4培养基设计(上).ppt

1、1.济宁大学生命科学与工程系韩小龙讲师，发酵工程。电话子邮件：2。发酵生产的一般过程、菌种、培养基、过滤、下游提取、扩大培养、产品、空气和灭菌。1.培养基类型。培养基是指通过人工方法为微生物、植物和动物细胞生长、繁殖或积累代谢产物而制备的各种营养物质。培养基的组成对细菌的生长和繁殖、产品的生物合成、产品的质量和产量以及产品的分离和精制具有重要影响。4，1。根据培养基的成分，1)合成培养基。所用原料的化学成分清晰稳定，如葡萄糖和硫酸铵，用于实验室进行营养、代谢、分类鉴定、菌种选育和遗传分析的定量研究；在生产某些疫苗的过程中，为了防止其他蛋白质等杂质混入，合成培养基也是常

2、用的；营养单一，价格高，不适合大规模生产；2)天然培养基，原料是一些天然动植物产品，如花生饼粉、蛋白胨、牛肉酱、酵母膏、麦芽汁、玉米浆等。这是广泛可得的(主要是农副产品)，营养丰富，价格低廉，适合工业化生产，一般不需要添加微量元素，维生素和其他物质，因为复杂的成分，不容易重复。如果原材料的质量得不到控制，就会影响生产的稳定性。3)半合成培养基包含天然成分和纯化学试剂。发酵工业中使用的大多数培养基是半合成培养基。5，2。它是根据物理状态分类的。1)固体，适用于菌株和孢子的培养和保存。传统的发酵食品生产也广泛用于生产具有子实体的真菌，如香菇和黑木耳。近年来，由于机械化程度的提高，固体培养基已被用于

3、发酵工业的大规模生产，其成分通常为麸皮、大米、小米、锯末、秸秆壳等。2)半固体，琼脂0.5%-0.8%主要用于鉴定细菌、观察细菌的运动特性和测定噬菌体的效价等。3)液体，发酵工业中大规模使用的培养基，6.2。发酵培养基的组成和来源，通常含有微生物生长和繁殖所需的营养物质，如碳源(能量)、氮源、无机盐、生长因子和水。有些还含有前体、产品促进剂和抑制剂。1.碳源，任何在微生物细胞结构或代谢物中作为碳架来源的营养物质都称为碳源。主要功能：1)为细菌的生长和繁殖提供能量，合成细菌必需的成分；2)为目标产物的合成提供必要的碳元素，1。碳源，8。常用的碳源是：在特殊情况下(如缺乏碳源)，蛋白质水解物或氨基

4、酸也可被微生物用作碳源。9，1，碳水化合物，发酵培养基中最广泛使用的碳源；主要有葡萄糖、糖蜜和淀粉糊精等。这是工业中常用的。淀粉水解糖的制备是发酵生产的一个重要过程，这将在后面详细介绍。10.葡萄糖是最容易使用的，几乎所有的微生物都可以使用葡萄糖作为培养基的主要成分。但是过多的葡萄糖会加速细菌的呼吸，使培养基中的溶解氧不能满足需要，并抑制微生物的生长和产物的合成。11、制糖工业的副产品糖蜜制糖结晶母液；富含糖、氮化合物、无机盐和维生素，是微生物发酵培养基的一种价廉物美的碳源；糖蜜主要含蔗糖，总糖可达45-50%。含水量：18-36%。粗蛋白2.5-8%，粗灰分4-12.5%。糖蜜分为甘蔗糖蜜和

5、甜菜糖蜜，它们的含糖量和无机盐含量不同。即使相同的糖蜜由于加工方法不同而具有不同的成分，在使用时也要注意。淀粉多糖，也是一种常见的c油脂也可以被许多微生物用作碳源和能源。这些微生物具有相对活性的脂肪酶。在脂肪酶的作用下，油或脂肪水解成甘油和脂肪酸，在溶解氧的参与下，甘油和脂肪酸进一步氧化成CO2和H2O，释放出大量的能量。当微生物利用脂肪作为碳源时，它们应该比糖代谢提供更多的氧气，否则，代谢中的大量脂肪酸和有机酸将会积累，这将导致酸碱度的降低，并影响微生物细胞中酶的活性。常用的有大豆油、植物油、葵花油、猪油、鱼油、棉籽油等。2，油脂，14。随着石油工业的发展，发酵工业的碳源也在扩大。正构烷烃(

6、通常是从石油裂解中获得的具有14-18个碳原子的直链烷烃的混合物)已经用于有机酸、氨基酸、维生素、抗生素和酶制剂的工业发酵。3、烃类和醇类、15、2、氮源、有机氮源豆饼(粕)粉、花生饼粉、鱼粉、蚕蛹粉、酵母粉、玉米浆、尿素等。无机氮源铵盐、硝酸盐等。(因为细胞中的含氮物质以氨基或亚氨基的形式存在，所以铵氮可以直接用于合成细胞物质；然而，硝酸盐氮只有在被还原成氨后才能使用。)16。氮源物质经常影响培养液的酸碱度。(NH4)在SO4 2Nh3H2SO4纳米34H2NH3 2H2O的反应中产生的NH3被细菌用作氮源后，酸性或碱性物质留在培养液中。在常用的无机氮中，硫酸铵被细菌利用后会降低培养液的酸碱

7、度，细菌是一种生理酸性物质；硝酸钠被吸收后，会导致培养液的酸碱度上升，这是一种生理碱性物质。17.无机氮源、尿素、玉米浆等。可作为有效氮快速利用；蛋白质氮需要水解成肽和氨基酸才能被吸收和利用，属于晚效氮，18，生长因子，概念：微生物生长不可缺少的微量有机物质。类别：维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶及其衍生物。19.不是所有的微生物都是必需的，但是只有一些不能自己合成这些成分的微生物才是必需的营养物质。例如，以糖原料为碳源的谷氨酸产生菌缺乏生物素，生物素被用作生长因子。生物素：b族维生素之一，也称为维生素h或辅酶r。它是合成脂肪酸所必需的。脂肪酸的生物合成：乙酰辅酶a(丙二酰辅酶a为直接原料)在乙酰辅酶

8、a羧化酶(生物素为辅基)的催化下合成。脂肪酸甘油磷酸蛋白生物膜，20，提供生长因子的农副产品原料，1)CSL玉米浆，用亚硫酸浸泡玉米得到的浸泡液的浓缩液，也是玉米淀粉生产的副产物。虽然它主要用作氮源，但它富含氨基酸、核酸、维生素、无机盐等。通常用作提供生长因子的物质。21，2)麸皮水解物可替代玉米浆，其蛋白质、氨基酸等营养成分低于玉米浆。用量约为1%(以干麸皮计)，水解条件为：干麸皮：水：盐酸=4.6:26:1，放入水解罐中，在0.070.08兆帕表压下加热水解7080分钟。干麸皮水=120，用盐酸调节酸碱度至1.0，在0.25兆帕的表压下加热水解20分钟。过滤得到滤液。22，3)糖蜜、甘蔗糖

9、蜜和甜菜糖蜜可以代替玉米浆，但氨基酸等有机氮的含量较低；4)酵母、酵母提取物、酵母提取物和酵母粉；5)其他，牛肉酱、蛋白胨、动物心脏、肝脏等组织提取物富含生长因子；23、4、水和生理功能4)水的比热高，能有效吸收代谢过程中释放的热量，使细胞内温度不会突然升高；同时，水是良好的导热体，有利于散热，并能调节电池温度。对于发酵工厂来说，恒定的水源非常重要，因为不同的水源中有不同的因素水质的主要参数包括酸碱度、溶解氧、可溶性固形物、污染程度和矿物组成及含量。对于常规发酵，它是可靠的和持久的，并能提供大量成分一致的清洁水。无机盐和微量元素，主要是无机元素：磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。微量无机元素：钼、

10、锌、钴、铜、硼、溴等。微量无机元素的需求量很小，但它们常常强烈刺激微生物的生长和发育。26、磷酸盐和磷是一些蛋白质和核酸的成分。磷酸盐在培养基中也起缓冲作用。微生物对磷的需求一般为0。常用的K3PO4、Na2HPO4、NaH2PO4、硫酸镁和Mg 2是许多重要酶(如己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、羧化酶等)的激活剂。)。镁离子对氨基糖苷类抗生素产生菌有促进作用。硫存在于细胞蛋白质中，细胞蛋白质是含硫氨基酸的组成部分。硫是一些酶的活性基团。当培养基中加入硫酸镁时，在碱性条件下会形成氢氧化镁沉淀，所以要注意配料。钾盐和钾是许多酶的激活剂。细菌生长所需的钾量约为0.1克/升(按K2SO4计算)，微量元

11、素是必不可少的，几乎不需要。农副产品的天然原料一般用作碳源和氮源，其中含有一些金属离子，尤其是汞离子和铜离子，具有明显的毒性。概念：当一些化合物加入到发酵培养基中时，它们可以在生物合成过程中被微生物直接结合到产物分子中，但是它们自身的结构没有太大变化，但是由于前体的加入，产物的产率大大提高。发现：它首先在青霉素的生产中被发现。加入玉米浆后，青霉素单位可从20U/ml增加到100 U/ml。玉米浆中含有苯乙胺，可以优先合成青霉素分子，从而提高青霉素G. 29的产量。大多数前体，如苯乙胺，对微生物的生长是有毒的，细菌具有氧化和分解前体的能力。因此，为了降低毒性和提高前体的利用率，通常使用少量的补料

12、分批工艺。苯乙酸，通常仅0.07%加入到基础材料中。30，31，7。促进剂和抑制剂，1。加速剂：加速剂是指那些对细胞生长来说不是必需的，也不是前体，但加入后能增加产量的营养物质。32，各种启动子对酶产生的促进作用，33，这些启动子不是前体或营养物，它们能影响正常代谢，或促进中间代谢物的积累，或增加次级代谢物的产量。例如，巴比妥可以增加产链霉素细菌的抗自溶能力，延迟自溶时间，增加链霉素积累。当谷氨酸棒杆菌生产赖氨酸时，加入红霉素可以提高产量25%以上。34、加速器增产的机理尚不完全清楚，原因是多方面的。各种促进剂的效果不仅受细菌菌株和年龄的影响，还与所用培养基的组成有关。即使使用相同的促进剂和相

13、同的菌株生产相同的产品，当使用不同的培养基时，效果也会不同。例如，在酶制剂的生产中，一些促进剂本身就是酶的诱导剂；有些促进剂是表面活性剂，可以提高细胞的通透性，改善细胞与氧的接触，从而促进酶的分泌和生产。其他人认为表面活性剂可以保护酶的表面失活；一些加速剂会沉淀或螯合有害的金属离子。抑制剂抑制某些代谢途径的进展，刺激另一种代谢途径，从而改变微生物的代谢途径。例如，在酵母的厌氧发酵中加入亚硫酸盐或碱可以抑制酒精发酵，但转向甘油发酵，36，某些代谢产物的抑制剂，37，发酵培养基的设计和优化，38，设计发酵培养基的四个要求：1，明确目的，2，协调营养，3，适宜条件，4，经济节约，39，1，明确目的，

14、首先，明确目的实验室研究准备这种培养基。没有必要太担心成本。大规模发酵生产种子培养基和发酵培养基的主流代谢产物一般是指那些通过主代谢途径产生的结构简单、产量高、价值低的降解产物。次生代谢物一般是指那些通过复杂的合成途径产生的结构复杂、产量低、价值高的合成产物。40.一般来说，只有小分子可以通过细胞膜进入细胞进行代谢；由于各种水解酶的分泌，复杂的大分子可以被微生物利用，这些水解酶将大分子水解成可以在体外被微生物直接利用的小分子。不同来源和类型的微生物分泌不同的水解酶系统；由于缺乏水解酶系统，一些微生物只能使用简单的材料；当考虑某一菌株对培养基的总体要求时，在选择组分时应注意细菌的同化能力。41.

15、应特别注意碳源和氮源的选择，其中许多是复杂的有机大分子，如淀粉和豆饼粉；有了这种原料，微生物必须具有分泌胞外淀粉酶和蛋白酶的能力。为了培养不能分泌淀粉酶的菌株，淀粉可以先糖化，而一些微生物，如大多数产氨基酸的细菌，缺乏蛋白水解酶，所以豆饼水解液的制备方法可以如下：豆饼粉(100公斤)水(133公斤)盐酸，调节酸碱度至1.0以下，100，常压水解16小时，或0.25-0.3兆帕压力水解6小时，或用硫酸水解。在酶制剂的生产中，还应考虑碳源分解代谢抑制的影响。对于许多诱导酶，容易利用的碳源(如葡萄糖或果糖)不利于酶的生产。培养基成分选择的原则(续)，代谢的抑制和诱导，根据微生物的特性和培养的目的，注

16、意碳(氮)源使用快和碳(氮)源使用慢的配合，充分发挥各自的优势，避免各自的缺点。当细菌使用葡萄糖时产生的分解代谢物可能抑制或抑制某些产物合成所需的酶系统或酶活性的形成(葡萄糖效应)；当抗生素发酵时，种子培养基通常比发酵培养基含有更快获得的碳源和氮源。有时有必要考虑分批进料或连续进料。一些产品被氮源诱导和抑制。例如，蛋白酶的产生通常由培养基中的蛋白质或多肽诱导，但被铵盐、硝酸盐和氨基酸抑制。因此，有机氮源(如蛋白质)应被视为主要氮源。43，2。在大多数异养细菌的培养基中，各营养元素在数量上的比例一般符合以下十重顺序递减规律：元素：H2OC能源、氮源、磷、钾、镁生长因子含量：(10-1)(10-2

17、)(10-3)(10-4)(10-5)(10-5)一般来说，由于碳源不仅作为碳骨架参与细菌和产物的合成，而且在生命过程中作为能量，这一比例高于氮源。普通工业发酵培养基的碳氮比为100:(0.2-2.0)。但是，由于谷氨酸发酵产物中含氮量高，氮源的比例相对较高，一般取100:(15-20)。如果碳氮比为100:(0.5-2.0)，只有细菌会生长，谷氨酸不会合成。培养基成分选择的原则(续)、合适的碳氮比以及碳氮比对生长、繁殖和产品合成的影响是极其重要的。氮源过多会使细菌过度生长，而且酸碱度高，不利于代谢产物的积累；如果氮源不足，细菌的繁殖将会减少，这也是为什么，45，碳氮比(CN比)，五种常见氮源NH3(82)co(NH2)