發(fā)酵工程制藥-工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的

工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的組成及作用培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與優(yōu)化培養(yǎng)基的組成及作用菌種選育種子培養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)物分離純化成品滅菌培養(yǎng)基的優(yōu)化培養(yǎng)基的影響因素培養(yǎng)基是人工配制的供微生物或動(dòng)植物細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖、代謝和合成人們所需要產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和原料，同時(shí)也提供除營(yíng)養(yǎng)外的其他生長(zhǎng)所必須的環(huán)境條件。

所有發(fā)酵培養(yǎng)基都必須提供微生物生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成所需的能源，包括碳源、氮源、無(wú)機(jī)元素、生長(zhǎng)因子及水、氧氣等。對(duì)于大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)，除考慮上述微生物的需要外，還必須重視培養(yǎng)基原料的價(jià)格和來(lái)源。此外，為了合成某些特殊目的物和工藝控制需要，有些發(fā)酵還需加入前體、抑制劑、促進(jìn)劑和消沫劑等。一、培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分1.碳源:碳素化合物的作用構(gòu)成菌體細(xì)胞的重要元素，產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物和細(xì)胞內(nèi)貯藏物質(zhì)的主要原料，提供微生物生命活動(dòng)所需能量的原料。常用的碳源有糖類、油脂、有機(jī)酸、低碳醇和碳?xì)浠衔?。快速利用碳源：能夠較快迅速地參與代謝、合成菌體和產(chǎn)生能量，主要是葡萄糖、低碳類物質(zhì)。有利于菌體生長(zhǎng)，但會(huì)對(duì)很多產(chǎn)物的形成產(chǎn)生阻遏作用。慢速利用碳源：多有利于產(chǎn)物合成。主要包括二糖、多糖。

單糖：葡萄糖，是最易利用的糖，速效糖。過(guò)多：加速菌體呼吸，溶解氧不能滿足需要，中間代謝產(chǎn)物不能完全氧化而積累在培養(yǎng)基中，導(dǎo)致pH下降，抑制產(chǎn)物的合成。雙糖：主要有蔗糖、乳糖和麥芽糖，糖蜜含豐富的糖（主要是蔗糖）、氮素化合物、無(wú)機(jī)鹽、維生素等，是微生物工業(yè)價(jià)廉物美的原料。多糖：有淀粉、糊精及其水解液。如玉米淀粉及其水解液。（1）糖類霉菌和放線菌還可以用油脂做碳源。發(fā)酵過(guò)程加入的油脂有消沫和補(bǔ)充碳源的雙重作用。某些有機(jī)酸、醇在單細(xì)胞蛋白、氨基酸、維生素和某些抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)中作為碳源或補(bǔ)充碳源。（2）油脂（3）有機(jī)酸、醇、碳?xì)浠衔镉袡C(jī)氮：緩效氮，有利于代謝產(chǎn)物的形成。

多用于發(fā)酵后期，如黃豆餅粉、玉米漿。無(wú)機(jī)氮：速效氮，氨基氮或銨基氮。通常有利于機(jī)體的生長(zhǎng)。用于發(fā)酵前期如硫酸銨、氨水、硝酸鹽。主要用來(lái)構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)和代謝產(chǎn)物，即蛋白質(zhì)及氨基酸之類的含氮代謝物。2.氮源（1）有機(jī)氮源花生餅粉、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、菌絲體和酒糟等。在微生物分泌的胞外蛋白酶作用下水解為氨基酸，被菌吸收后再進(jìn)一步分解代謝。在有機(jī)氮源豐富的培養(yǎng)基上，微生物常表現(xiàn)為生長(zhǎng)旺盛、菌絲濃度增長(zhǎng)迅速的特點(diǎn)。玉米漿是玉米淀粉生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，含豐富的氨基酸（丙氨酸、賴氨酸、谷氨酸）、磷、微量元素和生長(zhǎng)素等。尿素也是常用的有機(jī)氮源之一。（2）無(wú)機(jī)氮源常用的是銨鹽、硝酸鹽和氨水等。無(wú)機(jī)氮源的迅速利用會(huì)引起pH的變化，如：（NH4）2SO4→2NH3+H2SO4NaNO3+4H2→NH3+H2O+NaOH經(jīng)微生物作用后能形成酸性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源稱為生理酸性物質(zhì)，如硫酸銨。若菌體代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)，則此種無(wú)機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)，如硝酸鈉。主要功用是：①構(gòu)成菌體成分；②作為酶活性基的組成部分或維持酶的活性；③調(diào)節(jié)滲透壓、pH值、氧化還原電位等；④作為自養(yǎng)菌的能源。低濃度促進(jìn)微生物生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成，高濃度抑制。3.無(wú)機(jī)鹽有些種類的發(fā)酵生產(chǎn)對(duì)金屬離子相當(dāng)敏感，因?yàn)橛行┙饘匐x子是中間代謝酶的抑制劑或激活劑。因此對(duì)于有重大影響的金屬離子必須嚴(yán)格控制。如檸檬酸發(fā)酵中鐵、錳和鋅離子都能明顯影響產(chǎn)量，鈣離子對(duì)細(xì)菌淀粉酶的生產(chǎn)有促進(jìn)作用，而鈷離子對(duì)葡萄糖異構(gòu)酶的發(fā)酵是必需的，這些在培養(yǎng)基配制時(shí)都必須予以注意。在培養(yǎng)基中，鈣、鎂、硫、磷、鉀和氯等常以鹽的形式加入，而鐵、鈷、錳、鋅、鉬和銅等一般在合成培養(yǎng)基中才加入。是一類微生物正常生活不可缺少而需要量較小，但微生物自身不能合成，或合成量不足以滿足機(jī)體生長(zhǎng)需要的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。廣義上講，凡能調(diào)節(jié)微生物代謝活動(dòng)的微量有機(jī)物，統(tǒng)稱為生長(zhǎng)因子；狹義的生長(zhǎng)因子一般僅指維生素。4.生長(zhǎng)因子一般培養(yǎng)基的有機(jī)氮源中已含有微生物生長(zhǎng)所需的一些生長(zhǎng)因子，不需要另外添加。如果有特殊需求，則需要另外補(bǔ)充。5．前體、促進(jìn)劑與抑制劑1）前體在產(chǎn)物的生物合成過(guò)程中，被菌體直接用于產(chǎn)物合成而自身結(jié)構(gòu)無(wú)顯著改變的物質(zhì)稱為前體。在一定條件下控制產(chǎn)物的合成方向和提高產(chǎn)量。

有利于調(diào)節(jié)產(chǎn)物的形成，并不促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)如：在青霉素生產(chǎn)中加入玉米漿，青霉素產(chǎn)量可從20u/mL增加到100u/mL，研究發(fā)現(xiàn)玉米漿中的苯乙胺被有限結(jié)合到青霉素分子中，從而提高了青霉素G的產(chǎn)量。青霉素G苯乙酸2）促進(jìn)劑指那些既不是營(yíng)養(yǎng)物又不是前體，但卻能提高產(chǎn)量的添加劑

促進(jìn)劑的作用有些促進(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。目前工業(yè)用微生物酶多數(shù)為誘導(dǎo)酶，如蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等。誘導(dǎo)物的存在能大大強(qiáng)化誘導(dǎo)酶的生物合成。酶的正常底物或底物的類似物都可作為誘導(dǎo)物。在各種微生物酶的發(fā)酵培養(yǎng)基中必須加入誘導(dǎo)物，例如淀粉、糊精或麥芽糖是淀粉酶或糖化酶的誘導(dǎo)物。只有添加這些物質(zhì)的培養(yǎng)基，才能獲得高產(chǎn)。在發(fā)酵過(guò)程中加入抑制劑會(huì)抑制某些代謝途徑的進(jìn)行，同時(shí)會(huì)使另外一些代謝途徑活躍，從而獲得人們所需要的某種產(chǎn)物。例如：谷氨酸發(fā)酵時(shí)可能污染噬菌體，可采用添加氯霉素、多聚磷酸鹽、植酸等抑制劑的措施。賴氨酸發(fā)酵，為防止菌株回復(fù)突變，定時(shí)添加紅霉素。3）抑制劑或阻遏物功能：生化反應(yīng)均在水溶液中進(jìn)行。是構(gòu)成菌體細(xì)胞的主要成分，又是一切營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞介質(zhì)。6.水分7.消沫劑消除發(fā)酵中的泡沫，防止逃液和染菌。如植物油脂(玉米油)、動(dòng)物油脂(豬油)、高分子化合物。培養(yǎng)基的主要成分的組成。不同碳源、氮源的作用其他成分選擇時(shí)的注意事項(xiàng)。總結(jié)培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與優(yōu)化培養(yǎng)基的組成及作用培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與優(yōu)化菌種選育種子培養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)物分離純化成品滅菌培養(yǎng)基的優(yōu)化培養(yǎng)基的影響因素發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)組成、配比、緩沖能力、黏度、滅菌后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)破壞的程度、及原料中雜質(zhì)的含量等。培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)需考慮以下因素：原則（1）（5）（3）（7）（4）（8）必須提供合成微生物細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分減少副產(chǎn)物的形成有利于提高產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率有利于提高培養(yǎng)基和產(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)酵周期有利于產(chǎn)品的分離純化，并減少“三廢”物質(zhì)生成所用原料盡可能減少對(duì)發(fā)酵過(guò)程中通氣攪拌的影響原料價(jià)格低廉，質(zhì)量穩(wěn)定，取材容易（2）（6）發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)考慮菌體的同化能力（一）培養(yǎng)基成分選擇的原則不同微生物含有的水解酶系不同，根據(jù)其代謝特點(diǎn)，選擇能夠被微生物利用的培養(yǎng)基成分?？紤]代謝的阻遏和誘導(dǎo)如，當(dāng)菌體利用葡糖糖時(shí)產(chǎn)生的分解代謝產(chǎn)物會(huì)阻遏或抑制某些化合物合成所需的酶的活性或酶系形成。發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)碳源、氮源過(guò)多/過(guò)少？合適的碳氮比C/N影響微生物的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成；微生物在不同的生長(zhǎng)階段對(duì)碳氮比的要求不同。發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)(1)通常，碳源比例要求比氮源高一般工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的碳氮比為100：(0.2～2.0)。(2)產(chǎn)物含氮量較多，則氮源比例相對(duì)高些。如，谷氨酸發(fā)酵中的碳氮比為100：(15～21)；若碳氮比例為100：(0.5～2.0)，則出現(xiàn)只長(zhǎng)菌體而幾乎不合成谷氨酸的現(xiàn)象。發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)（二）PH的要求培養(yǎng)過(guò)程PH易波動(dòng)，培養(yǎng)基要考慮緩沖能力（三）注意代謝調(diào)節(jié)物的影響有些物質(zhì)存在于培養(yǎng)基中能明顯促進(jìn)或抑制發(fā)酵產(chǎn)物合成。如，前體物質(zhì)、誘導(dǎo)劑、阻遏物、抑制劑、金屬離子發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)總結(jié)1注意各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度和配比2調(diào)節(jié)適宜的物理化學(xué)條件（黏度、C/N等）3根據(jù)培養(yǎng)微生物的目的配制4盡量使用廉價(jià)易得的原料最終培養(yǎng)基成分和濃度的確定都需通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。培養(yǎng)基的優(yōu)化培養(yǎng)基的優(yōu)化培養(yǎng)基設(shè)計(jì)思路01根據(jù)菌種生理特性、發(fā)酵工藝需求、提取工藝要求以及經(jīng)濟(jì)性，初步確定可能的培養(yǎng)基成分。02通過(guò)單因子實(shí)驗(yàn)搖瓶確定最適的培養(yǎng)基成分。03采用正交設(shè)計(jì)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)等方法搖瓶?jī)?yōu)化培養(yǎng)基配方。04小試、中試發(fā)酵罐規(guī)模進(jìn)一步優(yōu)化配方。05生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)化培養(yǎng)基配方。培養(yǎng)基的優(yōu)化培養(yǎng)基配制的注意事項(xiàng)：一定條件下，各種原材料之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，理化性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的組成豐富，濃度恰當(dāng)。能滿足孢子發(fā)芽、菌體生長(zhǎng)、以及產(chǎn)物合成的需要。(1)(2)(4)(3)粘度適中，具有適當(dāng)?shù)臐B透壓。注意原材料的種類和濃度與代謝產(chǎn)物生物合成過(guò)程中的調(diào)節(jié)關(guān)系。培養(yǎng)基的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室液體培養(yǎng)基的制備基本流程基本流程原料稱量、溶解酸堿度（pH值）的調(diào)整培養(yǎng)基的過(guò)濾和澄清培養(yǎng)基的分裝塞棉塞和包扎培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基的貯存小結(jié)（4）（3）（2）（1）培養(yǎng)基優(yōu)化的思路。配置培養(yǎng)基的注意事項(xiàng)。培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的原則。培養(yǎng)基配置的基本流程。優(yōu)化培養(yǎng)基配方是應(yīng)注意哪些方面？設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的一般思路是什么？作業(yè)影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素原材料質(zhì)量的影響解決方法：嚴(yán)格控制全部原材料的質(zhì)量，按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格檢測(cè)。如果更換原材料，必須進(jìn)行小試、甚至中試，確定對(duì)生產(chǎn)沒(méi)有影響時(shí)，才能用于實(shí)際生產(chǎn)。有機(jī)氮源的原材料質(zhì)量是引起生產(chǎn)水平波動(dòng)的主要因素之一。主要是加工用的原材料品種、產(chǎn)地、加工方法和貯存條件等造成的。如，紅霉素發(fā)酵生產(chǎn)用熱榨的黃豆餅粉；鏈霉素發(fā)酵生產(chǎn)用冷榨的黃豆餅粉；如，不同產(chǎn)地、不同批次的玉米漿水質(zhì)的影響地區(qū)不同、季節(jié)變化和水源污染，均可造成水質(zhì)波動(dòng)。解決方法：控制水的硬度、鐵含量、氯含量、不同形式的氮含量，常用電滲析或離子交換樹脂等進(jìn)行水的純化。影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素滅菌的影響工業(yè)發(fā)酵中，常采用高壓蒸汽滅菌方法。營(yíng)養(yǎng)成分的降解，發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng)。影響菌體生長(zhǎng)和代謝途徑變化或產(chǎn)物的合成產(chǎn)生的變化解決方法改進(jìn)培養(yǎng)基滅菌工藝。如，糖類在高溫條件下易于氨基化合物發(fā)生褐變，發(fā)酵培養(yǎng)基中的糖和其他成分分開滅菌。影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素其他因素的影響1.PH的影響微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的最適pH

霉菌最適生長(zhǎng)pH3～6大多數(shù)細(xì)菌生長(zhǎng)的最適pH6.3～7.5放線菌生長(zhǎng)最適

pH7～8影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素影響培養(yǎng)基質(zhì)量的因素解決方法：滅菌前用酸堿調(diào)節(jié)pH，或改變培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的配比，或采用緩沖液調(diào)整pH。選擇合適pH值的準(zhǔn)則是有利于菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成，獲得較高的產(chǎn)量。生長(zhǎng)期和生產(chǎn)