发酵工业培养基..ppt

第3章 发酵工业培养基设计 • 培养基：人工配制的供M或动植物细胞 生长、繁殖、代谢和合成人们 所需产物的营养物质和原料 3.1 发酵工业培养基的基本要求 ①必须提供合成M细胞和发酵产物的基本成分 ②有利于提高单位营养物质的转化率 ③有利于提高产物的浓度 ④有利于提高产物的合成速度 ⑤尽量减少副产物的形成 ⑥原料价格低廉、来源广泛、质量稳定 ⑦尽可能减少对发酵中通气搅拌和氧传递的影响 ⑧尽可能减少产生工业三废物质 3.2 发酵工业培养基的成分和来源 ①基本营养源 成分 ②水 ③生长调节物质 一、基本营养源 1、碳源： 凡可提供微生物菌种的生长繁殖所需的 能源及合成菌体和产物所必需的碳骨架成分 的营养物质 常用的碳源有： 糖类、油脂、有机酸和低碳醇等 （1）糖类 糖类是最广泛的碳源，主要有Ｇ、糖蜜、淀 粉 ①单糖：如G，所有的微生物都能利用G（速 效碳源），但过多的G会存在G分解阻 遏效应 ②二糖：蔗糖、麦芽糖、乳糖 ③多糖：糊精、淀粉、纤维素等不能直接被 M利用，需先水解成小分子 ④糖蜜：制糖生产时的结晶母液，它是制糖工 业的副产物，主要含蔗糖，杂质较多 （２）油脂类： 各种动、植物油 能利用这类碳源的M一般都有比较活 跃的脂肪酶。

M利用这类碳源时所消耗的溶 解氧会增加，当供氧不足时，大量的脂肪 酸和有机酸中间体积累，会引起pH下降 常用的油脂类有：豆油、菜籽油、棉 籽油、鱼油、猪油等 （３）有机酸 有机酸的利用常会引起发酵体系pH上升 ，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随有碱性物 质的产生，使pH进一步上升 常用的有机酸有：乳酸、醋酸、柠檬酸 等 如以醋酸盐为碳源时，反应如下： CH3COONa + 2O2  2CO2 + H2O + NaOH （４）烃和低碳醇类 正烷烃以用于有机酸、氨基酸、抗生 素、维生素和酶制剂发酵中，甘油也常用 作抗生素生产和甾体转化的碳源 ２、氮源：凡可构成Ｍ细胞和代谢产物中氮素 来源的物质 常用的氮源分两大类：有机氮源和无机氮源 （１）无机氮源 种类：氨盐、硝酸盐和氨水 特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓速 效氮源但无机氮源的迅速利用会引起pH 的变化 (NH4)2SO4 → 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 → NH3 + 2H2O + NaOH 无机氮源被菌体利用后，培养液 中就留下了酸性或碱性物质，这种经微 生物生理作用后能形成酸性物质的无机 氮源叫生理酸性物质，如硫酸胺，若菌 体代谢后能产生碱性物质的则此种无机 氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。

正 确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节 发酵过程的pH有积极作用 （２）有机氮源 来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉 价的原料，花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、 玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉 、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟 ◇玉米浆是用亚硫酸浸泡玉米而得的浸泡液的浓缩 液，也是玉米淀粉生产的副产品 ◇ 虽然主要用作氮源，但它含有丰富的氨基酸、核 酸、维生素、无机盐等，常用作为提供生长因子的 物质 有机氮源成分复杂，除提供丰富的蛋白质 、氨基酸外，还含糖类、脂肪、无机盐及生 长因子由于有机氮源营养丰富，M在含有 机氮源的培养基中表现出生长旺盛、菌丝浓 度迅速增加等特点 ３、无机盐及微量元素 这类物质一般在低浓度时对M生长和产 物合成有促进作用，但在高浓度时常表现出 明显的抑制作用 二、水 微生物细胞的含水量约占细胞鲜重的 70～90% 水对微生物的生理作用： ①起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸 收与代谢产物的分泌以水为介质才能完成 ②参与细胞内一系列生化反应 ③维持蛋白质等生物大分子稳定的天然构象 ④水的比热高，热的传导性好，能有效地吸收 代谢过程中放出的热，并将吸收的热散发出去 ，避免导致细胞内温度陡然升高； ⑤维持细胞的正常形态 ⑥M通过水合和脱水作用控制由多亚基组成的结 构。

 对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关 重要的，因为在不同水源中存在的各种因 素对微生物发酵代谢影响甚大，特别是水 中的矿物质组成对酿酒工业和淀粉糖化影 响甚大  水源质量的主要参数包括pH值、溶解氧 、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成 和含量 三、生长调节物质 １、生长因子 M自身不能合成但生长不可缺少的微量有 机物质有机氮源是这些生长因子的重要来源， 多数有机氮源含有一些M生长不可缺少的生长因 子 ２、前体 指某些化合物加入到发酵培养基中，能直 接被微生物在生物合成过程中合成到产物分子中 去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物 的产量却因加入前体而有较大的提高 青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136 前体使用时普遍采用流加的方法 前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生 长不利；前体相对价格较高，添加过多，容易 引起挥发和氧化；流加也有利于提高前体的转 化率 ３、产物合成促进剂和抑制剂 指那些非细胞生长所必须的营养物， 又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂 它们通过促进或抑制某一反应途径来调 节微生物的代谢，使生化反应途径集中在目 标产物的形成上，从而提高产量和质量  促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是 多方面的。

 各种促进剂的效果除受菌种、菌龄的影响外，还与 所用的培养基组成有关，即使是同一种促进剂，用同 一菌株，生产同一产物，在使用不同的培养基时效果 也会不一样 如在酶制剂生产中，有些促进剂本身是酶的诱导物； 有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善 细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产，也有人认 为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用；有些促进 剂的作用是沉淀或鳌合有害的金属离子 例如 ◇ 巴比妥可增加链霉素产生菌的抗自溶能力 ，推迟自溶时间，增加链霉素积累 ◇ 谷氨酸棒杆菌生产赖氨酸时，加入红霉素 可提高产量25%以上 如酵母厌氧发酵中加入亚硫酸盐或碱类，可 以使酒精发酵受到抑制，而转入甘油发酵 ３．３ M的培养基类型 ①合成培养基 按组成分 ②天然培养基 ③半合成培养基 ①固体培养基 按物理状态分 ②液体培养基 ③半固体培养基 ①孢子培养基 按用途分 ②种子培养基 ③发酵培养基 1、孢子培养基（也称为斜面培养基） 用途：供微生物生长繁殖孢子或保藏菌种之用， 提供细胞生长繁殖所需的各类营养物质 措施：①培养基营养不能太丰富，碳、氮源不宜 过多，否则易长菌丝而少产孢子 ②无机盐浓度应适量，否则影响孢子的颜 色和数量。

③ 注意培养基的pH和湿度，并供给必要 的生长因子和微量元素 生产上常用的有：麸皮培养基、大米培养基等 2、种子培养基 用途：供孢子发芽、生长和繁殖大量菌丝体， 并使菌丝长得粗壮，成为活力强的种子 措施：①有较完全和丰富的营养物质，特别是 充足的氮源和生长因子 ②碳源和氮源应提供一些易于利用的成 分 ③各种营养物浓度不必太高，有利于溶 氧，且最后一级种子培养基的成分应较 接近发酵培养基，以便种子进入发酵罐 后能迅速适应环境 3、发酵培养基 用途：供菌体生长、繁殖和合成大量产物 措施： ①碳氮源速效和迟效相互搭配，多用 迟效少用速效 ②合适的碳氮比，加缓冲剂稳定pH ③添加菌体生长所必需的生长因子和 产物合成所需的前体、促进剂和抑 制基等 3.4 发酵培养基的设计与优化 3.4.1、发酵培养基的设计原理 一般来讲，培养基的设计首先是确定培 养基的组成成分，然后再决定各组分之间的最 佳配比 （１）菌体的同化能力 （２）培养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响 （３）合适的碳氮比 （４）合适的pH 3.4.2、发酵培养基的优化方法 培养基设计与优化一般都要经过以下几个 步骤： ① 根据前人的经验和培养基成分确定时必须考 虑的一些问题，初步确定可能的培养基成 分 ； ② 通过单因子实验确定最适的各培养基组分和 最适浓度； ③ 最后通过多因子实验，进一步优化培养基的 各种成分及其浓度。

初步确定可能的培养基组分 单因子实验确定最适培养基组分及浓度 多因子实验（正交）进一步优化 第5章 发酵工业的种子制备 种子制备：也称为种子的扩大培养，是 指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状 态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过 扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养，最终获 得一定数量和质量的纯种过程这些纯种培 养物称为种子 一、种子扩培的目的： Ø 接种量的需要 Ø 菌种的驯化 Ø 缩短发酵时间、保证生产水平 二、种子的质量要求： Ø 总量及浓度能满足要求 Ø 生理状况稳定 Ø 活力强，移种至发酵后，能够迅速生长 Ø 无杂菌污染 三、 种子制备的过程 实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养 箱、摇床等实验室常见设备，在工厂这些培养 过程一般都在菌种室完成，因此形象地将这些 培养过程称为实验室种子制备阶段 生产车间阶段：种子培养在种子罐里面进 行，一般在工厂归为发酵车间管理，因此形 象地称这些培养过程为生产车间阶段 1、实验室阶段 Ø 目的：种子扩培到一定的量和质，根据菌种 的特点最终的培养物可分为两类： 对于不产芽孢和孢子的微生物，实验室阶 段的种子扩培最终是获得一定数量和质量的菌 体，如谷氨酸的种子培养。

对于产孢子的微生物，获得一定数量和 质量的孢子 培养基选择的原则： Ø 培养基的选择应该是有利于菌体或孢子 的生长 Ø 在原料方面，实验室种子培养阶段，规 模一般比较小，因此为了保证培养基的质量 ，培养基的原料一般都比较精细 2、生产车间阶段 在生产车间阶段，最终一般都是获得一 定数量的菌丝体 目的： Ø 缩短发酵时间 Ø 有利于获得好的发酵结果 培养基选择的原则 为获得一定数量和质量的菌体，因此 培养基的选择应首先考虑的是有利于孢子 的发育和菌体的生长，所以营养要比发酵 培养基丰富 在原料方面：不如实验室阶段那么精细，而 是基本接近于发酵培养基，这有两个方面的 原因: 一是成本 二是驯化 3、发酵级数的确定 谷氨酸：二级发酵 摇瓶种子 → 一级种子（小罐）→发酵 青霉素：三级发酵 一级种子 （小罐）→二级种子（中罐）→发酵 一般由菌丝体培养开始计算发酵级数， 但有时，工厂从第一级种子罐开始计算发酵级 数，如： 发酵级数确定的依据 Ø级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量 的影响 ü级数大，难控制、易染菌、易变异，管 理困难，一般2-4级 二、影响种子质量的主要因素 1、培养基：质量、营养成分 2、培养条件：pH、T、通气和搅拌等 3、种龄和接种量 4、种子罐的级数 5、斜面冷藏时间 6、染菌 。