发酵培养基论文

1、发酵培养基摘 要：培养基是供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所 需要的按、一定比例配制的多种营养物质的混合物。培养基组成 对菌体生长繁殖、产物的生物合成、产品的分离精制乃至产品的 质量和产量都有着重要的影响。微生物的营养活动是依靠向外界 分泌大量的酶，将周围环境中大分子蛋白质、糖类、脂肪等营养 物质分解成小分子化合物，借助细胞膜的渗透作用，吸收这些小 分子营养物质来实现的。工业中选择的培养基俗称发酵培养基， 一个适于大规模发酵的培养基应该具有共同的特点：培养基中营 养成分的含量和组成能够满足菌体生长和产物合成的需求；发酵 副产物尽可能地少；培养基原料价格低廉，性能稳定，资源丰富， 便于运输

2、和采购；培养基的选择应能满足总体工艺的要求。 关键词：发酵培养基选择依据 成分选择原则 培养基的设计与优 化正 文：发酵培养基是供菌种生长、繁殖和合成产物之用。它既 要使种子接种后能迅速生长，达到一定的菌丝浓度，又要使长好 的菌体能迅速合成需产物。因此，发酵培养基的组成除有菌体生 长所必需的元素和化合物外，还要有产物所需的特定元素、前体 和促进剂等。但若因生长和生物合成产物需要的总的碳源、氮源、 磷源等的浓度太高，或生长和合成两阶段各需的最佳条件要求不 同时，则可考虑培养基用分批补料来加以满足。培养基成分和配比的选择培养基的组分（包括这些组分的 来源和加工方法）、配比、缓冲能力，粘度，消毒是否

3、易彻底， 消毒后营养破坏程度，及原料中杂质的含量都对菌体的生长和产 物形成有影响。但目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断 和计算出适合某一菌种的培养基配方。目前还只能是在生物化学 细胞生物学等的基本理论指导下，参照前人所使用的较适合于某 一类菌种的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，采用摇瓶、 玻璃罐等小型发酵设备，对碳源、氮源、无机盐和前体等进行逐 个单因子试验，观察这些因子对菌体生长和产物合成量的影响。 最后再综合考虑各因素的影响，得到一个比较适合本菌种的生产 配方，以求得到高产。为了加快试验时间，可考虑用“正式试验 设计”等数学方法来确定培养基组分和浓度，它可以通过比较少 的实验次

4、数而得到较满意的结果。另外还可通过方差分析，了解 哪个因素影响较大，以引起人们的注意。在考虑培养基总体要求 时，要注意一些问题。第一，考虑碳源，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，发挥各自的优 势，避其所短。第二，选用适当的碳氮比。培养基中氮比的影响 极为明显。氮源过多，会使菌体生长过于旺盛，pH偏高，不利 于代谢产物的积累，氮源不足，则菌体繁殖量少，从而影响产量， 碳源过多，则容易形成较低的pH,若碳源不足，易引起菌体衰 老和自溶。另外碳氮比不当还会影响菌体按比例地吸收营养物 质，直接影响菌体的生长和产物的形成。菌体在不同的生长阶段，其对碳氮比的要求也不一样。一

5、 般碳源由于既作碳架又作能源，因此用量要比氮多。从元素分析 来看，酵母菌细胞中碳氮比约为 100：20，霉菌约为 100：10； 般工业发酵培养基的碳氮比约为 100：0.22.0；但在氨基酸发 酵中，因为产物中含氮多，所以碳氮比就要相对高一些。例如谷 氨酸生产中取碳氮比 100：1521，若碳氮比为100：0.52.0， 则会出现只长菌体，而几乎不合成谷氨酸的现象。碳氮比随碳水 化合物及氮源的种类以及通气搅拌等条件而异，很难确定一个统 一的比值。第三，要注意生理酸、碱性盐和 pH 缓冲剂的加入和 搭配。这是根据该菌种在现有工艺设备条件下，其生长合成产物 时 pH 变化情况，以及最适 pH 控

6、制范围等，综合考虑选用什么生 理酸碱性物质及其用量，从而保证在整个发酵过程中 pH 都能维 持在最佳状态（有时也可考虑用中间补料来控制pH）。培养基 成分的用量的多少，大部分是根据经验而来。但有些主要代谢的 产物因为它们的代谢途径比较清楚，所以可以根据物料平衡计算 来加以确定，例如在酒精生产中可根据淀粉的用量计算酒精的理 论产率。从上式可计算出青霉素 G 的理论得率为每克葡萄糖 1.1 克青霉素G。在确定培养基中碳源数量时，还要考虑用于菌体生 长和维持所需的消耗。在选择培养基所用的有机氮源时，特别要 注意原料的来源、加工方法和有效成分的含量。有机氮源大部分 为农副产品，其中所含的成分受产地、加

7、工、贮藏等的影响较大， 常会引起产量的波动。例如黄豆饼粉、花生饼粉、棉子饼粉等， 它们的产地不同有机氮的成分和含量也不同，东北大豆含胱氨酸 和蛋氨酸的量比华北、江南产的黄豆含量高，有利于链霉素的生 产。又如豆饼粉加工有热榨和冷榨两种，它们对发酵产品的产量 影响就各不相同。在酱油生产中采用热榨豆饼较好，因为热榨豆 饼中水分含量少，蛋白质含量高，易破碎且使用方便。而链霉素 生产却以冷榨豆饼为宜。低温贮藏可延长贮存期，若于室温存放， 尤其是夏天，豆饼中的油酯等易氧化变质，影响微生物生物合成。 发霉变质的饼粉对产量也有明显影响。国外为了稳定生产，把棉 籽饼粉加工制得成分稳定的商品药用培养基，已用于青霉

8、素等发 酵生产。即使同种工艺不同产地的甘蔗（土质、气候）和存放期 不同都影响糖蜜的质量，所以它的有效成分波动甚大。用甜菜制 作的糖蜜，转化糖含量低，PH呈碱性。甘蔗糖蜜转化糖含量， PH 性。还有些发酵工厂用葡萄糖结晶后所得的母液作碳源。在 制备培养基时水质的影响也应注意，各地区的深井水和自来水的 质量有很大差别。其中微量元素的含量，对成分简单的孢子培养 基或种子培养基有较大的影响。在制酒或啤酒工业中更要注意选 择水瓶、控制水的硬度、含铁量、含氯量及氨态、硝酸态和亚硝 酸态的氮含量，一般常用电渗析或离子交换树脂等进行水的纯化 国。培养基的原料在大规模工业生产中用量很大。在选用时，应 尽就近利用

9、较丰富的廉价原料，设法降低成本。例如原来生产赖 氨酸用山芋漃粉，后来改用山芋粉为碳源，这样不仅价廉，而且 山芋粉中还含有生物素、镁盐等，当培养基改用山芋粉后，就将 可省去原来要加的玉米浆，硫酸镁，并且整个成本降低15%。有 些原料在使用前要进行预处理。如一些谷物或山芋干等农产品。 使用前要去除杂草、泥块、石头、小铁丁等杂物以免损坏粉碎机。 又如要酒精、丙酮、丁醇等的生产中，淀粉原料使用量大，需要 预先进行蒸煮、糊化，使酵母能有效地将其糖化。糊化程度与温 度、时间有关，蒸煮温度过低使糊化不充分，影响糖化率；反之， 则会发生焦化等情况，影响营养成分，甚至产生黑色素等有害物 质。为了避免长时间的蒸煮

10、，可将大块干薯加以粉碎过筛。国外 生产抗生素用培养基均通过 200 目筛子。有些谷物如大麦、高粱、 橡子等原料最好先云皮壳，这样一方面可防止 中有害物和单宁 等带入发酵醪（液），影响微生物生长和产物形成；另一方面大 量皮壳占去一定体积，降低了设备的利用率，且堵塞管道，增加 流动阻力。在使用糖蜜时，在必要时，也要进行预处理。例如在 柠檬酸生产时，为了去除糖蜜中铁离子，防止异柠檬酸的产生， 要预先加入黄血盐云除铁离子。在酒精生产或酵母生产中若使用 糖蜜，则需要预先进行稀释、酸化、灭菌、灯清和添加营养盐等 处理。因为糖蜜中干物质浓度很大，糖分高、产酸细菌多，灰分 和胶体物质也很多，酵母无法生长。 发

11、酵培养基的选择依据：不同的微生物对培养基的需求不同的，因此，不同微生物培 养过程对原料的要求也是不一样的。因该具体情况具体分析，从 微生物营养要求的特点和生产工艺的要求出发，选择合适的营养 基，使之既能满足微生物生长的需要，又能获得高产品，同时也 要符合增产节约，因地制宜的原则。根据微生物的特点来选择培养基，用于大规模生产的微生物 主要有细菌、酵母菌、霉菌和放线菌等四大类。它们对营养物质 的要求不尽相同，有共性也有性。在实际应用时，要依据微生物 的不同特性，来考虑培养基的组成，对典型的培养基配方需做必 要的调整。根据不同用途选择培养基，液体培养基，固体培养基有着不 同的用途，也有各自的优点和缺

12、点。在液体培养基中，营养物质 以溶质状态溶解于水中，这样微生物就能够更充分接触和利用营 养物质，更有利于微生物的生长和更好的积累代谢产物。而固体 培养基则常用于传统的白酒生产及部分酶制剂的生产，亦用于微 生物菌种的保藏、分离、菌落特征鉴定、活细胞数测定等反面。根据生产实践和科学实验的不同要求选择培养基，生产过程 中，由于菌种的保藏、种子的扩大培养到发酵生产等各个阶段的 目的和要求不同，因此，所选择的培养基成分配比也因该有所区 别。一般说来，种子培养基主要是提供微生物菌体的生长繁殖。 发酵培养基还应该考虑便于发酵操作以及不影响产物的提取分 离和产品的质量。根据经济效益分析选择培养基。从科学的角度

13、出发，培养基 的经济效益性通常是不被那么重视。而对于生产过程来说，由于 大部分原料都是粮食等且工业消耗量大，因此在工业发酵选择原 料上，除了必须考虑被微生物利用并满足生产工艺的要求除外， 还应该考虑到经济效益，必须以廉价、来源丰富、运输方便、就 地取材以及没有毒性等原则选择培养基的原料。 发酵培养基成分选择的原则：不同的微生物所需要的培养基成分不同，要确定一个适合 的培养基，就需要了解生产用菌的来源、生理生化特性和一般的 营养要求，根据不同生产菌的培养条件、生物合成的代谢途径、 代谢产物的化学性质等确定培养基。菌体的同化能力，微生物能够利用复杂的大分子是由于微 生物能够分泌各种的水解酶类，在体

14、外将大分子水解为微生物能 够直接利用的小分子物质。葡萄糖几乎是所有的微生物都能利用 的碳源，因此在培养基选择时一般都优先加以考虑。但工业上由 于直接选用葡萄糖作为碳源，成本相对较高，一般采用淀粉水解 糖。为了保证发酵正常生产，水解糖液达到一定量的指标。代谢物的阻遏和诱导作用，对于快速利用的碳源儒葡萄糖 来讲，当菌体利用葡萄糖是产生的分解代谢产物会遏制或抑制某 些产物合成所需酶系的形成或酶的活性，即发生“葡萄糖效应”。 因此在抗生素发酵时，作为种子培养基所含的快速利用碳源和酶 源，往往比发酵培养基所含的多。有些产物会受氮源的诱导和阻 遏，这在蛋白酶的生产中表现尤为明显，除个别外，通常蛋白质 酶的

15、生产受培养基中蛋白质或多肽的诱导，而受铵盐、硝酸盐、 氨基氮的阻遏。这时在培养基氮源选取时应该考虑以有机氮源为 主。合适的碳氮比，培养基中碳氮比对微生物生长繁殖和产物合 成影响极为显著。在选择和配置发酵培养基时，要注意快速利用 的碳源和慢速利用的碳源的相互配合，发挥各自优势，避其所短， 选用合适的碳氮比。发酵培养基的设计与优化 发酵培养基配制时应注意的问题：培养基的的配制必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基 本成分；有利于减少培养基原料的单耗，单位营养物质所合成合 成产物数量大或产率大；有利于提高培养基产物的浓度，以提高 单位容积发酵罐的生产能力；有利于提高产物的合成速度，缩短 发酵周期；尽量

16、减少副产物的的形成，减少对发酵过程中通气搅 拌的影响，有利于提高氧气的利用率、降低能耗，有利于产品的 分离和纯化，并尽可能减少产生“三废”的物质。在配制发酵培养基时应该保持一个干净、整洁的环境十分重 要。化学消毒剂可以帮助控制污染，而且配置培养基的地点应该 用合适的消毒剂擦洗。发酵培养设计时应注意的问题：首先是要考虑原材料的质量，特别是在用到蜜糖时，要注意， 由于蜜糖含有大量的无机盐、胶体物质和灰分，对于有些产品是生产要做出预处理；再次是考虑发酵的特性、灭菌操作、水质的影响、和pH的影响。培养基的设计与优化：一般来讲培养基的选择一般是由其成分决定的，然后在确定 其组分之间应该怎样达到最适的复配。设计任何一种培养基均需 要根据具体情况，抓住主要环节。一个适宜的培养基首先必须满 足擦汗内务最经济的合成，也就是说原材料的利用率最高，这是 一个转化率的问题。因该指出的是选择培养基成分，设计培养基配方虽然有一些 理论依据，但最终确定是通过实验获得的。一般一个培养基设计 的过程大约要经过以下几个步骤：根据前人的经验和培养基的成 分必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；通过但因素实 验最终确定出适合的培养基成分；当培养基成分确定时，在确定 最佳浓度。对于一个分批发酵过程研究的重点和控制的目的应当是：