红曲霉的发酵工艺优化方法、装置及红曲霉发酵方法

本发明涉及发酵工程，尤其涉及一种红曲霉的发酵工艺优化方法、装置及红曲霉发酵方法。

背景技术：

1、红曲霉在发酵过程中产生莫纳可林（monacolin k），莫纳可林能够降低胆固醇，具有非常好的药用价值。目前红曲霉发酵生产莫纳可林存在产量偏低、生产成本偏高等问题。碳源是构成菌体和产物的碳架及能量来源，不同的碳源会通过影响菌体形态进而影响所需产物的产量。氮源是构成菌体细胞中核酸、蛋白质和细胞质的主要成分，是菌体的生长发育和发酵代谢物的合成积累必不可少的物质基础。发酵基质对于红曲霉来说，是其生长、代谢、繁殖的物质基础，因此发酵培养基的组成成分会对红曲霉的生长状况和莫纳可林的生成产生很大的影响。因红曲霉个体小、代谢旺盛等特点，对生长环境的要求也相对较严格，外界环境的变化很容易影响到红曲霉的代谢途径，使其产物发生明显的改变，所以通过控制红曲霉发酵时的发酵条件来增加莫纳可林的产量已经成为一种现代微生物发酵技术常用的技术手段。公开号为cn107475301a的中国专利申请公开了一种高产红曲色素和monacolin k的功能红曲的制备方法，所述方法通过在发酵过程中加入不同的金属离子以及控制发酵温度提高红曲色素和莫纳可林的产量。上述方法没有从根本上去解决发酵培养基的成分影响红曲霉的发酵生产莫纳可林产量的问题。另外，影响红曲霉发酵的外界环境因素有很多，不只是温度的影响。因此有必要提出一种红曲霉的发酵工艺优化方法。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种红曲霉的发酵工艺优化方法、装置及红曲霉发酵方法。本发明的红曲霉的发酵工艺优化方法通过确定目标碳源和目标氮源、核心因子集合、底物添加函数去促进红曲霉发酵生产目标产物。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种红曲霉的发酵工艺优化方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据种子培养液制备基础培养基，在基础培养基中分别加入不同种类的碳源后发酵红曲霉，测量基础培养基中目标产物的产量，生成第一产量柱形图，确定发酵培养基的目标碳源；

5、步骤2：在基础培养基中分别加入不同浓度的目标碳源后发酵红曲霉，测量基础培养基中目标产物的产量，生成第一产量曲线，确定目标碳源的第一目标浓度；

6、步骤3：在基础培养基中分别加入不同种类的氮源后发酵红曲霉，测量基础培养基中目标产物的产量，生成第二产量柱形图，确定发酵培养基的目标氮源；

7、步骤4：在基础培养基中分别加入不同浓度的目标氮源后发酵红曲霉，测量基础培养基中目标产物的产量，生成第二产量曲线，确定目标氮源的第二目标浓度；

8、步骤5：确定影响红曲霉发酵的至少两个基础因子并生成因子集合，根据第一目标浓度的目标碳源和第二目标浓度的目标氮源制备发酵培养基；

9、步骤6：在发酵培养基中发酵红曲霉，根据单因素实验得出基础因子的高水平值和低水平值，从因子集合中筛选核心因子并生成核心因子集合，确定核心因子集合的组合高水平值；

10、步骤7：控制多组发酵培养基保持核心因子的组合高水平值，发酵培养基进行不同时间的发酵红曲霉，生成红曲霉生长曲线、目标产物产量曲线、底物消耗曲线；

11、步骤8：拟合红曲霉生长曲线、目标产物产量曲线、底物消耗曲线，得出红曲霉生长函数、目标产物产量函数、底物消耗函数；

12、步骤9：根据红曲霉生长函数得出第一时间，根据目标产物产量函数得出第二时间，根据第一时间、第二时间和底物消耗函数确定发酵培养基的底物添加函数；

13、步骤10：根据目标碳源、第一目标浓度、目标氮源、第二目标浓度、核心因子的组合高水平值和底物添加函数输出红曲霉的发酵参数。

14、在本发明中，在步骤1中，种子培养液的ph为6.0，种子培养液包括：1克/升的酵母膏、1克/升的k2hpo4、0.01克/升的mgso4·7h2o、0.01克/升的feso4·7h2o，碳源的种类包括葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉、甘油、乳糖。

15、在本发明中，在步骤2中，目标产物为莫纳可林，最高目标产物的产量所对应的目标碳源的浓度为第一目标浓度。

16、在本发明中，在步骤3中，氮源的种类包括蛋白胨、谷氨酸钠、酵母粉、黄豆粉，最高目标产物的产量所对应的氮源为目标氮源。

17、在本发明中，在步骤5中，因子集合包括初始ph、温度、接种量、溶氧量、培养时间。

18、在本发明中，在步骤7中，发酵红曲霉时，保持核心因子之外的基础因子处于高水平值。

19、在本发明中，在步骤8中，红曲霉生长函数，x为生物量，x0为单位生物量，t为发酵天数，目标产物产量函数，p为目标产物的产量，p0为单位产量，c1为第一常数，底物消耗函数，s为剩余底物的含量，s0为单位含量，c2为第二常数。

20、在本发明中，在步骤9中，底物添加函数a(t)=s(t)-s(t+δt)，a为底物添加量，δt为底物添加周期，t1<t<t2，t1为第一时间，t2为第二时间，第一时间为红曲霉生长函数的生物量达到最大值时的最小发酵天数，第二时间为目标产物产量函数的目标产物的产量达到最大值时的最小发酵天数。

21、一种根据所述红曲霉的发酵工艺优化方法的装置，包括：种子培养液、三角瓶、基础培养基、发酵培养基、立式压力灭菌器、生物传感仪、高效液相色谱仪、ph计，其中，

22、种子培养液用于制备基础培养基；

23、三角瓶用于盛放种子培养液；

24、基础培养基、发酵培养基用于发酵红曲霉；

25、立式压力灭菌器用于对基础培养基和发酵培养基灭菌；

26、生物传感仪用于测量发酵培养基中剩余底物的含量；

27、高效液相色谱仪测量基础培养基和发酵培养基中目标产物的产量；

28、ph计用于测量基础培养基和发酵培养基中的ph。

29、一种红曲霉发酵方法，包括以下步骤：

30、步骤100：根据所述红曲霉的发酵工艺优化方法得到红曲霉的发酵参数；

31、步骤200：根据发酵参数制备发酵培养基，按照发酵参数控制发酵培养基发酵红曲霉，按照发酵参数在发酵培养基中添加底物；

32、步骤300：从发酵培养基中收集目标产物。

33、实施本发明的这种红曲霉的发酵工艺优化方法、装置及红曲霉发酵方法，具有以下有益效果：本发明通过基础培养基对红曲霉进行发酵实验寻找合适的目标碳源和目标氮源，以及目标碳源的第一目标浓度和目标氮源的第二目标浓度。通过发酵培养基发酵红曲霉，筛选出核心因子集合，根据核心因子集合、核心因子的高水平值设计最陡爬坡实验确定核心因子集合的组合高水平值。通过控制发酵培养基的核心因子保持组合高水平值，对红曲霉进行不同时间的发酵，生成红曲霉生长曲线、目标产物产量曲线、底物消耗曲线。对所述曲线进行拟合得出红曲霉生长函数、目标产物产量函数和底物消耗函数。根据红曲霉生长函数、目标产物产量函数和底物消耗函数确定发酵培养基每天的底物添加函数，保证发酵培养基中的红曲霉能有足够的营养物质进行发酵、生产目标产物，同时避免营养物质过多而使红曲霉进一步繁殖影响目标产物的生产。