發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計(jì)

發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計(jì)第1頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四培養(yǎng)基：廣義上講培養(yǎng)基是指一切可供微生物細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖所需的一組營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和原料。同時(shí)培養(yǎng)基也為微生物培養(yǎng)提供除營(yíng)養(yǎng)外的其它所必須的條件。

發(fā)酵培養(yǎng)基的作用：

滿足菌體的生長(zhǎng)促進(jìn)產(chǎn)物的形成第2頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基的要求①培養(yǎng)基能夠滿足產(chǎn)物最經(jīng)濟(jì)的合成。②發(fā)酵后所形成的副產(chǎn)物盡可能的少。③培養(yǎng)基的原料應(yīng)因地制宜，價(jià)格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購(gòu)運(yùn)輸，適合大規(guī)模儲(chǔ)藏，能保證生產(chǎn)上的供應(yīng)。④所選用的培養(yǎng)基應(yīng)能滿足總體工藝的要求，如不應(yīng)該影響通氣、提取、純化及廢物處理等。第3頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)培養(yǎng)基的類型及功能培養(yǎng)基按其組成物質(zhì)的化學(xué)成分、物理性質(zhì)、生產(chǎn)流程和作用可分為三大類型

一、按組成物質(zhì)的化學(xué)成分合成培養(yǎng)基

:原料其化學(xué)成分明確、穩(wěn)定

適合于研究菌種基本代謝和過(guò)程的物質(zhì)變化規(guī)律

培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)單一，價(jià)格較高，不適合用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)

天然培養(yǎng)基:采用天然原料

原料來(lái)源豐富(大多為農(nóng)副產(chǎn)品)、價(jià)格低廉、適于工業(yè)化生產(chǎn)

原料質(zhì)量等方面不加控制會(huì)影響生產(chǎn)穩(wěn)定性

第4頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四M培養(yǎng)基(1L)：Na2HPO46g，KH2PO43g，NaCl0.5g，NH4Cl1g，MgSO4.7H2O0.5g，CaCl20.011g，葡萄糖2-10g,pH7.0YPS培養(yǎng)基：酪蛋白胨10g，酵母提取物5g,NaCl10g，PH7.2培養(yǎng)大腸桿菌常用兩種培養(yǎng)基第5頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、按物理性質(zhì)固體培養(yǎng)基

:適合于菌種和孢子的培養(yǎng)和保存，也廣泛應(yīng)用于有子實(shí)體的真菌類，如香菇、白木耳等的生產(chǎn)

半固體培養(yǎng)基:即在配好的液體培養(yǎng)基中加入少量的瓊脂，一般用量為0.5%～0.8%,主要用于微生物的鑒定。液體培養(yǎng)基:80%～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的營(yíng)養(yǎng)成分，是發(fā)酵工業(yè)大規(guī)模使用的培養(yǎng)基。第6頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、按生產(chǎn)流程和作用斜面（孢子）培養(yǎng)基：供微生物細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖或保藏菌種使用，供給細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖所需各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

種子培養(yǎng)基：擴(kuò)大菌種，短時(shí)間內(nèi)獲得數(shù)量多、質(zhì)量高的大量菌種，以滿足發(fā)酵生產(chǎn)的需要。發(fā)酵培養(yǎng)基：發(fā)酵生產(chǎn)中最主要的培養(yǎng)基，不僅需要大量的原材料，而且也是決定發(fā)酵生產(chǎn)成功與否的主要因素。第7頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜面（孢子）培養(yǎng)基特點(diǎn)①富含有機(jī)氮源，少含或不含糖分。有機(jī)氮有利于菌體的生長(zhǎng)繁殖，能獲得更多的細(xì)胞。②對(duì)于放線菌或霉菌的產(chǎn)孢子培養(yǎng)基，則氮源和碳源不宜太豐富，否則易長(zhǎng)菌絲而少形成孢子。③斜面培養(yǎng)基中宜加入少量無(wú)機(jī)鹽類，供給必要的生長(zhǎng)因子和微量元素。第8頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四種子培養(yǎng)基特點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)豐富完全，氮源和維生素等生長(zhǎng)因子的含量高些；供孢子萌發(fā)的培養(yǎng)基中，加入一些易于吸收利用的C、N源，便于孢子發(fā)芽生長(zhǎng)；pH要穩(wěn)定；最后一級(jí)盡可能接近發(fā)酵培養(yǎng)基，常加入少量發(fā)酵合成期才大量需要的物質(zhì)。第9頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四發(fā)酵培養(yǎng)基特點(diǎn)目的：使接種菌絲生長(zhǎng)并能高效表達(dá)，獲得高的發(fā)酵產(chǎn)量，同時(shí)組分盡可能單一，以保證高的得率。要求營(yíng)養(yǎng)豐富完全，有利于產(chǎn)物合成；不能大量加入快C、快N源，應(yīng)和慢C、N源相結(jié)合；在產(chǎn)物分泌期間，pH穩(wěn)定；加入適量合成所需的物質(zhì)，如前體等，進(jìn)行定向發(fā)酵；采用中間補(bǔ)料，以提高發(fā)酵單位；原料的考慮——成本問(wèn)題第10頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及來(lái)源

一、碳源1、作用提供微生物菌種的生長(zhǎng)繁殖所需的能源和合成菌體所必需的碳成分

提供合成目的產(chǎn)物所必須的碳成分2、來(lái)源糖類、油脂、有機(jī)酸、正烷烴第11頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、工業(yè)上常用的糖類①葡萄糖

所有的微生物都能利用葡萄糖但是會(huì)引起葡萄糖效應(yīng)

工業(yè)上常用淀粉水解糖，但是糖液必須達(dá)到一定的質(zhì)量指標(biāo)第12頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四不同的制糖工藝生產(chǎn)的糖液質(zhì)量差別很大第13頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四②糖蜜糖蜜是制糖生產(chǎn)時(shí)的結(jié)晶母液，它是制糖工業(yè)的副產(chǎn)物。

糖蜜主要含有蔗糖，總糖可達(dá)50%～75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。第14頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四不用加工方法對(duì)甘蔗糖蜜的影響第15頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四糖蜜使用的注意點(diǎn)：除糖分外，含有較多的雜質(zhì)，其中有些是有用的，但是許多都會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生不利的影響，需要進(jìn)行預(yù)處理。例：谷氨酸發(fā)酵有害物質(zhì)：膠體成分（起泡、結(jié)晶）、鈣鹽（結(jié)晶）生物素（發(fā)酵控制）預(yù)處理：澄清→脫鈣→脫除生物素例：檸檬酸發(fā)酵有害物質(zhì)：鐵離子含量高（導(dǎo)致異檸檬酸的生成）預(yù)處理：→黃血鹽第16頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四③淀粉、糊精使用條件：微生物必須能分泌水解淀粉、糊精的酶類缺點(diǎn)：難利用發(fā)酵液比較稠，一般>2.0%時(shí)加入一定的α-淀粉酶成分比較復(fù)雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等等。優(yōu)點(diǎn)：來(lái)源廣泛、價(jià)格底難利用，可以解除葡萄糖效應(yīng)第17頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、氮源

氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)（氨基酸，蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源。

1、無(wú)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，所以也稱之為迅速利用的氮源。但無(wú)機(jī)氮源的迅速利用常會(huì)引起pH的變化如：

(NH4)2SO4

→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2→NH3+2H2O+NaOH

第18頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

無(wú)機(jī)氮源被菌體作為氮源利用后，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（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源叫生理酸性物質(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(wú)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(guò)程的pH有積極作用。所以選擇合適的無(wú)機(jī)氮源有兩層意義：

滿足菌體生長(zhǎng)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過(guò)程中的pH第19頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、有機(jī)氮源來(lái)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(yú)粉、蠶蛹粉、尿素、廢菌絲體和酒糟。成分復(fù)雜：除提供氮源外，有些有機(jī)氮源還提供大量的無(wú)機(jī)鹽及生長(zhǎng)因子。例玉米漿：①可溶性蛋白、生長(zhǎng)因子（生物素）、苯乙酸②較多的乳酸③硫、磷、微量元素等第20頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

有機(jī)氮源成分復(fù)雜，可以從多個(gè)方面對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行影響，而另一方面有機(jī)氮源的來(lái)源具有不穩(wěn)定性。所以在有機(jī)氮源選取時(shí)和使用過(guò)程中，必須考慮原料的波動(dòng)對(duì)發(fā)酵的影響第21頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四氮源使用的一些相關(guān)問(wèn)題：

有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源應(yīng)當(dāng)混合使用早期：容易利用易同化的氮源—無(wú)機(jī)氮源中期：菌體的代謝酶系已形成、則利用蛋白質(zhì)

有些產(chǎn)物會(huì)受氮源的誘導(dǎo)和阻遏例：蛋白酶的生產(chǎn)

有機(jī)氮源選取時(shí)也要考慮微生物的同化能力

開(kāi)發(fā)效果好、有針對(duì)性的有機(jī)氮源仍然是令人感興趣的課題第22頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、無(wú)機(jī)鹽的微量元素1、作用：各種不一樣2、來(lái)源：C、N源，以鹽的形式補(bǔ)充3、用量：根據(jù)具體的產(chǎn)品，以實(shí)驗(yàn)決定4、使用注意點(diǎn)A.對(duì)于其它渠道有可能帶入的過(guò)多的某種無(wú)機(jī)離子和微量元素在發(fā)酵過(guò)程中必須加以考慮例：鐵離子青霉素發(fā)酵中，鐵離子的濃度要小于20μg/ml

發(fā)酵罐必須進(jìn)行表面處理第23頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四B、使用時(shí)注意鹽的形式（pH的變化）例：黑曲酶NRRL-330,生產(chǎn)α-淀粉酶，P對(duì)酶活的影響

pH酶活不加4.25120分鐘加K2HPO45.4530分鐘加KH2PO44.6275分鐘第24頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四、生長(zhǎng)因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑

從廣義上講，凡是微生物生長(zhǎng)不可缺少的微量的有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長(zhǎng)因子。

1、生長(zhǎng)因子

如以糖質(zhì)原料為碳源的谷氨酸生產(chǎn)菌均為生物素缺陷型，以生物素為生長(zhǎng)因子,生長(zhǎng)因子對(duì)發(fā)酵的調(diào)控起到重要的作用。

有機(jī)氮源是這些生長(zhǎng)因子的重要來(lái)源，多數(shù)有機(jī)氮源含有較多的B簇維生素和微量元素及一些微生物生長(zhǎng)不可缺少的生長(zhǎng)因子第25頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

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(guò)程中合成到產(chǎn)物物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)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。2、前體青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136第26頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用：前體有助于提高產(chǎn)量和組份用量：前體的用量可以按分子量衡算，具體使用有個(gè)轉(zhuǎn)化率的問(wèn)題例：6000單位/ml的青霉素G,需要多少苯乙酸青霉素＝6000×0.6（微克）＝36mg/ml

苯乙酸＝（36×

136）/356=13.8mg/ml=1.38%實(shí)際使用時(shí)的轉(zhuǎn)化率在46-90%之間例某廠單耗為：0.337（kg/10億青霉素）轉(zhuǎn)化率為：0.6/(0.337×

36/13.8)=68%第27頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四用法：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(guò)大對(duì)菌體的生長(zhǎng)不利

苯乙酸，一般基礎(chǔ)料中僅僅添加0.07%

前體相對(duì)價(jià)格較高，添加過(guò)多，容易引起揮發(fā)和氧化流加也有利于提高前提的轉(zhuǎn)化率第28頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、產(chǎn)物促進(jìn)劑

所謂產(chǎn)物促進(jìn)劑是指那些非細(xì)胞生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。第29頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

促進(jìn)劑提高產(chǎn)量的機(jī)制還不完全清楚，其原因是多方面的。

有些促進(jìn)劑本身是酶的誘導(dǎo)物；有些促進(jìn)劑是表面活性劑，可改善細(xì)胞的透性，改善細(xì)胞與氧的接觸從而促進(jìn)酶的分泌與生產(chǎn)，也有人認(rèn)為表面活性劑對(duì)酶的表面失活有保護(hù)作用；有些促進(jìn)劑的作用是沉淀或螯合有害的重金屬離子。第30頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四五、水

對(duì)于發(fā)酵工廠來(lái)說(shuō)，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(duì)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。對(duì)于釀造行業(yè)，水的重要性不言而喻對(duì)于常規(guī)發(fā)酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清潔的水。第31頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

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，只能用生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)等的基本理論，參照前人所使用的較適合某一類菌種的經(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，按照一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法選擇出較為適合的培養(yǎng)基。

第32頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、培養(yǎng)基成分選擇的原則

菌種的同化能力

代謝的阻遏和誘導(dǎo)（培養(yǎng)基濃度）

合適的C、N比100∶0.2～2.0

pH的要求

第33頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（一）、理論轉(zhuǎn)化率與實(shí)際轉(zhuǎn)化率

理論轉(zhuǎn)化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)微生物的代謝途徑進(jìn)行物料衡算，所得出的轉(zhuǎn)化率的大小。

實(shí)際轉(zhuǎn)化率是指實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中轉(zhuǎn)化率的大小

如何使實(shí)際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個(gè)目標(biāo)

二、成分含量的確定第34頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例:

如在酒精生產(chǎn)中葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論轉(zhuǎn)化率計(jì)算如下∶

葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的代謝總反應(yīng)衡算式為∶

C6H12O6─→2C2H5OH+2CO2

葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論得率為∶

2*46

Y=───=0.51180第35頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第36頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（二）、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)基成分的含量最終都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的

合理的實(shí)驗(yàn)方法多因子實(shí)驗(yàn)：均勻設(shè)計(jì)、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面分析等。單因子實(shí)驗(yàn)第37頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四③當(dāng)培養(yǎng)基成分確定后，剩下的問(wèn)題就是各成分最適的濃度，由于培養(yǎng)基成分很多，為減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)常采用一些合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。三、培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的步驟①根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)基成分確定時(shí)一些必須考慮的問(wèn)題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分；②通過(guò)單因子實(shí)驗(yàn)最終確定出最為適宜的培養(yǎng)基成分；第38頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四類胡蘿卜素高產(chǎn)菌Y11的培養(yǎng)基的優(yōu)化郭秒,食品與工業(yè)發(fā)酵，2004類胡蘿卜素的作用：色素、營(yíng)養(yǎng)保健第39頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四原培養(yǎng)基:第40頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

初步確定可能的培養(yǎng)基成分(以碳源為例)第41頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

通過(guò)單因子實(shí)驗(yàn)確定適宜的培養(yǎng)基成分(以碳源為例)考慮到成本：乙酸鈉是較為合適的碳源進(jìn)一步：乙酸鈉的濃度0.2%比較好第42頁(yè)，共52頁(yè)，2023年，2月20日，星期四結(jié)果：碳源：乙酸鈉0.2%氮源：氯化銨0.2%

酵母膏0.03%無(wú)機(jī)鹽:復(fù)合無(wú)機(jī)鹽0.05%第43頁(yè)，共52頁(yè)