Flavobacterium sp. M1-14发酵生产VK2过程的温度与kLα控制策略

摘要: 维生素K2（VK2）是一系列具有异戊二烯侧链的甲萘醌类化合物，根据侧链长短不同，以MK-n表示。高活性VK2主要由微生物合成，具有防治骨质疏松症、出血症、肝硬化及帕金森症等疾病的生理功能。黄杆菌是其重要生产菌株，可合成包括MK4，MK5和MK6多种VK2同系物。 我们发现通过调控发酵温度，可以控制黄杆菌合成VK2的同系物类型和产量。在20~37℃范围内，25℃时Flavobacterium sp. M1-14生长最好，生物量达到8.8 g/L，但发酵产物完全是MK6，产量为13.9 mg/L，单位菌体产量1.6 mg/g。当发酵温度高于30℃，黄杆菌可同时合成MK4、MK5和MK6。37℃时，MK4和MK5产量最高，分别为1.6mg/L和1.7mg/L，VK2总量12.5 mg/L，但此时生物量仅5.5g/L，单位菌体产量为2.3mg/g。针对黄杆菌菌体生长和VK2同系物合成的最适温度差异，考虑采用变温发酵提高生物量和VK2产量。经多因素优化后，我们开发出先低温后高温的两段式变温策略，即25℃先发酵48小时，之后转为37℃继续发酵96小时，VK2产量达到20.9 mg/L（其中MK4为2.1 mg/L，MK5为2.3 mg/L、MK6为16.5mg/L），生物量为8.8g/L，单位菌体产量2.4mg/g。 继而，在30L发酵罐上，我们通过控制通气量和转速，考察了不同温度发酵对氧需求情况。发现在25℃和37℃时，黄杆菌发酵合成VK2的最佳kLa分别为360 h-1和60 h-1。针对变温发酵过程中菌体对氧需求的变化，我们开发了两阶段变kLa控制策略。优化后在变温发酵前期24小时kLa为360 h-1，之后120小时kLa 为60 h-1，VK2产量达到28.7 mg/L，（其中MK4为2.8mg/L，MK5为3.4 mg/L、MK6为22.5 mg/L），较起始提高了107%，生物量为15.5 g/L，单位菌体产量1.9 mg/g。 通过变温变kLa分阶段发酵调控策略，可以改变黄杆菌合成VK2的同系物类型，明显提高VK2产量，为实现VK2生物制备的工业化奠定了优化的基础。