發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計

發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月培養(yǎng)基：廣義上講培養(yǎng)基是指一切可供微生物細(xì)胞生長繁殖所需的一組營養(yǎng)物質(zhì)和原料。同時培養(yǎng)基也為微生物培養(yǎng)提供除營養(yǎng)外的其它所必須的條件。

發(fā)酵培養(yǎng)基的作用：

滿足菌體的生長促進(jìn)產(chǎn)物的形成第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月發(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，價格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購運(yùn)輸，適合大規(guī)模儲藏，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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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程的物質(zhì)變化規(guī)律

培養(yǎng)基營養(yǎng)單一，價格較高，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

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

原料質(zhì)量等方面不加控制會影響生產(chǎn)穩(wěn)定性

第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月三、按生產(chǎn)流程和作用斜面（孢子）培養(yǎng)基：供微生物細(xì)胞生長繁殖或保藏菌種使用，供給細(xì)胞生長和繁殖所需各類營養(yǎng)物質(zhì)。

種子培養(yǎng)基：擴(kuò)大菌種，短時間內(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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月斜面（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繁殖，能獲得更多的細(xì)胞。②對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，否則易長菌絲而少形成孢子。③斜面培養(yǎng)基中宜加入少量無機(jī)鹽類，供給必要的生長因子和微量元素。第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月種子培養(yǎng)基特點(diǎn)營養(yǎng)豐富完全，氮源和維生素等生長因子的含量高些；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；pH要穩(wěn)定；最后一級盡可能接近發(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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵培養(yǎng)基特點(diǎn)目的：使接種菌絲生長并能高效表達(dá)，獲得高的發(fā)酵產(chǎn)量，同時組分盡可能單一，以保證高的得率。要求營養(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——成本問題第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及來源

一、碳源1、作用提供微生物菌種的生長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、來源糖類、油脂、有機(jī)酸、正烷烴第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月不同的制糖工藝生產(chǎn)的糖液質(zhì)量差別很大第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月②糖蜜糖蜜是制糖生產(chǎn)時的結(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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月不用加工方法對甘蔗糖蜜的影響第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月糖蜜使用的注意點(diǎn)：除糖分外，含有較多的雜質(zhì)，其中有些是有用的，但是許多都會對發(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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月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)：來源廣泛、價格底難利用，可以解除葡萄糖效應(yīng)第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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)氮源和無機(jī)氮源。

1、無機(jī)氮源種類：氨鹽、硝酸鹽和氨水特點(diǎn)：微生物對它們的吸收快，所以也稱之為迅速利用的氮源。但無機(jī)氮源的迅速利用常會引起pH的變化如：

(NH4)2SO4

→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2→NH3+2H2O+NaOH

第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

無機(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)，對穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程的pH有積極作用。所以選擇合適的無機(jī)氮源有兩層意義：

滿足菌體生長穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中的pH第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2、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。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機(jī)鹽及生長因子。例玉米漿：①可溶性蛋白、生長因子（生物素）、苯乙酸②較多的乳酸③硫、磷、微量元素等第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

有機(jī)氮源成分復(fù)雜，可以從多個方面對發(fā)酵過程進(jìn)行影響，而另一方面有機(jī)氮源的來源具有不穩(wěn)定性。所以在有機(jī)氮源選取時和使用過程中，必須考慮原料的波動對發(fā)酵的影響第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月氮源使用的一些相關(guān)問題：

有機(jī)氮源和無機(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)氮源選取時也要考慮微生物的同化能力

開發(fā)效果好、有針對性的有機(jī)氮源仍然是令人感興趣的課題第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月三、無機(jī)鹽的微量元素1、作用：各種不一樣2、來源：C、N源，以鹽的形式補(bǔ)充3、用量：根據(jù)具體的產(chǎn)品，以實驗決定4、使用注意點(diǎn)A.對于其它渠道有可能帶入的過多的某種無機(jī)離子和微量元素在發(fā)酵過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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月B、使用時注意鹽的形式（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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月四、生長因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑

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

1、生長因子

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，以生物素為生長因子,生長因子對發(fā)酵的調(diào)控起到重要的作用。

有機(jī)氮源是這些生長因子的重要來源，多數(shù)有機(jī)氮源含有較多的B簇維生素和微量元素及一些微生物生長不可缺少的生長因子第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。2、前體青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月作用：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，具體使用有個轉(zhuǎn)化率的問題例：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%實際使用時的轉(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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月用法：前體使用時普遍采用流加的方法

前體一般都有毒性，濃度過大對菌體的生長不利

苯乙酸，一般基礎(chǔ)料中僅僅添加0.07%

前體相對價格較高，添加過多，容易引起揮發(fā)和氧化流加也有利于提高前提的轉(zhuǎn)化率第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月五、水

對于發(fā)酵工廠來說，恒定的水源是至關(guān)重要的，因為在不同水源中存在的各種因素對微生物發(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。對于釀造行業(yè)，水的重要性不言而喻對于常規(guī)發(fā)酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清潔的水。第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計和優(yōu)化

目前還不能完全從生化反應(yīng)的基本原理來推斷和計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，按照一定的實驗設(shè)計和實驗方法選擇出較為適合的培養(yǎng)基。

第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）、理論轉(zhuǎn)化率與實際轉(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。

實際轉(zhuǎn)化率是指實際發(fā)酵過程中轉(zhuǎn)化率的大小

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

二、成分含量的確定第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月例:

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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、實驗設(shè)計

培養(yǎng)基成分的含量最終都是通過實驗獲得的

合理的實驗方法多因子實驗：均勻設(shè)計、正交實驗設(shè)計、響應(yīng)面分析等。單因子實驗第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月③當(dāng)培養(yǎng)基成分確定后，剩下的問題就是各成分最適的濃度，由于培養(yǎng)基成分很多，為減少實驗次數(shù)常采用一些合理的實驗設(shè)計方法。三、培養(yǎng)基設(shè)計的步驟①根據(jù)前人的經(jīng)驗和培養(yǎng)基成分確定時一些必須考慮的問題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分；②通過單因子實驗最終確定出最為適宜的培養(yǎng)基成分；第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月類胡蘿卜素高產(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、營養(yǎng)保健第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月原培養(yǎng)基:第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

初步確定可能的培養(yǎng)基成分(以碳源為例)第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

通過單因子實驗確定適宜的培養(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，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)果：碳源：乙酸鈉0.2%氮源：氯化銨0.2%

酵母膏0.03%無機(jī)鹽:復(fù)合無機(jī)鹽