。 Ｉｎｌｏｅｓ等［４８－４９］固定化酵母属和大肠杆
菌生产乙醇，但中空纤维膜生物反应器不适用于有
氧微生物，会导致供养不足。 为了使需氧细胞生
长，双中空纤维膜生物反应器被运用。 在凝结芽胞
杆菌 ＴＱ３３高细胞密度培养过程中，戚薇等［５０］采用
中空纤维膜生物反应器过滤乳酸，最终菌体密度达
到 １􀆰 ６ × １０１０ ＣＦＵ ／ ｍＬ，芽胞密度达到 １􀆰 ２ × １０１０
ＣＦＵ ／ ｍＬ，分别是分批培养的 ２１倍和 ３７ 倍。 Ｔａｓｈｉｒｏ
等［５１］在利用高细胞密度培养的方法生产丙酮 丁
醇 乙醇（ＡＢＥ）的过程中，使用中空纤维膜生物反
应器进行培养，经过 ４８ ｈ 培养后，最终菌体质量浓
度高于 １００ ｇ ／ Ｌ，ＡＢＥ的产率为 ７􀆰 ５５ ｇ ／ （Ｌ·ｈ），分别
是传统连续培养的 ２０倍和 ４倍。
５ 　 多级连续高密度培养 （ＭＳＣ
ＨＣＤＣ）体系
　 　 普通的补料分批培养是指在一个生物反应器
内进行多次补料，而 ＭＳＣ ＨＣＤＣ 是指多个生物反
应器中单独补料。 ＭＳＣ ＨＣＤＣ 体系包括多个串联
的中空纤维细胞循环或者用于细胞固定的高细胞
密度培养的连续搅拌反应器。 Ｃｈａｎｇ 等［５２］在一个 ８
级 ＭＳＣ ＨＣＤＣ 系统中生产青霉素，生产率为 １４９％
（０􀆰 ０８５ ｇ ／ （Ｌ·ｈ）），细胞质量浓度为 ４０ ｇ ／ Ｌ；在一个
７ 级 ＭＳＣ ＨＣＤＣ 系统中生产青霉素，生产率为
２８９％（０􀆰 １６５ ｇ ／ （Ｌ·ｈ）），细胞质量浓度为 ６０ ｇ ／ Ｌ。
一般来说，一个带有 ２ 个或者 ３ 个生物反应器的
ＭＳＣ ＨＣＤＣ 系统，可以代替补料式生物反应器去
获得较高产率的细胞外和细胞内的产物。 现在这
种体系已经被广泛地运用，它的高产率和高效价成
为其发展优势。
６　 展望
高密度培养是实现微生物产品高生产率和高
效率的关键技术，现已成为生化工程的重要研究领
域。 高密度培养策略的优化是完善高密度培养技
术的首要问题，同时，需要加强研究高密度培养的
发酵动力学、多级连续高细胞密度培养技术并解决
培养过程中的膜污染等问题，尽早实现工业化生
产。 由于微生物高密度培养的巨大优势，高密度培
养技术在食品、药品、微生物采油领域的应用将越
来越广泛。
参考文献：
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４８ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １４卷　
ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｔ ｐｅｐｐｅｒ （ Ｃａｐｓｉｃｕｍ ａｎｎｕｕｍ Ｌ．） ｔｈｒｏｕｇｈ
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ｃｅｌｌ⁃ｄｅｎｓｉｔｙ ｂａｔｃｈ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｈｏｄｏｃｏｃｃｕｓ ｏｐａｃｕｓ ＰＤ６３０
ｕｓｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｒｉａｃｙｌｇｌｙｃｅｒｏｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
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ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｅｄ⁃ｂａｔｃｈ ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｅｔｅｒｏｌｏｇｏｕｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ６⁃
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ｂａｔｃｈ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｌｏｗ ｃｙｔｏｍｅｔｒｙ：ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ
ａ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｍｉｃｒｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｇｌｕｃｏｓｅ ａｎｄ
ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ［ Ｊ］ ． Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ Ｂｉｏｅｎｇ，２０００，７０
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ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ ｒｅａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ：
ｍｅｔａｂｏｌｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ ［ Ｊ ］ ． Ｂｉｏｐｒｏｃ
Ｂｉｏｓｙｓｔ Ｅｎｇ，１９９３，９（６）：２４９⁃２５７．
［３０］ 　 ＪＯＢＥ Ａ Ｍ，ＨＥＲＷＩＧ Ｃ，ＳＵＲＺＹＮ Ｍ，ｅｔ ａｌ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ
ｆｅｄ⁃ｂａｔｃｈ ｃｕｌｔｕｒｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｂｏｌｉｃ
ｓｔａｔｅ ｂｙ ｏｎ⁃ｌｉｎｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ［ Ｊ］ ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ Ｂｉｏｅｎｇ，２００３，８２（６）：
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［３１］ 　 ＰＡＮＤＡ Ａ Ｋ，ＫＨＡＮ Ｒ Ｈ，ＲＡＯ Ｋ Ｂ，ｅｔ ａｌ．Ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ
ｂｏｄｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｂａｔｃｈ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｅｄ⁃ｂａｔｃｈ ｃｕｌｔｕｒｅ
ｏｆ Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ ｅｘｐｒｅｓｓｉｎｇ ｏｖｉｎｅ ｇｒｏｗｔｈ ｈｏｒｍｏｎｅ ［ Ｊ ］ ． Ｊ
Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，１９９９，７５（２ ／ ３）：１６１⁃１７２．
［３２］ 　 ＨＥＬＬＭＵＴＨ Ｋ，ＫＯＲＺ Ｄ Ｊ，ＳＡＮＤＥＲＳ Ｅ Ａ，ｅｔ ａｌ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｇｒｏｗｔｈ
ｒａｔｅ ｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｇｅｎｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｎｔ ｐｌａｓｍｉｄｓ
５８　 第 ３期 左肖肖等：微生物高密度培养策略
ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ
ｃｏｌｉ ＴＧ１［Ｊ］ ．Ｊ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，１９９４，３２（３）：２８９⁃２９８．
［３３］ 　 ＡＲＮＤＴ Ｍ，ＨＩＴＺＭＡＮＮ Ｂ．Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｔ
ｓｍａｌｌ ｓｅｔ ｐｏｉｎｔｓ ｄｕｒｉｎｇ ｆｅｄ⁃ｂａｔｃｈ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ
ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ［Ｊ］ ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ Ｐｒｏｇｒ，２００４，２０（１）：３７７⁃３８３．
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ｕｔｉｌｉｓ： ｃｙｓｔｅｉｎｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ［Ｊ］ ．Ｅｎｚｙｍｅ Ｍｉｃｒｏｂ Ｔｅｃｈｎｏｌ，２００８，４２（３）：２８４⁃２８９．
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ｂｉｏｃａｔａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｂｉｏｓｅｐａｒａｔｉｏｎ［Ｊ］ ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ Ａｄｖ，１９９９，１７（８）：
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［４５］ 　 ＮＩＣＯＬＥＬＬＡ Ｃ， ＬＯＯＳＤＲＥＣＨＴ Ｍ Ｃ Ｍ Ｖ， ＨＥＩＪＮＥＮ Ｊ Ｊ．
ＣｈｅｍＩｎｆｏｒｍ ａｂｓｔｒａｃｔ： ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ
ｂｉｏｆｉｌｍ ｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］ ．Ｃｈｅｍｉｎｆｏｒｍ，２０００，３１（３６）：１⁃３３．
［４６］ 　 ＣＨＩＳＴＩ Ｙ． Ｐｎｅｕｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｇｉｔａｔｅｄ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ： ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ， ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ， ａｎｄ
ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ［Ｊ］ ．Ａｐｐｌ Ｍｅｃｈ Ｒｅｖ，１９９８，５１（１）：３３．
［４７］ 　 郑裕国．甘薯原料气升式生物反应器发酵生产单细胞蛋白
［Ｊ］ ．农业工程学报，１９９９（１）：２２３⁃２２６．
［４８］ 　 ＩＮＬＯＥＳ Ｄ Ｓ， ＴＡＹＬＯＲ Ｄ Ｐ， ＣＯＨＥＮ Ｓ Ｎ， ｅｔ ａｌ． Ｅｔｈａｎｏｌ
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｉｎ ｈｏｌｌｏｗ⁃
ｆｉｂｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］ ．Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，１９８３，４６
（１）：２６４⁃２７８．
［４９］ 　 ＤＯＵＧＬＡＳ Ｓ Ｉ， ＳＭＩＴＨ Ｗ Ｊ， ＤＥＡＮ Ｐ Ｔ， ｅｔ ａｌ． Ｈｏｌｌｏｗ⁃ｆｉｂｅｒ
ｍｅｍｂｒａｎｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ Ｅ． ｃｏｌｉ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ
ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ［Ｊ］ ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ Ｂｉｏｅｎｇ，１９８３，２５（１１）：２６５３⁃２６８１．
［５０］ 　 戚薇，刘馨磊，王建玲，等．中空纤维膜过滤法高密度培养凝
结芽孢杆菌 ＴＱ３３［Ｊ］ ．食品与发酵工业，２００３（４）：１５⁃１８．
［５１］ 　 ＴＡＳＨＩＲＯ Ｙ，ＴＡＫＥＤＡ Ｋ，ＫＯＢＡＹＡＳＨＩ Ｇ，ｅｔ ａｌ．Ｈｉｇｈ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｏｆ ａｃｅｔｏｎｅ⁃ｂｕｔａｎｏｌ⁃ｅｔｈａｎｏｌ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｕｌｔｕｒｅ ｂｙ ｃｅｌｌ⁃
ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ａｎｄ ｂｌｅｅｄｉｎｇ［Ｊ］ ．Ｊ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ，２００５，１２０（２）：１９７⁃２０６．
［５２］ 　 ＣＨＡＮＧ Ｈ Ｎ，ＫＩＭ Ｎ Ｊ， ＫＡＮＧ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ｍｕｌｔｉ⁃ｓｔａｇｅ ｈｉｇｈ ｃｅｌｌ
ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｉｔｅｒ［Ｊ］ ．Ｂｉｏｐｒｏｃ
Ｂｉｏｓｙｓｔ Ｅｎｇ，２０１０，３４（４）：４１９⁃４３１．
（责任编辑　 管珺）
６８ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １４卷