發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基課件

1、3.1 發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的基本要求必須提供合成M細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分有利于提高單位營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率有利于提高產(chǎn)物的濃度有利于提高產(chǎn)物的合成速度盡量減少副產(chǎn)物的形成原料價(jià)格低廉、來源廣泛、質(zhì)量穩(wěn)定盡可能減少對(duì)發(fā)酵中通氣攪拌和氧傳遞的影響盡可能減少產(chǎn)生工業(yè)三廢物質(zhì)第1頁/共31頁3.2 發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的成分和來源 基本營養(yǎng)源 成分 水 生長調(diào)節(jié)物質(zhì)第2頁/共31頁一、基本營養(yǎng)源 1、碳源： 凡可提供微生物菌種的生長繁殖所需的能源及合成菌體和產(chǎn)物所必需的碳骨架成分的營養(yǎng)物質(zhì)。 常用的碳源有： 糖類、油脂、有機(jī)酸和低碳醇等第3頁/共31頁（1）糖類 糖類是最廣泛的碳源，主要有、糖蜜、淀粉單糖：如G，

2、所有的微生物都能利用G（速效碳源），但過多的G會(huì)存在G分解阻 遏效應(yīng)。二糖：蔗糖、麥芽糖、乳糖 多糖：糊精、淀粉、纖維素等。不能直接被M利用，需先水解成小分子糖蜜：制糖生產(chǎn)時(shí)的結(jié)晶母液，它是制糖工業(yè)的副產(chǎn)物，主要含蔗糖，雜質(zhì)較多第4頁/共31頁（）油脂類：各種動(dòng)、植物油能利用這類碳源的M一般都有比較活躍的脂肪酶。M利用這類碳源時(shí)所消耗的溶解氧會(huì)增加，當(dāng)供氧不足時(shí)，大量的脂肪酸和有機(jī)酸中間體積累，會(huì)引起pH下降。常用的油脂類有：豆油、菜籽油、棉籽油、魚油、豬油等。第5頁/共31頁（）有機(jī)酸 有機(jī)酸的利用常會(huì)引起發(fā)酵體系pH上升，尤其是有機(jī)酸鹽氧化時(shí)，常伴隨有堿性物質(zhì)的產(chǎn)生，使pH進(jìn)一步上升。常用

3、的有機(jī)酸有：乳酸、醋酸、檸檬酸等。（）烴和低碳醇類 正烷烴以用于有機(jī)酸、氨基酸、抗生素、維生素和酶制劑發(fā)酵中，甘油也常用作抗生素生產(chǎn)和甾體轉(zhuǎn)化的碳源。第6頁/共31頁、氮源：凡可構(gòu)成細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中氮素來源的物質(zhì)。常用的氮源分兩大類：有機(jī)氮源和無機(jī)氮源。 （）無機(jī)氮源種類：氨鹽、硝酸鹽和氨水特點(diǎn)：微生物對(duì)它們的吸收快，所以也稱之謂速效氮源。但無機(jī)氮源的迅速利用會(huì)引起pH的變化(NH4)2SO4 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 NH3 + 2H2O + NaOH 第7頁/共31頁無機(jī)氮源被菌體利用后，培養(yǎng)液中就留下了酸性或堿性物質(zhì)，這種經(jīng)微生物生理作用后能形成酸性物質(zhì)的無機(jī)氮

4、源叫生理酸性物質(zhì)，如硫酸胺，若菌體代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的則此種無機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)，如硝酸鈉。正確使用生理酸堿性物質(zhì)，對(duì)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程的pH有積極作用。 第8頁/共31頁（）有機(jī)氮源來源：工業(yè)上常用的有機(jī)氮源都是一些廉價(jià)的原料，花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、尿素、廢菌絲體和酒糟有機(jī)氮源成分復(fù)雜，除提供豐富的Pr.、aa.外，還含糖類、脂肪、無機(jī)鹽及生長因子。由于有機(jī)氮源營養(yǎng)豐富，M在含有機(jī)氮源的培養(yǎng)基中表現(xiàn)出生長旺盛、菌絲濃度迅速增加等特點(diǎn)。第9頁/共31頁、無機(jī)鹽及微量元素這類物質(zhì)一般在低濃度時(shí)對(duì)M生長和產(chǎn)物合成有促進(jìn)作用，但在高濃度

5、時(shí)常表現(xiàn)出明顯的抑制作用。二、水 微生物細(xì)胞的含水量約占細(xì)胞鮮重的 7090%。第10頁/共31頁水對(duì)微生物的生理作用： 起到溶劑與運(yùn)輸介質(zhì)的作用，營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與代謝產(chǎn)物的分泌以水為介質(zhì)才能完成參與細(xì)胞內(nèi)一系列生化反應(yīng)維持蛋白質(zhì)等生物大分子穩(wěn)定的天然構(gòu)象 水的比熱高，熱的傳導(dǎo)性好，能有效地吸收代謝過程中放出的熱，并將吸收的熱散發(fā)出去，避免導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)溫度陡然升高； 維持細(xì)胞的正常形態(tài)M通過水合和脫水作用控制由多亞基組成的結(jié)構(gòu)。第11頁/共31頁三、生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、生長因子M自身不能合成但生長不可缺少的微量有機(jī)物質(zhì)。有機(jī)氮源是這些生長因子的重要來源，多數(shù)有機(jī)氮源含有一些M生長不可缺少的生長因子。、

6、前體前體指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接彼微生物在生物合成過程中合成到產(chǎn)物物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較大的提高。第12頁/共31頁青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136前體使用時(shí)普遍采用流加的方法。前體一般都有毒性，濃度過大對(duì)菌體的生長不利；前體相對(duì)價(jià)格較高，添加過多，容易引起揮發(fā)和氧化，流加也有利于提高前體的轉(zhuǎn)化率第13頁/共31頁、產(chǎn)物合成促進(jìn)劑和抑制劑指那些非細(xì)胞生長所必須的營養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。 它們通過促進(jìn)或抑制某一反應(yīng)途徑來調(diào)節(jié)微生物的代謝，使生化反應(yīng)途徑集中在目標(biāo)產(chǎn)物的形成上，從而提高產(chǎn)量和質(zhì)量。第1

7、4頁/共31頁M的培養(yǎng)基類型合成培養(yǎng)基按組成分天然培養(yǎng)基半合成培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基按物理狀態(tài)分液體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基孢子培養(yǎng)基按用途分種子培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基第15頁/共31頁1、孢子培養(yǎng)基（也稱為斜面培養(yǎng)基）用途：供微生物生長繁殖孢子或保藏菌種之用， 提供細(xì)胞生長繁殖所需的各類營養(yǎng)物質(zhì)。措施：培養(yǎng)基營養(yǎng)不能太豐富，碳、氮源不宜 過多，否則易長菌絲而少產(chǎn)孢子。 無機(jī)鹽濃度應(yīng)適量，否則影響孢子的顏 色和數(shù)量。 注意培養(yǎng)基的pH和濕度，并供給必要 的生長因子和微量元素。生產(chǎn)上常用的有：麩皮培養(yǎng)基、大米培養(yǎng)基等第16頁/共31頁2、種子培養(yǎng)基用途：供孢子發(fā)芽、生長和繁殖大量菌絲體， 并使菌絲長得粗壯，成為活

8、力強(qiáng)的種子。措施：有較完全和豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，特別是 充足的氮源和生長因子。 碳源和氮源應(yīng)提供一些易于利用的成 分。 各種營養(yǎng)物濃度不必太高，有利于溶 氧，且最后一級(jí)種子培養(yǎng)基的成分應(yīng)較 接近發(fā)酵培養(yǎng)基，以便種子進(jìn)入發(fā)酵罐 后能迅速適應(yīng)環(huán)境。第17頁/共31頁3、發(fā)酵培養(yǎng)基用途：供菌體生長、繁殖和合成大量產(chǎn)物。措施： 碳氮源速效和遲效相互搭配，多用 遲效少用速效 合適的碳氮比，加緩沖劑穩(wěn)定pH 添加菌體生長所必需的生長因子和 產(chǎn)物合成所需的前體、促進(jìn)劑和抑 制基等。第18頁/共31頁3.4發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與優(yōu)化3.4.1、發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)原理一般來講，培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)首先是確定培養(yǎng)基的組成成分，然后

9、再?zèng)Q定各組分之間的最佳配比。（）菌體的同化能力（）培養(yǎng)基對(duì)菌體代謝的阻遏與誘導(dǎo)的影響（）合適的碳氮比（）合適的pH第19頁/共31頁3.4.2、發(fā)酵培養(yǎng)基的優(yōu)化方法培養(yǎng)基設(shè)計(jì)與優(yōu)化一般都要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟： 根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)基成分確定時(shí)必須考慮的一些問題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分； 通過單因子實(shí)驗(yàn)確定最適的各培養(yǎng)基組分和最適濃度； 最后通過多因子實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化培養(yǎng)基的各種成分及其濃度。第20頁/共31頁初步確定可能的培養(yǎng)基組分單因子實(shí)驗(yàn)確定最適培養(yǎng)基組分及濃度多因子實(shí)驗(yàn)（正交）進(jìn)一步優(yōu)化第21頁/共31頁第5章 發(fā)酵工業(yè)的種子制備 種子制備：也稱為種子的擴(kuò)大培養(yǎng)，是指將保存在砂土管、冷凍

10、干燥管中處休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)，最終獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種過程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。第22頁/共31頁一、種子擴(kuò)培的目的： 接種量的需要 菌種的馴化 縮短發(fā)酵時(shí)間、保證生產(chǎn)水平二、種子的質(zhì)量要求： 總量及濃度能滿足要求 生理狀況穩(wěn)定 活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵后，能夠迅速生長 無雜菌污染第23頁/共31頁三、 種子制備的過程實(shí)驗(yàn)室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)箱、搖床等實(shí)驗(yàn)室常見設(shè)備，在工廠這些培養(yǎng)過程一般都在菌種室完成，因此形象地將這些培養(yǎng)過程稱為實(shí)驗(yàn)室種子制備階段。第24頁/共31頁生產(chǎn)車間階段：種子培養(yǎng)在種子罐里面進(jìn)行，一般在工廠歸

11、為發(fā)酵車間管理，因此形象地稱這些培養(yǎng)過程為生產(chǎn)車間階段。1、實(shí)驗(yàn)室階段目的：種子擴(kuò)培到一定的量和質(zhì)，根據(jù)菌種的特點(diǎn)最終的培養(yǎng)物可分為兩類： 對(duì)于不產(chǎn)芽孢和孢子的微生物，實(shí)驗(yàn)室階段的種子擴(kuò)培最終是獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的菌體，如谷氨酸的種子培養(yǎng)。第25頁/共31頁 對(duì)于產(chǎn)孢子的微生物，獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的孢子。培養(yǎng)基選擇的原則： 培養(yǎng)基的選擇應(yīng)該是有利于菌體或孢子的生長。 在原料方面，實(shí)驗(yàn)室種子培養(yǎng)階段，規(guī)模一般比較小，因此為了保證培養(yǎng)基的質(zhì)量，培養(yǎng)基的原料一般都比較精細(xì)。第26頁/共31頁2、生產(chǎn)車間階段 在生產(chǎn)車間階段，最終一般都是獲得一定數(shù)量的菌絲體。 目的： 縮短發(fā)酵時(shí)間 有利于獲得好的發(fā)酵結(jié)果第27頁/共31頁培養(yǎng)基選擇的原則 為獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的菌體，因此培養(yǎng)基的選擇應(yīng)首先考慮的是有利于孢子的發(fā)育和菌體的生長，所以營養(yǎng)要比發(fā)酵培養(yǎng)基豐富。在原料方面：不如實(shí)驗(yàn)室階段那么精細(xì)，而是基本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基，這有兩個(gè)方面的原因: 一是成本 二是馴化第28頁/共31頁3、發(fā)酵級(jí)數(shù)的確定谷氨酸：三級(jí)發(fā)酵一級(jí)種子（搖瓶）二級(jí)種子 （小罐）發(fā)酵青霉素：三級(jí)發(fā)酵一級(jí)種子 （小罐）二級(jí)種子（中罐）發(fā)酵 一般由菌絲體培養(yǎng)開始計(jì)算發(fā)酵級(jí)數(shù)，但