发酵工业培养基设计

关于发酵工业培养基设计培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长繁殖所需的一组营养物质和原料。同时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。

发酵培养基的作用：

满足菌体的生长促进产物的形成第2页,共47页，2024年2月25日，星期天发酵培养基的要求①培养基能够满足产物最经济的合成。②发酵后所形成的副产物尽可能的少。③培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应。④所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等。第3页,共47页，2024年2月25日，星期天3.1培养基的类型及功能

培养基按其组成物质的纯度、状态、用途可分为三大类型

一、按纯度

合成培养基

:原料其化学成分明确、稳定

适合于研究菌种基本代谢和过程的物质变化规律

培养基营养单一，价格较高，不适合用于大规模工业生产

天然培养基:采用天然原料

原料来源丰富(大多为农副产品)、价格低廉、适于工业化生产

原料质量等方面不加控制会影响生产稳定性

第4页,共47页，2024年2月25日，星期天二、按状态固体培养基

:适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应用于有子实体的真菌类，如香菇、白木耳等的生产

半固体培养基:即在配好的液体培养基中加入少量的琼脂，一般用量为0.5%～0.8%,主要用于微生物的鉴定。液体培养基:80%～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的营养成分，是发酵工业大规模使用的培养基。三、按用途（从发酵生产应用考虑P19）

培养基按其用途可分为孢子（斜面）培养基、种子培养基和发酵培养基三种

第5页,共47页，2024年2月25日，星期天3.2发酵培养基的成分及来源

一、碳源1、作用

提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分

提供合成目的产物所必须的碳成分2、来源糖类、油脂、有机酸、正烷烃第6页,共47页，2024年2月25日，星期天3、工业上常用的糖类①葡萄糖

几乎所有的微生物都能利用葡萄糖但是会引起葡萄糖效应

工业上常用淀粉水解糖,但是糖液必须达到一定的质量指标第7页,共47页，2024年2月25日，星期天淀粉质原料处理中的几个基本概念：糊化（用酶处理时称“液化”）：淀粉成为糊精和低聚糖，黏度降低（可通过加热、酸解、酶解）。糖化：糊精和低聚糖彻底水解为葡萄糖第8页,共47页，2024年2月25日，星期天淀粉水解糖的制备方法：酸解法：酸、高温、高压，时间短；酸酶法：先酸水解为糊精或低聚糖，再用酶(？)水解为葡萄糖；酶酸法：先用酶（？）水解为糊精或低聚糖，再用酸水解为葡萄糖；双酶法：先用上述一种酶将淀粉分解为糊精或低聚糖（此称液化），再用另一种酶将其水解为葡萄糖。淀粉水解过程中产生的糖苷链片段，即为糊精第9页,共47页，2024年2月25日，星期天不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大DE值是还原糖（以葡萄糖计）占糖浆干物质的百分比。

国家标准中，DE值越高，葡萄糖浆的级别越高第10页,共47页，2024年2月25日，星期天②糖蜜

糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物。

糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%～75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。第11页,共47页，2024年2月25日，星期天糖蜜使用的注意点：

除糖份外，含有较多的杂质，其中有些是有用的，但是许多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。例：谷氨酸发酵有害物质：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶）

生物素（发酵控制）预处理：澄清→脱钙→脱除生物素例：柠檬酸发酵有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成）预处理：→黄血盐（络合）第12页,共47页，2024年2月25日，星期天糖蜜使用时的一般处理方法：稀释。其中干物质浓度高；灭菌和调酸。含较多杂菌，尤其是产酸细菌；除去胶体物质（果胶质、焦糖、黑色素）。不仅会产生大量泡沫、还抑制菌体发挥作用；除去灰分和其他杂质；适当添加其他营养成分。第13页,共47页，2024年2月25日，星期天③

淀粉、糊精使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类缺点：难利用、发酵液比较稠、一般>2.0%时加入一定的α-淀粉酶成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。优点：来源广泛、价格底，可以解除葡萄糖效应第14页,共47页，2024年2月25日，星期天例：地衣芽孢杆菌生产α-淀粉酶碳源对生长和产酶的影响碳源细胞量α-淀粉酶葡萄糖4.20蔗糖4.020糊精3.0638.2淀粉3.0940.2第15页,共47页，2024年2月25日，星期天嗜碱芽胞杆菌(AC-2)中碳源对碱性纤维素酶分泌的影响结果：各种碳源相差不大推论：该菌种的碱性纤维素酶为组成型苏勤，林业化学与工业，2004第16页,共47页，2024年2月25日，星期天二、氮源

氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。常用的氮源可分为两大类：有机氮源和无机氮源。

1、无机氮源种类：铵盐、硝酸盐和氨水特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利用的氮源（速效氮源）。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化如：

(NH4)2SO4

→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2

→NH3+2H2O+NaOH第17页,共47页，2024年2月25日，星期天

无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质，这种经微生物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质，如硫酸胺，若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。正确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。（碳源主要为生理酸性物质）所以选择合适的无机氮源有两层意义：

满足菌体生长稳定和调节发酵过程中的pH第18页,共47页，2024年2月25日，星期天毛霉产蛋白酶的研究陈涛，中国酿造，2004初始pH的影响:pH偏酸比较好，中性蛋白酶影响大第19页,共47页，2024年2月25日，星期天无机氮源的影响：硫酸铵>硝酸铵>硝酸钠>尿素第20页,共47页，2024年2月25日，星期天2、有机氮源来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟。成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还提供大量的无机盐及生长因子。例玉米浆：①可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸②较多的乳酸③硫、磷、微量元素等第21页,共47页，2024年2月25日，星期天

有机氮源成分复杂可以从多个方面对发酵过程进行影响，而另一方面有机氮源的来源具有不稳定性。所以在有机氮源选取时和使用过程中，必须考虑原料的波动对发酵的影响。第22页,共47页，2024年2月25日，星期天氮源使用的一些相关问题：

有机氮源和无机氮源应当混合使用早期：容易利用易同化的氮源—无机氮源中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质

有些产物会受氮源的诱导和阻遏例：蛋白酶的生产

有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力

开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣的课题第23页,共47页，2024年2月25日，星期天三、无机盐及微量元素（P17）1、作用：各种不一样2、来源：以盐的形式补充3、用量：根据具体的产品，以实验决定4、使用注意点A.对于其它渠道有可能带入的过多的某种无机离子和微量元素在发酵过程中必须加以考虑第24页,共47页，2024年2月25日，星期天例：铁离子青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20μg/ml

发酵罐必须进行表面处理B、使用时注意盐的形式（pH的变化）例：黑曲酶NRRL-330,生产α-淀粉酶，P对酶活的影响

pH酶活不加4.25120分钟加K2HPO45.4530分钟加KH2PO44.6275分钟第25页,共47页，2024年2月25日，星期天四、生长因子、前体和产物促进剂

从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。

1、生长因子

如以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌均为生物素缺陷型，以生物素为生长因子,生长因子对发酵的调控起到重要的作用。

有机氮源是这些生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多的B簇维生素和微量元素及一些微生物生长不可缺少的生长因子。第26页,共47页，2024年2月25日，星期天

前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。2、前体青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136第27页,共47页，2024年2月25日，星期天3、产物促进剂所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。第28页,共47页，2024年2月25日，星期天

促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方面的。有些促进剂本身是酶的诱导物；有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产，也有人认为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用；有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。第29页,共47页，2024年2月25日，星期天五、水

对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关重要的，因为在不同水源中存在的各种因素对微生物发酵代谢影响甚大。

水源质量的主要考虑参数包括pH值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。对于酿造行业，水的重要性不言而喻

对于常规发酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清洁的水。第30页,共47页，2024年2月25日，星期天3.3发酵培养基的设计和优化

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，只能用生物化学、细胞生物学、微生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合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，按照一定的实验设计和实验方法选择出较为适合的培养基。

第31页,共47页，2024年2月25日，星期天一、培养基成分选择的原则

菌种的同化能力

代谢的阻遏和诱导

合适的C、N比100∶0.2～2.0

pH的要求

第32页,共47页，2024年2月25日，星期天二实验设计

培养基成分的含量最终都是通过实验获得的

合理的实验方法多因子实验：均匀设计、正交实验设计、响应面分析等。单因子实验第33页,共47页，2024年2月25日，星期天③当培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法。三、培养基设计的步骤①根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；②通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分；第34页,共47页，2024年2月25日，星期天类胡萝卜素高产菌Y11的培养基的优化郭秒,食品与工业发酵，2004类胡萝卜素的作用：色素、营养保健第35页,共47页，2024年2月25日，星期天原培养基:第36页,共47页，2024年2月25日，星期天

初步确定可能的培养基成分(以碳源为例)第37页,共47页，2024年2月25日，星期天

通过单因子实验确定适宜的培养基成分(以碳源为例)考虑到成本：乙酸钠是较为合适的碳源进一步：乙酸钠的浓度0.2%比较好第38页,共47页，2024年2月25日，星期天

正交设计确定优化的配方第39页,共47页，2024年2月25日，星期天第40页,共47页，2024年2月25日，星期天结果：碳源：乙酸钠0.2%氮源：氯化铵0.2%

酵母膏0.05%无机盐:复合无机盐0.05%第41页,共47页，2024年2月25日，星期天改进后培养基原培养基改进后培养基的发酵结果第42页,共47页，2024年2月25日，星期天La（bc）正交设计试验总次数，行数因素水平数因素个数，列数等水平正交表La（bc）第43页,共47页，2024年2月25日，星期天影响山楂液化率的因素很多，如山楂品种、山楂果肉的破碎度、