發(fā)酵培養(yǎng)基論文

1、發(fā)酵培養(yǎng)基摘 要：培養(yǎng)基是供微生物生長(zhǎng)繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物所 需要的按、一定比例配制的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的混合物。培養(yǎng)基組成 對(duì)菌體生長(zhǎng)繁殖、產(chǎn)物的生物合成、產(chǎn)品的分離精制乃至產(chǎn)品的 質(zhì)量和產(chǎn)量都有著重要的影響。微生物的營(yíng)養(yǎng)活動(dòng)是依靠向外界 分泌大量的酶，將周圍環(huán)境中大分子蛋白質(zhì)、糖類、脂肪等營(yíng)養(yǎng) 物質(zhì)分解成小分子化合物，借助細(xì)胞膜的滲透作用，吸收這些小 分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)中選擇的培養(yǎng)基俗稱發(fā)酵培養(yǎng)基， 一個(gè)適于大規(guī)模發(fā)酵的培養(yǎng)基應(yīng)該具有共同的特點(diǎn)：培養(yǎng)基中營(yíng) 養(yǎng)成分的含量和組成能夠滿足菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的需求；發(fā)酵 副產(chǎn)物盡可能地少；培養(yǎng)基原料價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，資源豐富， 便于運(yùn)輸

2、和采購(gòu)；培養(yǎng)基的選擇應(yīng)能滿足總體工藝的要求。 關(guān)鍵詞：發(fā)酵培養(yǎng)基選擇依據(jù) 成分選擇原則 培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與優(yōu) 化正 文：發(fā)酵培養(yǎng)基是供菌種生長(zhǎng)、繁殖和合成產(chǎn)物之用。它既 要使種子接種后能迅速生長(zhǎng)，達(dá)到一定的菌絲濃度，又要使長(zhǎng)好 的菌體能迅速合成需產(chǎn)物。因此，發(fā)酵培養(yǎng)基的組成除有菌體生 長(zhǎng)所必需的元素和化合物外，還要有產(chǎn)物所需的特定元素、前體 和促進(jìn)劑等。但若因生長(zhǎng)和生物合成產(chǎn)物需要的總的碳源、氮源、 磷源等的濃度太高，或生長(zhǎng)和合成兩階段各需的最佳條件要求不 同時(shí)，則可考慮培養(yǎng)基用分批補(bǔ)料來(lái)加以滿足。培養(yǎng)基成分和配比的選擇培養(yǎng)基的組分（包括這些組分的 來(lái)源和加工方法）、配比、緩沖能力，粘度，消毒是否

3、易徹底， 消毒后營(yíng)養(yǎng)破壞程度，及原料中雜質(zhì)的含量都對(duì)菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn) 物形成有影響。但目前還不能完全從生化反應(yīng)的基本原理來(lái)推斷 和計(jì)算出適合某一菌種的培養(yǎng)基配方。目前還只能是在生物化學(xué) 細(xì)胞生物學(xué)等的基本理論指導(dǎo)下，參照前人所使用的較適合于某 一類菌種的經(jīng)驗(yàn)配方，再結(jié)合所用菌種和產(chǎn)品的特性，采用搖瓶、 玻璃罐等小型發(fā)酵設(shè)備，對(duì)碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽和前體等進(jìn)行逐 個(gè)單因子試驗(yàn)，觀察這些因子對(duì)菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成量的影響。 最后再綜合考慮各因素的影響，得到一個(gè)比較適合本菌種的生產(chǎn) 配方，以求得到高產(chǎn)。為了加快試驗(yàn)時(shí)間，可考慮用“正式試驗(yàn) 設(shè)計(jì)”等數(shù)學(xué)方法來(lái)確定培養(yǎng)基組分和濃度，它可以通過(guò)比較少 的實(shí)驗(yàn)次

4、數(shù)而得到較滿意的結(jié)果。另外還可通過(guò)方差分析，了解 哪個(gè)因素影響較大，以引起人們的注意。在考慮培養(yǎng)基總體要求 時(shí)，要注意一些問(wèn)題。第一，考慮碳源，氮源要注意快速利用的 碳（氮）源和慢速利用的碳（氮）源的相互配合，發(fā)揮各自的優(yōu) 勢(shì)，避其所短。第二，選用適當(dāng)?shù)奶嫉?。培養(yǎng)基中氮比的影響 極為明顯。氮源過(guò)多，會(huì)使菌體生長(zhǎng)過(guò)于旺盛，pH偏高，不利 于代謝產(chǎn)物的積累，氮源不足，則菌體繁殖量少，從而影響產(chǎn)量， 碳源過(guò)多，則容易形成較低的pH,若碳源不足，易引起菌體衰 老和自溶。另外碳氮比不當(dāng)還會(huì)影響菌體按比例地吸收營(yíng)養(yǎng)物 質(zhì)，直接影響菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成。菌體在不同的生長(zhǎng)階段，其對(duì)碳氮比的要求也不一樣。一

5、 般碳源由于既作碳架又作能源，因此用量要比氮多。從元素分析 來(lái)看，酵母菌細(xì)胞中碳氮比約為 100：20，霉菌約為 100：10； 般工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的碳氮比約為 100：0.22.0；但在氨基酸發(fā) 酵中，因?yàn)楫a(chǎn)物中含氮多，所以碳氮比就要相對(duì)高一些。例如谷 氨酸生產(chǎn)中取碳氮比 100：1521，若碳氮比為100：0.52.0， 則會(huì)出現(xiàn)只長(zhǎng)菌體，而幾乎不合成谷氨酸的現(xiàn)象。碳氮比隨碳水 化合物及氮源的種類以及通氣攪拌等條件而異，很難確定一個(gè)統(tǒng) 一的比值。第三，要注意生理酸、堿性鹽和 pH 緩沖劑的加入和 搭配。這是根據(jù)該菌種在現(xiàn)有工藝設(shè)備條件下，其生長(zhǎng)合成產(chǎn)物 時(shí) pH 變化情況，以及最適 pH 控

6、制范圍等，綜合考慮選用什么生 理酸堿性物質(zhì)及其用量，從而保證在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中 pH 都能維 持在最佳狀態(tài)（有時(shí)也可考慮用中間補(bǔ)料來(lái)控制pH）。培養(yǎng)基 成分的用量的多少，大部分是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而來(lái)。但有些主要代謝的 產(chǎn)物因?yàn)樗鼈兊拇x途徑比較清楚，所以可以根據(jù)物料平衡計(jì)算 來(lái)加以確定，例如在酒精生產(chǎn)中可根據(jù)淀粉的用量計(jì)算酒精的理 論產(chǎn)率。從上式可計(jì)算出青霉素 G 的理論得率為每克葡萄糖 1.1 克青霉素G。在確定培養(yǎng)基中碳源數(shù)量時(shí)，還要考慮用于菌體生 長(zhǎng)和維持所需的消耗。在選擇培養(yǎng)基所用的有機(jī)氮源時(shí)，特別要 注意原料的來(lái)源、加工方法和有效成分的含量。有機(jī)氮源大部分 為農(nóng)副產(chǎn)品，其中所含的成分受產(chǎn)地、加

7、工、貯藏等的影響較大， 常會(huì)引起產(chǎn)量的波動(dòng)。例如黃豆餅粉、花生餅粉、棉子餅粉等， 它們的產(chǎn)地不同有機(jī)氮的成分和含量也不同，東北大豆含胱氨酸 和蛋氨酸的量比華北、江南產(chǎn)的黃豆含量高，有利于鏈霉素的生 產(chǎn)。又如豆餅粉加工有熱榨和冷榨兩種，它們對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量 影響就各不相同。在醬油生產(chǎn)中采用熱榨豆餅較好，因?yàn)闊嵴ザ?餅中水分含量少，蛋白質(zhì)含量高，易破碎且使用方便。而鏈霉素 生產(chǎn)卻以冷榨豆餅為宜。低溫貯藏可延長(zhǎng)貯存期，若于室溫存放， 尤其是夏天，豆餅中的油酯等易氧化變質(zhì)，影響微生物生物合成。 發(fā)霉變質(zhì)的餅粉對(duì)產(chǎn)量也有明顯影響。國(guó)外為了穩(wěn)定生產(chǎn)，把棉 籽餅粉加工制得成分穩(wěn)定的商品藥用培養(yǎng)基，已用于青霉

8、素等發(fā) 酵生產(chǎn)。即使同種工藝不同產(chǎn)地的甘蔗（土質(zhì)、氣候）和存放期 不同都影響糖蜜的質(zhì)量，所以它的有效成分波動(dòng)甚大。用甜菜制 作的糖蜜，轉(zhuǎn)化糖含量低，PH呈堿性。甘蔗糖蜜轉(zhuǎn)化糖含量， PH 性。還有些發(fā)酵工廠用葡萄糖結(jié)晶后所得的母液作碳源。在 制備培養(yǎng)基時(shí)水質(zhì)的影響也應(yīng)注意，各地區(qū)的深井水和自來(lái)水的 質(zhì)量有很大差別。其中微量元素的含量，對(duì)成分簡(jiǎn)單的孢子培養(yǎng) 基或種子培養(yǎng)基有較大的影響。在制酒或啤酒工業(yè)中更要注意選 擇水瓶、控制水的硬度、含鐵量、含氯量及氨態(tài)、硝酸態(tài)和亞硝 酸態(tài)的氮含量，一般常用電滲析或離子交換樹(shù)脂等進(jìn)行水的純化 國(guó)。培養(yǎng)基的原料在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中用量很大。在選用時(shí)，應(yīng) 盡就近利用

9、較豐富的廉價(jià)原料，設(shè)法降低成本。例如原來(lái)生產(chǎn)賴 氨酸用山芋漃粉，后來(lái)改用山芋粉為碳源，這樣不僅價(jià)廉，而且 山芋粉中還含有生物素、鎂鹽等，當(dāng)培養(yǎng)基改用山芋粉后，就將 可省去原來(lái)要加的玉米漿，硫酸鎂，并且整個(gè)成本降低15%。有 些原料在使用前要進(jìn)行預(yù)處理。如一些谷物或山芋干等農(nóng)產(chǎn)品。 使用前要去除雜草、泥塊、石頭、小鐵丁等雜物以免損壞粉碎機(jī)。 又如要酒精、丙酮、丁醇等的生產(chǎn)中，淀粉原料使用量大，需要 預(yù)先進(jìn)行蒸煮、糊化，使酵母能有效地將其糖化。糊化程度與溫 度、時(shí)間有關(guān)，蒸煮溫度過(guò)低使糊化不充分，影響糖化率；反之， 則會(huì)發(fā)生焦化等情況，影響營(yíng)養(yǎng)成分，甚至產(chǎn)生黑色素等有害物 質(zhì)。為了避免長(zhǎng)時(shí)間的蒸煮

10、，可將大塊干薯加以粉碎過(guò)篩。國(guó)外 生產(chǎn)抗生素用培養(yǎng)基均通過(guò) 200 目篩子。有些谷物如大麥、高粱、 橡子等原料最好先云皮殼，這樣一方面可防止 中有害物和單寧 等帶入發(fā)酵醪（液），影響微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成；另一方面大 量皮殼占去一定體積，降低了設(shè)備的利用率，且堵塞管道，增加 流動(dòng)阻力。在使用糖蜜時(shí)，在必要時(shí)，也要進(jìn)行預(yù)處理。例如在 檸檬酸生產(chǎn)時(shí)，為了去除糖蜜中鐵離子，防止異檸檬酸的產(chǎn)生， 要預(yù)先加入黃血鹽云除鐵離子。在酒精生產(chǎn)或酵母生產(chǎn)中若使用 糖蜜，則需要預(yù)先進(jìn)行稀釋、酸化、滅菌、燈清和添加營(yíng)養(yǎng)鹽等 處理。因?yàn)樘敲壑懈晌镔|(zhì)濃度很大，糖分高、產(chǎn)酸細(xì)菌多，灰分 和膠體物質(zhì)也很多，酵母無(wú)法生長(zhǎng)。 發(fā)

11、酵培養(yǎng)基的選擇依據(jù)：不同的微生物對(duì)培養(yǎng)基的需求不同的，因此，不同微生物培 養(yǎng)過(guò)程對(duì)原料的要求也是不一樣的。因該具體情況具體分析，從 微生物營(yíng)養(yǎng)要求的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝的要求出發(fā)，選擇合適的營(yíng)養(yǎng) 基，使之既能滿足微生物生長(zhǎng)的需要，又能獲得高產(chǎn)品，同時(shí)也 要符合增產(chǎn)節(jié)約，因地制宜的原則。根據(jù)微生物的特點(diǎn)來(lái)選擇培養(yǎng)基，用于大規(guī)模生產(chǎn)的微生物 主要有細(xì)菌、酵母菌、霉菌和放線菌等四大類。它們對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 的要求不盡相同，有共性也有性。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要依據(jù)微生物 的不同特性，來(lái)考慮培養(yǎng)基的組成，對(duì)典型的培養(yǎng)基配方需做必 要的調(diào)整。根據(jù)不同用途選擇培養(yǎng)基，液體培養(yǎng)基，固體培養(yǎng)基有著不 同的用途，也有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺

12、點(diǎn)。在液體培養(yǎng)基中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 以溶質(zhì)狀態(tài)溶解于水中，這樣微生物就能夠更充分接觸和利用營(yíng) 養(yǎng)物質(zhì)，更有利于微生物的生長(zhǎng)和更好的積累代謝產(chǎn)物。而固體 培養(yǎng)基則常用于傳統(tǒng)的白酒生產(chǎn)及部分酶制劑的生產(chǎn)，亦用于微 生物菌種的保藏、分離、菌落特征鑒定、活細(xì)胞數(shù)測(cè)定等反面。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的不同要求選擇培養(yǎng)基，生產(chǎn)過(guò)程 中，由于菌種的保藏、種子的擴(kuò)大培養(yǎng)到發(fā)酵生產(chǎn)等各個(gè)階段的 目的和要求不同，因此，所選擇的培養(yǎng)基成分配比也因該有所區(qū) 別。一般說(shuō)來(lái)，種子培養(yǎng)基主要是提供微生物菌體的生長(zhǎng)繁殖。 發(fā)酵培養(yǎng)基還應(yīng)該考慮便于發(fā)酵操作以及不影響產(chǎn)物的提取分 離和產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益分析選擇培養(yǎng)基。從科學(xué)的角度

13、出發(fā)，培養(yǎng)基 的經(jīng)濟(jì)效益性通常是不被那么重視。而對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，由于 大部分原料都是糧食等且工業(yè)消耗量大，因此在工業(yè)發(fā)酵選擇原 料上，除了必須考慮被微生物利用并滿足生產(chǎn)工藝的要求除外， 還應(yīng)該考慮到經(jīng)濟(jì)效益，必須以廉價(jià)、來(lái)源豐富、運(yùn)輸方便、就 地取材以及沒(méi)有毒性等原則選擇培養(yǎng)基的原料。 發(fā)酵培養(yǎng)基成分選擇的原則：不同的微生物所需要的培養(yǎng)基成分不同，要確定一個(gè)適合 的培養(yǎng)基，就需要了解生產(chǎn)用菌的來(lái)源、生理生化特性和一般的 營(yíng)養(yǎng)要求，根據(jù)不同生產(chǎn)菌的培養(yǎng)條件、生物合成的代謝途徑、 代謝產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)等確定培養(yǎng)基。菌體的同化能力，微生物能夠利用復(fù)雜的大分子是由于微 生物能夠分泌各種的水解酶類，在體

14、外將大分子水解為微生物能 夠直接利用的小分子物質(zhì)。葡萄糖幾乎是所有的微生物都能利用 的碳源，因此在培養(yǎng)基選擇時(shí)一般都優(yōu)先加以考慮。但工業(yè)上由 于直接選用葡萄糖作為碳源，成本相對(duì)較高，一般采用淀粉水解 糖。為了保證發(fā)酵正常生產(chǎn)，水解糖液達(dá)到一定量的指標(biāo)。代謝物的阻遏和誘導(dǎo)作用，對(duì)于快速利用的碳源儒葡萄糖 來(lái)講，當(dāng)菌體利用葡萄糖是產(chǎn)生的分解代謝產(chǎn)物會(huì)遏制或抑制某 些產(chǎn)物合成所需酶系的形成或酶的活性，即發(fā)生“葡萄糖效應(yīng)”。 因此在抗生素發(fā)酵時(shí)，作為種子培養(yǎng)基所含的快速利用碳源和酶 源，往往比發(fā)酵培養(yǎng)基所含的多。有些產(chǎn)物會(huì)受氮源的誘導(dǎo)和阻 遏，這在蛋白酶的生產(chǎn)中表現(xiàn)尤為明顯，除個(gè)別外，通常蛋白質(zhì) 酶的

15、生產(chǎn)受培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)或多肽的誘導(dǎo)，而受銨鹽、硝酸鹽、 氨基氮的阻遏。這時(shí)在培養(yǎng)基氮源選取時(shí)應(yīng)該考慮以有機(jī)氮源為 主。合適的碳氮比，培養(yǎng)基中碳氮比對(duì)微生物生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合 成影響極為顯著。在選擇和配置發(fā)酵培養(yǎng)基時(shí)，要注意快速利用 的碳源和慢速利用的碳源的相互配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，避其所短， 選用合適的碳氮比。發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 發(fā)酵培養(yǎng)基配制時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：培養(yǎng)基的的配制必須提供合成微生物細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基 本成分；有利于減少培養(yǎng)基原料的單耗，單位營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所合成合 成產(chǎn)物數(shù)量大或產(chǎn)率大；有利于提高培養(yǎng)基產(chǎn)物的濃度，以提高 單位容積發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力；有利于提高產(chǎn)物的合成速度，縮短 發(fā)酵周期；盡量

16、減少副產(chǎn)物的的形成，減少對(duì)發(fā)酵過(guò)程中通氣攪 拌的影響，有利于提高氧氣的利用率、降低能耗，有利于產(chǎn)品的 分離和純化，并盡可能減少產(chǎn)生“三廢”的物質(zhì)。在配制發(fā)酵培養(yǎng)基時(shí)應(yīng)該保持一個(gè)干凈、整潔的環(huán)境十分重 要?；瘜W(xué)消毒劑可以幫助控制污染，而且配置培養(yǎng)基的地點(diǎn)應(yīng)該 用合適的消毒劑擦洗。發(fā)酵培養(yǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：首先是要考慮原材料的質(zhì)量，特別是在用到蜜糖時(shí)，要注意， 由于蜜糖含有大量的無(wú)機(jī)鹽、膠體物質(zhì)和灰分，對(duì)于有些產(chǎn)品是生產(chǎn)要做出預(yù)處理；再次是考慮發(fā)酵的特性、滅菌操作、水質(zhì)的影響、和pH的影響。培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與優(yōu)化：一般來(lái)講培養(yǎng)基的選擇一般是由其成分決定的，然后在確定 其組分之間應(yīng)該怎樣達(dá)到最適的復(fù)配。設(shè)計(jì)任何一種培養(yǎng)基均需 要根據(jù)具體情況，抓住主要環(huán)節(jié)。一個(gè)適宜的培養(yǎng)基首先必須滿 足擦汗內(nèi)務(wù)最經(jīng)濟(jì)的合成，也就是說(shuō)原材料的利用率最高，這是 一個(gè)轉(zhuǎn)化率的問(wèn)題。因該指出的是選擇培養(yǎng)基成分，設(shè)計(jì)培養(yǎng)基配方雖然有一些 理論依據(jù)，但最終確定是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的。一般一個(gè)培養(yǎng)基設(shè)計(jì) 的過(guò)程大約要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)基的成 分必須考慮的問(wèn)題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分；通過(guò)但因素實(shí) 驗(yàn)最終確定出適合的培養(yǎng)基成分；當(dāng)培養(yǎng)基成分確定時(shí)，在確定 最佳濃度。對(duì)于一個(gè)分批發(fā)酵過(guò)程研究的重點(diǎn)和控制的目的應(yīng)當(dāng)是：