发酵工程：3第三章 发酵工业培养基及其设计

1、第三章：发酵培养基第三章：发酵培养基 培养基培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞 生长生长 繁殖所需的一组营养物质和原料。同时培养基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。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：发酵培养基的作用： 满足菌体的生长满足菌体的生长 促进产物的形成促进产物的形成 发酵培养基的要求发酵培养基的要求 培养基能够满足产物最经济的合成。培养基能够满足产物最经济的合成。 发酵后所形成的副产物尽可能的少。发酵后所形成的副产物尽可能的少。 培养基的原料应因地制宜，

2、价格低廉；且性能稳定，资源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，能保证生产上的丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的 供应。供应。 所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响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。通气、提取、纯化及废物处理等。 第一节 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、按纯度一、按纯度 合成培养基合成培养基 : 原料其化学成分明确、稳定原料其化学成分明确、稳定 q 适合于研究

3、菌种基本代谢和过程的物质变化规律适合于研究菌种基本代谢和过程的物质变化规律 q 培养基营养单一，价格较高，不适合用于大规模工业培养基营养单一，价格较高，不适合用于大规模工业 生产生产 天然培养基天然培养基: 采用天然原料采用天然原料 q 原料来源丰富原料来源丰富(大多为农副产品大多为农副产品)、价格低廉、适于工业、价格低廉、适于工业 化生产化生产 q 原料质量等方面不加控制会影响生产稳定性原料质量等方面不加控制会影响生产稳定性 v培养基的类型及功能培养基的类型及功能 M培养基培养基(1L)： Na2HPO4 6g，KH2PO4 3g， NaCl 0.5g， NH4Cl 1g， MgSO4.7H

4、2O 0.5g， CaCl2 0.011g，葡萄糖，葡萄糖 2-10, pH 7.0 YPS培养基：酪蛋白胨（日本大五营养）培养基：酪蛋白胨（日本大五营养）10g，酵母，酵母 提取物（英国提取物（英国Oxoid）5g, NaCl 10g，PH 7.2 培养大肠杆菌常用两种培养基培养大肠杆菌常用两种培养基 v培养基的类型及功能培养基的类型及功能 二、按状态 固体培养基固体培养基 :适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应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 半固体培养基半固体培养基: :即在配好的液体培养基

5、中加入少量的琼即在配好的液体培养基中加入少量的琼 脂，一般用量为脂，一般用量为0.5%0.8% ,主要用于微生物的鉴定。主要用于微生物的鉴定。 液体培养基液体培养基:80%90%是水，其中配有可溶性的或不是水，其中配有可溶性的或不 溶性溶性 的营养成分，是发酵工业大规模使用的培养基。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）三、按用途（从发酵生产应用考虑） 培养基按其用途可分为培养基按其用途可分为孢子（斜面）孢子（斜面）培养基、培养基、种子种子培养基培养基 和和发酵发酵培养基三种培养基三种 v培养基的类型及功能培养基的类型及功能 第二节第二节 发酵培养基的成分

6、及来源发酵培养基的成分及来源 一、碳源一、碳源 1、作用、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 的碳成分的碳成分 提供合成目的产物所必须的碳成分提供合成目的产物所必须的碳成分 2、来源、来源 糖类、油脂、有机酸、正烷烃糖类、油脂、有机酸、正烷烃 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 3、工业上常用的糖类、工业上常用的糖类 葡萄糖葡萄糖 所有的微生物都能利用葡萄糖所有的微生物都能利用葡萄糖 但是会引起葡萄糖效应但是会引起葡萄糖效应 q 工业上常用淀粉水解糖工业上常用淀粉水解糖,但是糖液必须达到一定的质但是糖液必须达到

7、一定的质 量指标量指标 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 糖蜜糖蜜 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，总糖可达糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%75%。一般糖蜜分。一般糖蜜分 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来

8、源 糖蜜使用的注意点：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。许多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。 例：谷氨酸发酵例：谷氨酸发酵 有害物资：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶）有害物资：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶） 生物素（发酵控制）生物素（发酵控制） 预处理：澄清预处理：澄清脱钙脱钙脱除生物素脱除生物素 例：柠檬酸发酵例：柠檬酸发酵 有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成）有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成） 预处理：预处理：黄血盐黄血盐

9、v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 淀粉、糊精淀粉、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、缺点：难利用、 发酵液比较稠、一般发酵液比较稠、一般2.0%时加入一定的时加入一定的-淀粉酶淀粉酶 成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。 优点：来源广泛、价格底优点：来源广泛、价格底 难利用，可以解除葡萄糖效应难利用，可以解除葡萄糖效应 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 例：地衣牙孢杆菌生产例：地衣牙孢杆菌生产-淀粉酶淀粉酶 碳源对生长和产酶的影响碳源对生长和产

10、酶的影响 碳源碳源 细胞量细胞量 -淀粉酶淀粉酶 葡萄糖葡萄糖 4.2 0 蔗糖蔗糖 4.02 0 糊精糊精 3.06 38.2 淀粉淀粉 3.09 40.2 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 李江华，无锡轻工大学学报，2004 (半纤维素酶) (1.5g麸皮) v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 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 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 二、氮源二、氮源 氮源

11、主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、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。氮源和无机氮源。 1、无机氮源、无机氮源 种类：种类：氨盐、硝酸盐和氨水氨盐、硝酸盐和氨水 特点：特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利 用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变的变 化如：化如： (NH4)2SO4 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 NH3 + 2H2O + Na

12、OH v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸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性物质的无机氮源叫生理酸性物质生理酸性物质，如硫酸胺，若菌体代谢，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后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质生理碱性物质，如，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 的的pH有积极作用。有积

13、极作用。 所以选择合适的无机氮源有两层意义：所以选择合适的无机氮源有两层意义： q 满足菌体生长满足菌体生长 q 稳定和调节发酵过程中的稳定和调节发酵过程中的pH v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 毛霉产蛋白酶的研究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 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 无机氮源的影响： 硫酸铵硝酸铵硝酸钠尿素 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 2、有机氮源、有机氮源 来源：来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，花生饼花生饼 粉、黄

14、豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋粉、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、废菌丝体和酒白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒 糟糟。 成分复杂成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还提供大量的无机：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。盐及生长因子。 例例 玉米浆：玉米浆： 可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸 较多的乳酸较多的乳酸 硫、磷、微量元素等硫、磷、微量元素等 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 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

15、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 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 氮源使用的一些相关问题： q 有机氮源和无机氮源应当混合使用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早期：容易利用易同化的氮源无机氮源无机氮源 中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质 q 有些产物会受氮源的诱导和阻遏有些产物会受氮源的诱导和阻遏 例：例： 蛋白酶的生产蛋白酶的生产 q 有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力 q 开发效果好、有针对性的有机

16、氮源仍然是令人感兴趣开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣 的课题的课题 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 三、无机盐的微量元素三、无机盐的微量元素 1、作用：各种不一样、作用：各种不一样 2、来源：来源：C、N源，以盐的形式补充源，以盐的形式补充 3、用量：根据具体的产品，以实验决定，用量：根据具体的产品，以实验决定，P104 4、使用注意点使用注意点 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微量元素在发酵过程中必须加以考虑 v发酵培养

17、基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 例：铁离子例：铁离子 青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20g/ml 发酵罐必须进行表面处理发酵罐必须进行表面处理 B、使用时注意盐的形式（、使用时注意盐的形式（pH的变化）的变化） 例例：黑曲酶黑曲酶NRRL-330,生产生产-淀粉酶，淀粉酶，P对酶活的影响对酶活的影响 pH 酶活酶活 不加不加 4.25 120分钟分钟 加加 K2HPO4 5.45 30分钟分钟 加加 KH2PO4 4.62 75分钟分钟 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 四、生长因子、前体和产物促进剂四、生长因子、前体和产物促进剂 从广义上

18、讲，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机从广义上讲，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。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、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型，以生物素为生长因子, ,生长因子对发酵的调控起到重生长因子对发酵的调控起到重 要的作用要的作用 。 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簇维生素和微量

19、元素及一些微生物生长不可 缺少的生长因子缺少的生长因子 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生 物在生物合成过程中合成到物在生物合成过程中合成到产物产物物分子中去，而其自身的结物分子中去，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。的提高。 2、前体、前体 青霉素：分子量青霉素：分子量356 苯乙酸苯乙酸:分子量分子量136 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 作用作用：前体有助于提高产量和组份

20、：前体有助于提高产量和组份 P107 用量用量：前体的用量可以按分子量衡算，具体使用有个转化：前体的用量可以按分子量衡算，具体使用有个转化 率的问题率的问题 例：例：6000单位单位/ml的青霉素的青霉素G,需要多少苯乙酸需要多少苯乙酸 青霉素青霉素6000*0.6（微克）（微克）36mg/ml 苯乙酸（苯乙酸（36*136）/356=13.8mg/ml=1.38% 实际使用时的转化率在实际使用时的转化率在46-90%之间之间 例某厂单耗为：例某厂单耗为：0.337（kg/10亿青霉素）亿青霉素） 转化率为：转化率为：13.8/(0.337/0.6)*36=68% v发酵培养基的成分及来源发酵

21、培养基的成分及来源 用法用法：前体使用时普遍采用流加的方法：前体使用时普遍采用流加的方法 前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生长不利前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生长不利 苯乙酸，一般基础料中仅仅添加苯乙酸，一般基础料中仅仅添加0.07% 前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化，前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化， 流加也有利于提高前提的转化率流加也有利于提高前提的转化率 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 3、产物促进剂、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

22、高产量的添加剂。非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方 面的。面的。 有些促进剂本身是酶的诱导物；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，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；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。有些促进剂的作用是

23、沉淀或螯合有害的重金属离子。 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 五、水五、水 对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关重要的，因为在对于发酵工厂来说，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。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水源质量的主要考虑参数包括pH值、溶解氧、可溶值、溶解氧、可溶 性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。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对于常规发酵，可靠、持久

24、，能提供大量成分一致清洁的 水。水。 v发酵培养基的成分及来源发酵培养基的成分及来源 第三节 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，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采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备，

25、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。和实验方法选择出较为适合的培养基。 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 一、培养基成分选择的原则 l 菌种的同化能力菌种的同化能力 l 代谢的阻遏和诱导代谢的阻遏和诱导 l 合适的合适的C、N比比 100 0.22.0 l pH的要求的要求 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 （一）、（一）、理论转化率与实际转化率理论转化率与实际转化率 理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途 径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。 实际转化率是指实际

26、发酵过程中转化率的大小实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小 如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个 目标目标 二、成分含量的确定二、成分含量的确定 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 例例: 如在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下如在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下 葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为 C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 葡萄糖转化为酒精的理论得率为葡萄糖转化为酒精的理论得率为 2*46 Y = = 0.57 162 v发酵培养基的设计

27、和优化发酵培养基的设计和优化 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 （二）、实验设计 q 培养基成分的含量最终都是通过实验获得的 q 合理的实验方法 多因子实验：均匀设计、多因子实验：均匀设计、 正交实验设计、正交实验设计、 响应面分析等。响应面分析等。 多因子实验多因子实验 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 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 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； 通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养

28、基成分； v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 类胡萝卜素高产菌类胡萝卜素高产菌Y11Y11的培养基的优化的培养基的优化 郭秒郭秒, ,食品与工业发酵，食品与工业发酵，20042004 类胡萝卜素的作用：色素、营养保健类胡萝卜素的作用：色素、营养保健 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 原培养基原培养基: : v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 初步确定可能的培养基成分(以碳源为例) v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 通过单因子实验确定适宜的培养基成分通过单因子实验确定适宜的培养基成分(以碳源为例以碳源为例) 考虑到成本：乙酸钠是较为合适的碳源

29、进一步：乙酸钠的浓度2%比较好 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 结果： 碳源：乙酸钠 0. 2% 氮源：氯化铵 0.2% 酵母膏0.03% 无机盐: 复合无机盐0.05% v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 正交设计确定优化的配方 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 改进后培养基 原培养基 改进后培养基的发酵结果改进后培养基的发酵结果 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 四、摇瓶水平到反应器水平的优化配方四、摇瓶水平到反应器水平的优化配方 摇瓶、反应器培养基研究的两个层次摇瓶、反应器培养基研究的

30、两个层次 q 摇瓶摇瓶培养基设计的第一步培养基设计的第一步 q 反应器反应器最终的优化的基础配方最终的优化的基础配方 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 例： 青霉素发酵青霉素发酵 发酵摇瓶：发酵摇瓶：玉米浆玉米浆4%，乳糖，乳糖10%，(NH4)SO4 0.8% 轻质碳酸钙轻质碳酸钙1% 发酵罐发酵罐: :葡萄糖流加控制总量葡萄糖流加控制总量10-15%10-15%，玉米浆总量，玉米浆总量4-8%4-8% 补加硫酸、前体等补加硫酸、前体等 摇瓶发酵培养基和罐的基础培养差别很大摇瓶发酵培养基和罐的基础培养差别很大 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 摇瓶优化配方：菌种筛

31、选，反应器研究的基础摇瓶优化配方：菌种筛选，反应器研究的基础 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 发酵罐：反应器水平发酵罐：反应器水平, 可以得出最可以得出最 终优化的基终优化的基 础配方础配方 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 pHpH控制摇床：反应器水平上的摇瓶研究控制摇床：反应器水平上的摇瓶研究 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 pH控制摇床在1, 3-丙二醇 发酵中的应用 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 1,3-丙二醇的用途： 最重要的用途是作为单体与对苯二甲酸丙二醇聚最重要的用途是作为单体与对苯二甲酸丙二醇聚 合生产聚酯聚对苯二

32、甲酸丙二醇酯合生产聚酯聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT) (PTT) 可作为增塑剂、洗涤剂、防腐剂和乳化剂等用于可作为增塑剂、洗涤剂、防腐剂和乳化剂等用于 食品、化妆品和制药等工业食品、化妆品和制药等工业 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 PTT的 性能 PTTPTTPETPET 涤纶涤纶 NylonNylon 尼龙、锦纶尼龙、锦纶 AcrylicAcrylic 亚克力亚克力 Spandex (Lycra)Spandex (Lycra) 莱卡、氨纶莱卡、氨纶 柔韧度柔韧度 +- -+ + +NANA 弹性弹性 + +- - -+ 丰满度丰满度 +- -+ +NANA 磨损磨损 + +

33、 +- - 抗污染力抗污染力 +- - 洗涤牢度洗涤牢度 +- - 日晒牢度日晒牢度 + + +- -+- 抗静电力抗静电力 +- -NANA 色彩密度色彩密度 - -+ +- 成本成本 -+- -+ +- PTT最目前性能最好的纤维 被誉为21世纪的大型纤维 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 1, 3-丙二醇两步发酵法丙二醇两步发酵法 糖 甘油 1,3-丙二醇 酵母酵母 伯氏肺炎杆菌、丁酸梭菌等伯氏肺炎杆菌、丁酸梭菌等 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 伯氏肺炎杆菌伯氏肺炎杆菌1,3-丙二醇的代谢丙二醇的代谢 甘油 三羟基丙醛 1,3-丙二醇 二羟丙酮 丙酮酸 乙

34、酸 乙醇 乳酸 丁醇 丁酸 丁二醇 2H H2O pH下降 厌氧过程、pH下降 2H v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 不同不同pHpH条件对甘油消耗的影响条件对甘油消耗的影响 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 摇瓶培养基分批培养过程结果摇瓶培养基分批培养过程结果 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 补料培养过程补料培养过程 甘油甘油 浓度为浓度为3. 43%，对甘油转化率为，对甘油转化率为19% v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 1, 3-丙二醇的浓度5.37%，转化率转化率为40% 进一步优化培养基后过程进一步优化培养基后过程 v发酵培

35、养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 1, 3-丙二醇的浓度为丙二醇的浓度为6.72%，对甘油转化率为，对甘油转化率为 54. 7%，生产强度为，生产强度为 1. 9g/ L.h。 进一步优化条件后进一步优化条件后 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 五、培养基设计时注意的一些相关问题五、培养基设计时注意的一些相关问题 q 原料及设备的预处理原料及设备的预处理 q 原材料的质量原材料的质量 q 发酵特性的影响发酵特性的影响 在抗生素发酵生产中往往喜欢所谓的在抗生素发酵生产中往往喜欢所谓的“稀配稀配 方方”，因为它既降低成本、灭菌容易、且使氧，因为它既降低成本、灭菌容易、且使氧 传

36、递容易而有利于目的产物的生物合成。如果传递容易而有利于目的产物的生物合成。如果 营养成分缺乏，则可通过中间补料方法予以弥营养成分缺乏，则可通过中间补料方法予以弥 补。补。 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 q 灭菌灭菌 在大规模发酵中应该尽可能的采取连续灭菌的操作，在大规模发酵中应该尽可能的采取连续灭菌的操作， 而且保证灭菌条件的稳定是保证发酵稳定的前提而且保证灭菌条件的稳定是保证发酵稳定的前提 有时避免营养物质在加热的条件下，相互作用，有时避免营养物质在加热的条件下，相互作用， 可以将营养物质分开消毒。可以将营养物质分开消毒。 有些物质由于挥发和对热非常敏感，就不能采用湿有些物

37、质由于挥发和对热非常敏感，就不能采用湿 热的灭菌方法热的灭菌方法 Na2HPO4+CaCO3CaHPO4+Na2CO3 v发酵培养基的设计和优化发酵培养基的设计和优化 第四节、重组产品培养基的介绍第四节、重组产品培养基的介绍 q 大肠杆菌高密度度培养： 碳源：葡萄糖、甘油 氮源：胰蛋白胨、酵母粉 无机盐：磷、镁等 v重组产品培养基的介绍重组产品培养基的介绍 蛋白胨、酵母粉(OXOID) 章越，生物工程学报，2004 v重组产品培养基的介绍重组产品培养基的介绍 q 动物细胞培养基动物细胞培养基 基础培养基基础培养基: : F12、DMEM等等 血清血清(5-10%)(5-10%)：胎牛：胎牛(F

38、BS) (FBS) 、小牛、小牛(CS) (CS) 、马、马(HS)(HS) 水：超纯水水：超纯水 其它：其它：NaHCONaHCO3 3（COCO2 2）、抗生素）、抗生素 v重组产品培养基的介绍重组产品培养基的介绍 本章小节：本章小节： q 培养基培养基菌体生长所需的营养以及其它必须的条件菌体生长所需的营养以及其它必须的条件 q 了解发酵培养基的组成，发酵培养基常用的原料以了解发酵培养基的组成，发酵培养基常用的原料以 及其中的基本概念及其中的基本概念 q 发酵培养基的优化与设计是发酵工程的基本问题，发酵培养基的优化与设计是发酵工程的基本问题， 掌握发酵培养基优化与设计的思路、了解其中的掌握

39、发酵培养基优化与设计的思路、了解其中的 方法方法 v小节小节 n 设计了设计了A AN N种氮源组合（蛋白质含量相同）：种氮源组合（蛋白质含量相同）： n A A：黄豆饼粉：黄豆饼粉3%3%；B B：黄豆饼粉：黄豆饼粉1.5%+1.5%+棉籽饼粉棉籽饼粉1.18%1.18%；C C：黄豆饼粉：黄豆饼粉 1.5%+1.5%+酵母抽提液酵母抽提液0.96%0.96%；D D：黄豆饼粉：黄豆饼粉1.5%+1.5%+蛋白胨（进口）蛋白胨（进口）0.78%0.78%；E E： 酵母粉酵母粉2.74%2.74%；F F：棉籽饼粉：棉籽饼粉2.37%2.37%；G G：蛋白胨（国产）：蛋白胨（国产）1.47

40、%1.47%；H H：蛋：蛋 白胨（进口）白胨（进口）1.57%1.57%；I I：酵母抽提液：酵母抽提液1.91%1.91%；J J：棉籽饼粉：棉籽饼粉1.18% +1.18% +酵母酵母 粉粉1.37%1.37%；K K：棉籽饼粉：棉籽饼粉1.18%+1.18%+蛋白胨（国产）蛋白胨（国产）0.74%0.74%；L L：棉籽饼粉：棉籽饼粉 1.18%+1.18%+蛋白胨（进口）蛋白胨（进口）0.78%0.78%；M M：酵母粉：酵母粉1.37%+1.37%+酵母抽提液酵母抽提液0.96%0.96%；N N： 蛋白胨（国产）蛋白胨（国产）0.74%+0.74%+蛋白胨（进口）蛋白胨（进口）0

41、.78%0.78%。 钾钾 (mg/100ml)(mg/100ml) 镁镁 (mg/100ml(mg/100ml） 锌锌 (mg/100ml)(mg/100ml) 铁铁 (mg/100ml)(mg/100ml) 铜铜 (mg/100ml)(mg/100ml) 磷磷 (mg/100ml)(mg/100ml) 效价效价 （g/mlg/ml） A A B B C C 48.55148.551 41.55341.553 52.20652.206 7.3137.3130.13190.13190.78820.78820.03300.033018.61118.61170997099 9.9449.944 6

42、.8746.874 0.15530.1553 0.12730.1273 0.53980.5398 0.56490.5649 0.03880.0388 0.01740.0174 22.93922.939 31.95231.952 63556355 28832883 D D24.41124.4114.5384.5380.08960.08960.42150.42150.01730.017315.39715.39758065806 E E F F 47.66847.6685.6105.6100.13430.13430.46090.46090.02110.021137.92437.92421362136

43、 34.70034.70012.62912.6290.17940.17940.29270.29270.04490.044927.38227.38253235323 G G23.75323.7530.0350.0350.00950.00950.02660.02660.00150.00157.1597H H0.2730.2731.7751.7750.04770.04770.05520.05520.00160.001612.26112.26121002100 I I55.56955.5696.4026.4020.12200.12200.33980.33980.00190.0

44、01945.05645.05630363036 J J41.11141.1119.0939.0930.15650.15650.37620.37620.03290.032932.59532.59542744274 K K29.23429.2346.3056.3050.09410.09410.15910.15910.02310.023117.23717.23746074607 L L17.41317.4137.1707.1700.11300.11300.17320.17320.02310.023119.72519.72548534853 M M51.76451.7646.0226.0220.128

45、50.12850.40120.40120.01150.011541.60841.60818901890 N N12.09312.0930.8990.8990.02850.02850.04080.04080.00150.00159.6959.69537663766 不同有机氮源培养基中无机盐含量及对应红霉素效价不同有机氮源培养基中无机盐含量及对应红霉素效价 n 本实验运用本实验运用SPSSSPSS软件中的快速聚类分析方法（软件中的快速聚类分析方法（K-Means K-Means Cluster AnalysisCluster Analysis）对无机盐进行了分析，将各种无）对无机盐进行了分析，将各种无 机盐含量分成高低两类。机盐含量分成高低两类。 n 根据聚类分析结果可以将各种无机