发酵工业培养基设计

发酵工业培养基设计本章内容发酵工业培养基的基本要求培养基的成分及来源培养基的类型与区别影响培养基质量的因素培养基的设计培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物生长繁殖和产物形成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发酵培养基的要求①单位培养基能够产生最大量的目的产物。②能够使目的产物的合成速率最大。③发酵后所形成的副产物尽可能的少。④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。⑤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。提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。第一节发酵工业培养基的基本要求工业培养基设计发酵工业培养基的基本要求（遵循的原则）1）必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分；2）有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质的转化率；3）有利于提高产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力；4）有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期；5）尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”物质；6）原料价格低廉，质量稳定，取材容易；7）所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能耗。第二节发酵培养基的成分及来源1、碳源2、氮源3、无机盐4、水5、生长因子6、能源培养基的成分微生物细胞的成分1、水(80%)2、干物质（20%）碳源（50%）氮源（5-13%）无机盐（3-10%）一、碳源1、功能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、低碳醇及正烷烃。3、工业上常用的碳源①葡萄糖

最容易利用的碳源之一，速效碳；所有的微生物都能利用葡萄糖；但是会引起葡萄糖效应。过多的葡萄糖会过分加速菌体的呼吸，导致培养基中溶解氧不足，一些酸性的中间代谢产物氧化不完全，pH下降，影响酶的活性，从而抑制微生物的生长和产物的合成。

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不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大②糖蜜糖蜜是制糖生产时的结晶母液，是制糖业的副产物。

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。不同加工方法对甘蔗糖蜜的影响糖蜜使用的注意点：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：谷氨酸发酵有害物资：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。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。优点：来源广泛、价格低，可以解除葡萄糖效应。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李江华，无锡轻工大学学报，2004(半纤维素酶)(1.5g麸皮)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，2004④油和脂肪使用条件：微生物必须具有活跃的脂肪酶。使用时注意：要供给比糖代谢更多的氧气，以利于分解成的甘油和脂肪酸进一步彻底分解，不积累中间代谢产物，不影响微生物的生长繁殖。常用的种类：豆油、菜子油、葵花籽油、猪油、鱼油、棉籽油等。⑤有机酸使用条件：微生物必须具有很强的氧化有机酸能力。使用时注意：有机酸的利用常常会使发体系pH

上升，尤其是有机酸盐。常用的种类：乳酸、柠檬酸、乙酸、丙酸等。总之不同的碳源对培养基pH

的影响不同。⑤烃和醇类烃类：正烷烃。用于有机酸、氨基酸、维生素、抗生素及酶制剂的工业发酵中。醇类：乙醇、甲醇。优点：乙醇做碳源，菌体收率和得率比葡萄糖还高。二、氮源1、功能用于构成微生物菌种的菌体细胞物质。提供合成含氮产物所必须的氮成分。2、类型有机氮和无机氮。1）无机氮源种类：氨盐、硝酸盐和氨水特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之为迅速利用的氮源。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

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。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

制液体曲时：用NaNO3做氮源，可以中和曲霉生长过程中所释放的酸，维持稳定的pH，使菌丝长得粗壮，培养时间短，且糖化力高。黑曲霉发酵时：用(NH4)2SO4做氮源，有利于提高糖化型淀粉酶活力，较低的pH，还可抑制杂菌的生长。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，中性蛋白酶影响大无机氮源的影响：硫酸铵>硝酸铵>硝酸钠>尿素

产链霉素时：合成1moL链霉素需要消耗7moL氨。产红霉素时：可以提高红霉素的产率和有效组分的比例。氨水使用时注意：①使用时要用石棉等过滤介质进行除菌（噬碱性微生物）过滤；②要少量多次加，并不断搅拌，防止局部过碱。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、尿素、废菌丝体和酒糟等。

成分复杂：除提供丰富的蛋白质、多肽和游离氨基酸外，有些有机氮源还提供大量的糖类、脂肪、无机盐、维生素及生长因子。

玉米浆：①氨基酸、可溶性蛋白、苯乙酸和还原糖；②较多的有机酸如乳酸等；③硫、磷、微量元素和生长因子（生物素）；④磷酸肌醇（对红、链、青和土霉素的生产有积极作用）。

尿素：①成分单一的有机氮；②在青霉素和谷氨酸生产中使用，可使α-酮戊二酸还原并氨基化，提高谷氨酸的生产。

氨基酸：①缬氨酸（氮源、前体物）加入可以提高红霉素的发酵单位；②甲硫氨酸和苏氨酸可提高赖氨酸的产量；③甘氨酸（前体物）可以提高L-丝氨酸的产量；④缬氨酸、半胱氨酸和α-氨基己二酸可以提高青霉素和头孢菌素的产量

。氮源使用注意问题：

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。

有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力三、无机盐的微量元素1、种类：磷、硫、氯、钾、钠、镁、铁、钴、锰、锌等，以盐的形式补充。2、作用：一般作为微生物生理活性物质的组成或生理活性作用的调节物。各种元素的作用不一样。3、用量：一般低浓度时有促进作用，而高浓度时，则起明显的抑制作用。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。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

四、水1、作用：①直接参与微生物生理代谢；②进行代谢反应的内部介质；③营养物、代谢物、氧气等必须溶解于水后才能通过细胞表面进行正常生理代谢；④调节微生物细胞温度。

对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关重要的，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。对于常规发酵的可靠、持久，要提供大量成分一致清洁的水。2、注意：五、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。

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提高的一类化合物。2、前体青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136作用：前体有助于提高产量和组份。用量：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。例：6000单位/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%实际使用时的转化率在46-90%之间例某厂单耗为：0.337（kg/10亿青霉素）转化率为：0.6/(0.337*36/13.8)=68%用法：前体使用时普遍采用流加的方法。流加也有利于提高前提的转化率。前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化。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0.07%。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。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。第三节培养基的类型

培养基按其组成物质的纯度、状态、用途分类。

一、按纯度

合成培养基天然培养基合成培养基

: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。

M培养基(1L)：Na2HPO46g，KH2PO43g，NaCl0.5g，NH4Cl1g，MgSO4.7H2O0.5g，CaCl20.011g，葡萄糖2-10,pH7.0YPS培养基：酪蛋白胨10g，酵母提取物5g,NaCl10g，pH7.2培养大肠杆菌常用两种培养基二、按状态固体培养基半固体培养基液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）斜面培养基或孢子培养基种子培养基发酵培养基孢子培养基要求：能使菌体生长快，产生孢子数量大、质量好，且不会引起菌种变异。特点：C、N源不宜多，否则只长菌丝，少长或不长孢子；无机盐浓度要适当控制，否则会影响孢子的颜色和孢子量。种子培养基要求：营养丰富、完全，氮和维生素的含量高些；培养基中加入一些易于吸收利用的快C、N源，便于孢子发芽生长，保证球形；pH要稳定；最后一级尽可能接近发酵培养基，常加入少量发酵合成期才大量需要的物质。发酵培养基目的：

使接种菌丝生长并能高效表达，获得高的发酵产量，同时组分尽可能单一，以保证高的得率。要求:营养丰富完全，有利于产物合成；不能大量加入快C、快N源，应和慢C、N源相结合；在产物分泌期间，pH稳定；加入适量合成所需的物质，如前体等，进行定向发酵；采用中间补料，以提高发酵单位；原料的考虑——成本问题第四节发酵培养基的设计原理和优化方法

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方法选择出较为适合的培养基。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（一）、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主要的目标。二、成分含量的确定例:

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∶

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∶

2*46Y=───=0.51180（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多因子实验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；正交实验均匀设计神经网络其他方法聚类分析响应面分析单因子实验成本发酵单位方法结果培养基优化的基本方法类胡萝卜素高产菌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、营养保健原培养基:初步确定可能的培养基成分(以碳源为例)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2%比较好结果：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%正交设计确定优化的配方改进后培养基原培养基改进后培养基的发酵结果响应面优化培养基配方1、确定主要因素

Plackett-Burman设计法Plackett-Burman设计Plackett-Burman试验就是筛选试验设计。针对因子数较多，且未确定众因子相对于响应变量的显著影响，采用的试验设计方法。通过对每个因子取两水平来进行分析，通过比较各个因子两水平的差异与整体的差异来确定因子的显著性。筛选试验设计不能区分主效应与交互作用的影响，但对显著影响的因子可以确定出来，从而达到筛选的目的，避免在后期的优化试验中由于因子数太多或部分因子不显著而浪费试验资源。

近饱和的2水平设计方法，高水平取低水平的1.25倍，设计实验。用统计软件处理实验数据，根据PB实验结果筛选主要因素，进一步用爬坡试验