第三章發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基

第三章發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基2023/2/11生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室第一節(jié)培養(yǎng)基概述2023/2/12生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室培養(yǎng)基是提供微生物生長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養(yǎng)物質(zhì)的混合物。2023/2/13生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室一、發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的基本要求1、必須提供合成微生物細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分。2、有利于減少培養(yǎng)基原料的消耗，即提高單位營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。2023/2/14生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室3、有利于提高產(chǎn)物濃度，以提高單位容積發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力。4、有利于提高產(chǎn)物的合成速度，縮短發(fā)酵周期。5、盡量減少副產(chǎn)物的形成，便于產(chǎn)物的分離純化。2023/2/15生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室6、原料價(jià)格低廉，質(zhì)量穩(wěn)定，取材容易。7、所用原料盡可能減少對發(fā)酵過程中通氣攪拌的影響，利于提高氧的利用率，降低能耗。8、有利于產(chǎn)品的分離純化，并盡可能減少產(chǎn)生“三廢”物質(zhì)。2023/2/16生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室二、設(shè)計(jì)培養(yǎng)基四個(gè)原則1、目的明確2、營養(yǎng)物協(xié)調(diào)3、物理化學(xué)條件適宜（1）pH值（2）氧化還原勢4、經(jīng)濟(jì)節(jié)約2023/2/17生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室三、發(fā)酵培養(yǎng)基的成分1.碳源：凡是可以作為微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)或代謝產(chǎn)物中碳素來源的營養(yǎng)物質(zhì)，稱為碳源。目前除了個(gè)別發(fā)酵工業(yè)需用較純的糖類外，多數(shù)微生物發(fā)酵工藝生產(chǎn)中所用的碳素原料為：農(nóng)副產(chǎn)品（玉米淀粉、土豆淀粉、小麥淀粉等）和工業(yè)生產(chǎn)的廢棄物（糖蜜、酒精廢液、紙漿廢液等）。2023/2/18生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室2.氮源氮源是指構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中的氮素的營養(yǎng)物質(zhì)。根據(jù)需要使用無機(jī)氮源、有機(jī)氮源或二者混合使用。有機(jī)氮源有花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、酵母粉、酒糟等。無機(jī)氮源有硫酸銨、硝酸鹽、氯化銨、磷酸氫二銨和氨水等。2023/2/19生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室3.能源工業(yè)上常用化能異養(yǎng)微生物，故能源常由碳源提供。4.無機(jī)鹽無機(jī)鹽類有磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀和硫酸鎂等。5.生長因子工業(yè)上常用天然培養(yǎng)基，營養(yǎng)豐富，一般不需要另外加入。2023/2/110生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室6.水對于發(fā)酵工廠來說，恒定的水源是至關(guān)重要的。因?yàn)樵诓煌粗写嬖诘母鞣N因素對微生物發(fā)酵代謝影響甚大。水源質(zhì)量的主要考慮參數(shù)包括；pH值、溶解氧、可溶性固體、污染程度以及礦物質(zhì)組成和含量。2023/2/111生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室7.其他(1)前體：

指那些加入到發(fā)酵培養(yǎng)基后，能基本上不改變自身的分子結(jié)構(gòu)而直接被微生物在生物合成過程中結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，從而在一定條件下控制產(chǎn)物的合成和提高產(chǎn)量的那些物質(zhì)。2023/2/112生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室產(chǎn)品前體產(chǎn)品前體青霉素苯乙酸及其衍生物

VB12鈷化物鏈霉素肌醇、精氨酸胡蘿卜素

β-紫羅蘭酮紅霉素丙酸、丙醇、丙酸鹽

L-色氨酸鄰氨基苯甲酸青霉素：分子量356苯乙酸:分子量1362023/2/113生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室(2)促進(jìn)劑：

指那些既不是營養(yǎng)物又不是前體卻能提高產(chǎn)量的添加劑。如在底物和產(chǎn)物均為不溶或微溶水的發(fā)酵液中加入表面活性劑不僅可使固形物分散均勻，也可以提高酶活力，從而有利于微生物的利用，以提高產(chǎn)量。2023/2/114生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室促進(jìn)劑的種類：表面活性劑（吐溫40、60、80）；洗凈劑LS（高級脂肪酰胺磺酸鈉）；黃血鹽及甲醇等。2023/2/115生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室2023/2/116生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室(3)抑制劑：指在發(fā)酵過程中加入的能抑制微生物某些代謝途徑的進(jìn)行而使另一代謝途徑活躍，從而積累人們所需產(chǎn)物的那些物質(zhì)。2023/2/117生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室常用的抑制劑有亞硫酸氫鈉、亞硫酸鈉、溴化劑等。例如在生產(chǎn)甘油的發(fā)酵液中加入亞硫酸氫鈉能抑制產(chǎn)乙醇的代謝途徑而大量形成甘油。2023/2/118生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室葡萄糖→6-磷酸葡萄糖→6-磷酸果糖→1,6二磷酸果糖↙↘3-磷酸甘油醛≒磷酸二羥酮↓〔H〕↓

丙酮酸磷酸甘油

CO2↓水解↓乙醛加成物←NaHSO3+乙醛甘油〔H〕↓

乙醇

2023/2/119生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室（4）消沫劑工業(yè)發(fā)酵中常用一些試劑消除發(fā)酵中產(chǎn)生的泡沫，防止逃液和染菌，以保證生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。常用的消沫劑有植物油脂（玉米油、豆油）、動(dòng)物油脂（鯨魚油、豬油）和化學(xué)合成的高分子化合物。2023/2/120生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室四、培養(yǎng)基的類型

工業(yè)上培養(yǎng)基的類型可分為三類：

（一）根據(jù)對培養(yǎng)基成分了解的程度分類1、天然培養(yǎng)基(naturalmedium)凡利用生物的組織、器官及其抽取物或制品配成的培養(yǎng)基，稱為天然培養(yǎng)基。優(yōu)點(diǎn)是配制方便、種類多樣、價(jià)格低廉、營養(yǎng)豐富。缺點(diǎn)是化學(xué)成分不清楚、不穩(wěn)定。2023/2/121生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室2、合成培養(yǎng)基(syntheticmedium)

是一類按照微生物的營養(yǎng)要求，使用成分完全了解的化學(xué)藥品配制而成的培養(yǎng)基稱為合成培養(yǎng)基。優(yōu)點(diǎn)是成分已知、精確、重復(fù)性好。缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，配制麻煩，且微生物生長較慢。2023/2/122生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室3、半合成培養(yǎng)基(semi-definedmedium)

指一類主要以化學(xué)試劑配制，同時(shí)還加有某種天然成分的培養(yǎng)基。嚴(yán)格地講，凡含有未經(jīng)特殊處理的瓊脂的任何合成培養(yǎng)基，實(shí)際上都是半合成培養(yǎng)基。實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用的大多數(shù)培養(yǎng)基和工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)用培養(yǎng)基都是半合成培養(yǎng)基。2023/2/123生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室（二）按物理狀態(tài)分：固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基。1、液體培養(yǎng)基(liquidmedium)各營養(yǎng)成分按一定比例配制而成的水溶液或液體狀態(tài)的培養(yǎng)基稱為液體培養(yǎng)基。2023/2/124生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室2、固體培養(yǎng)基固體培養(yǎng)基一般是指液體培養(yǎng)基中加入一定量的凝固劑（瓊脂、明膠、和硅膠）配制而成的固體狀態(tài)的培養(yǎng)基。2023/2/125生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室3、半固體培養(yǎng)基(semi-solidmedium)半固體培養(yǎng)基是在液體培養(yǎng)基中加入0.5%左右的瓊脂而配制的固體狀態(tài)的培養(yǎng)基。4、脫水培養(yǎng)基（dehydratedculturemedia）指含有除水以外的一切成分的商品培養(yǎng)基，使用時(shí)只要加入適量水分并加以滅菌即可，是一類成分精確和使用方便的現(xiàn)代化培養(yǎng)基，但價(jià)格稍貴。2023/2/126生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室1、種子培養(yǎng)基(seedculturemedium)

種子培養(yǎng)基主要指搖瓶種子及種子罐用的培養(yǎng)基。該培養(yǎng)基應(yīng)含有容易被菌體利用的碳源、氮源和無機(jī)鹽等，為下一步發(fā)酵提供大量、強(qiáng)壯而整齊的“種子細(xì)胞”。（三）根據(jù)生產(chǎn)中的用途分類2023/2/127生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室

2、發(fā)酵培養(yǎng)基(fermentationmedium)發(fā)酵培養(yǎng)基是供菌絲迅速生長繁殖，并最大限度地獲得代謝產(chǎn)物的培養(yǎng)基。它既要使種子接種后能迅速生長達(dá)到一定的菌濃度，又要使長好的菌體能迅速合成所需要的產(chǎn)物，因此培養(yǎng)基中除含有菌體生長所必須的營養(yǎng)成分外，還要有產(chǎn)物合成所需的特定元素、前體或促進(jìn)劑等。2023/2/128生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室3、孢子培養(yǎng)基孢子培養(yǎng)基是供菌種繁殖孢子用的。對這種培養(yǎng)基的要求是能使孢子迅速發(fā)芽和生長，產(chǎn)生大量孢子，不引起菌種變異。2023/2/129生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室生產(chǎn)中常用孢子培養(yǎng)基的種類：麩皮培養(yǎng)基小米碎屑培養(yǎng)基大米碎屑培養(yǎng)基瓊脂斜面培養(yǎng)基2023/2/130生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室1、選擇培養(yǎng)基(selectedmedium)是根據(jù)某種或某類微生物的特殊營養(yǎng)要求，或其對某些物理、化學(xué)條件的抗性而設(shè)計(jì)的培養(yǎng)基，具有使混合菌樣中的劣勢菌變成優(yōu)勢菌的功能，廣泛用于菌種篩選。（四）根據(jù)培養(yǎng)基的功能2023/2/131生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室2、鑒別培養(yǎng)基是一類通過添加能與目的菌的無色代謝產(chǎn)物發(fā)生顯色反應(yīng)的指示劑從而達(dá)到只須用肉眼辨別顏色就能使該種微生物與其它微生物區(qū)別開來的培養(yǎng)基。2023/2/132生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室五、影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素1、原材料的質(zhì)量的影響2、水質(zhì)的影響3、滅菌的影響4、培養(yǎng)基粘度的影響5、pH的影響2023/2/133生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室六、設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的方法發(fā)酵培養(yǎng)基的組成及其濃度是影響菌體生長、合成代謝產(chǎn)物的關(guān)鍵因素。確定一個(gè)優(yōu)化的培養(yǎng)基配方包括三方面內(nèi)容；一是合理選擇發(fā)酵培養(yǎng)基的組成成分二是確定培養(yǎng)基各組分的濃度三是試驗(yàn)驗(yàn)證。2023/2/134生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室培養(yǎng)基配方的優(yōu)化

搖瓶優(yōu)化

發(fā)酵罐優(yōu)化2023/2/135生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室搖瓶優(yōu)化：培養(yǎng)基優(yōu)化的第一步，反應(yīng)器研究的基礎(chǔ)2023/2/136生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室發(fā)酵罐優(yōu)化：反應(yīng)器水平，可以得出最終優(yōu)化的基礎(chǔ)配方2023/2/137生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室第二節(jié)原材料的預(yù)處理2023/2/138生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室一、選擇原材料的標(biāo)準(zhǔn)1.來源豐富2.

價(jià)格低廉(1)以粗代精(2)以野代家(3)以廢代好(4)以簡代繁2023/2/139生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室(5)以烴代糧(6)以纖代糖(7)以氮代朊(8)以國代進(jìn)3.質(zhì)量穩(wěn)定2023/2/140生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室二、原料的處理

舉例：淀粉質(zhì)原料的預(yù)處理

目前，在大規(guī)模的發(fā)酵生產(chǎn)中都用淀粉質(zhì)原料做碳源，但許多微生物不能直接利用淀粉。因此，在發(fā)酵生產(chǎn)之前，必須將淀粉質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成為短鏈糊精、雙糖或單糖后才能為微生物利用。2023/2/141生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解成葡萄糖的過程稱之為淀粉的糖化。制得的水解液叫淀粉糖。主要的糖類是葡萄糖，此外根據(jù)水解條件的不同，尚有數(shù)量不等的麥芽糖、低聚糖等復(fù)合糖類。2023/2/142生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室目前最普遍的糖化方法有酸解法、酶解法以及兩者相結(jié)合的酸酶結(jié)合水解法。1.酸解法酸解法又稱酸糖化法，它是以酸（無機(jī)酸或有機(jī)酸）為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解為葡萄糖。2023/2/143生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室淀粉酸解的過程：(1)調(diào)漿：(2)加鹽酸：(3)糖化：(4)冷卻、中和、脫色和過濾：2023/2/144生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室酸解法的特點(diǎn)酸水解具有水解時(shí)間短、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)。淀粉的轉(zhuǎn)化率低和水解糖液的質(zhì)量差，而且生產(chǎn)上需要耐高壓、耐腐蝕、耐高溫設(shè)備。2023/2/145生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室2.酶解法淀粉酶法水解就是利用淀粉酶和糖化酶等的作用，使淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖。2023/2/146生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室淀粉酶解的過程包括淀粉的液化和糖化兩個(gè)步驟。液化的過程－首先利用淀粉酶使淀粉液化，粘度降低，并水解到糊精和低聚糖的程度糖化的過程然后用糖化酶將它們徹底水解成葡萄糖

2023/2/147生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室酶解法的特點(diǎn)由于酶的高度專一性及反應(yīng)條件溫和，使淀粉水解液的葡萄糖純度和出糖率大大提高，而且糖液的顏色淺。2023/2/148生命科學(xué)學(xué)院微生物教研室3.酸酶結(jié)合法酸酶結(jié)合水解法是集中酸解法及酶解法制糖的優(yōu)點(diǎn)而采用的結(jié)合生產(chǎn)工藝。根據(jù)原料淀粉的性質(zhì)可采用酸酶水解法或酶酸