第三章发酵工业培养基

第三章发酵工业培养基2023/2/11生命科学学院微生物教研室第一节培养基概述2023/2/12生命科学学院微生物教研室培养基是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。2023/2/13生命科学学院微生物教研室一、发酵工业培养基的基本要求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消耗，即提高单位营养物质的转化率。2023/2/14生命科学学院微生物教研室3、有利于提高产物浓度，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。2023/2/15生命科学学院微生物教研室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。8、有利于产品的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”物质。2023/2/16生命科学学院微生物教研室二、设计培养基四个原则1、目的明确2、营养物协调3、物理化学条件适宜（1）pH值（2）氧化还原势4、经济节约2023/2/17生命科学学院微生物教研室三、发酵培养基的成分1.碳源：凡是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳素来源的营养物质，称为碳源。目前除了个别发酵工业需用较纯的糖类外，多数微生物发酵工艺生产中所用的碳素原料为：农副产品（玉米淀粉、土豆淀粉、小麦淀粉等）和工业生产的废弃物（糖蜜、酒精废液、纸浆废液等）。2023/2/18生命科学学院微生物教研室2.氮源氮源是指构成微生物细胞和代谢产物中的氮素的营养物质。根据需要使用无机氮源、有机氮源或二者混合使用。有机氮源有花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、酵母粉、酒糟等。无机氮源有硫酸铵、硝酸盐、氯化铵、磷酸氢二铵和氨水等。2023/2/19生命科学学院微生物教研室3.能源工业上常用化能异养微生物，故能源常由碳源提供。4.无机盐无机盐类有磷酸氢二钾、磷酸二氢钾和硫酸镁等。5.生长因子工业上常用天然培养基，营养丰富，一般不需要另外加入。2023/2/110生命科学学院微生物教研室6.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。2023/2/111生命科学学院微生物教研室7.其他(1)前体：

指那些加入到发酵培养基后，能基本上不改变自身的分子结构而直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，从而在一定条件下控制产物的合成和提高产量的那些物质。2023/2/112生命科学学院微生物教研室产品前体产品前体青霉素苯乙酸及其衍生物

VB12钴化物链霉素肌醇、精氨酸胡萝卜素

β-紫罗兰酮红霉素丙酸、丙醇、丙酸盐

L-色氨酸邻氨基苯甲酸青霉素：分子量356苯乙酸:分子量1362023/2/113生命科学学院微生物教研室(2)促进剂：

指那些既不是营养物又不是前体却能提高产量的添加剂。如在底物和产物均为不溶或微溶水的发酵液中加入表面活性剂不仅可使固形物分散均匀，也可以提高酶活力，从而有利于微生物的利用，以提高产量。2023/2/114生命科学学院微生物教研室促进剂的种类：表面活性剂（吐温40、60、80）；洗净剂LS（高级脂肪酰胺磺酸钠）；黄血盐及甲醇等。2023/2/115生命科学学院微生物教研室2023/2/116生命科学学院微生物教研室(3)抑制剂：指在发酵过程中加入的能抑制微生物某些代谢途径的进行而使另一代谢途径活跃，从而积累人们所需产物的那些物质。2023/2/117生命科学学院微生物教研室常用的抑制剂有亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、溴化剂等。例如在生产甘油的发酵液中加入亚硫酸氢钠能抑制产乙醇的代谢途径而大量形成甘油。2023/2/118生命科学学院微生物教研室葡萄糖→6-磷酸葡萄糖→6-磷酸果糖→1,6二磷酸果糖↙↘3-磷酸甘油醛≒磷酸二羟酮↓〔H〕↓

丙酮酸磷酸甘油

CO2↓水解↓乙醛加成物←NaHSO3+乙醛甘油〔H〕↓

乙醇

2023/2/119生命科学学院微生物教研室（4）消沫剂工业发酵中常用一些试剂消除发酵中产生的泡沫，防止逃液和染菌，以保证生产的正常运转。常用的消沫剂有植物油脂（玉米油、豆油）、动物油脂（鲸鱼油、猪油）和化学合成的高分子化合物。2023/2/120生命科学学院微生物教研室四、培养基的类型

工业上培养基的类型可分为三类：

（一）根据对培养基成分了解的程度分类1、天然培养基(naturalmedium)凡利用生物的组织、器官及其抽取物或制品配成的培养基，称为天然培养基。优点是配制方便、种类多样、价格低廉、营养丰富。缺点是化学成分不清楚、不稳定。2023/2/121生命科学学院微生物教研室2、合成培养基(syntheticmedium)

是一类按照微生物的营养要求，使用成分完全了解的化学药品配制而成的培养基称为合成培养基。优点是成分已知、精确、重复性好。缺点是价格较贵，配制麻烦，且微生物生长较慢。2023/2/122生命科学学院微生物教研室3、半合成培养基(semi-definedmedium)

指一类主要以化学试剂配制，同时还加有某种天然成分的培养基。严格地讲，凡含有未经特殊处理的琼脂的任何合成培养基，实际上都是半合成培养基。实验室中应用的大多数培养基和工业发酵生产用培养基都是半合成培养基。2023/2/123生命科学学院微生物教研室（二）按物理状态分：固体培养基、半固体培养基和液体培养基。1、液体培养基(liquidmedium)各营养成分按一定比例配制而成的水溶液或液体状态的培养基称为液体培养基。2023/2/124生命科学学院微生物教研室2、固体培养基固体培养基一般是指液体培养基中加入一定量的凝固剂（琼脂、明胶、和硅胶）配制而成的固体状态的培养基。2023/2/125生命科学学院微生物教研室3、半固体培养基(semi-solidmedium)半固体培养基是在液体培养基中加入0.5%左右的琼脂而配制的固体状态的培养基。4、脱水培养基（dehydratedculturemedia）指含有除水以外的一切成分的商品培养基，使用时只要加入适量水分并加以灭菌即可，是一类成分精确和使用方便的现代化培养基，但价格稍贵。2023/2/126生命科学学院微生物教研室1、种子培养基(seedculturemedium)

种子培养基主要指摇瓶种子及种子罐用的培养基。该培养基应含有容易被菌体利用的碳源、氮源和无机盐等，为下一步发酵提供大量、强壮而整齐的“种子细胞”。（三）根据生产中的用途分类2023/2/127生命科学学院微生物教研室

2、发酵培养基(fermentationmedium)发酵培养基是供菌丝迅速生长繁殖，并最大限度地获得代谢产物的培养基。它既要使种子接种后能迅速生长达到一定的菌浓度，又要使长好的菌体能迅速合成所需要的产物，因此培养基中除含有菌体生长所必须的营养成分外，还要有产物合成所需的特定元素、前体或促进剂等。2023/2/128生命科学学院微生物教研室3、孢子培养基孢子培养基是供菌种繁殖孢子用的。对这种培养基的要求是能使孢子迅速发芽和生长，产生大量孢子，不引起菌种变异。2023/2/129生命科学学院微生物教研室生产中常用孢子培养基的种类：麸皮培养基小米碎屑培养基大米碎屑培养基琼脂斜面培养基2023/2/130生命科学学院微生物教研室1、选择培养基(selectedmedium)是根据某种或某类微生物的特殊营养要求，或其对某些物理、化学条件的抗性而设计的培养基，具有使混合菌样中的劣势菌变成优势菌的功能，广泛用于菌种筛选。（四）根据培养基的功能2023/2/131生命科学学院微生物教研室2、鉴别培养基是一类通过添加能与目的菌的无色代谢产物发生显色反应的指示剂从而达到只须用肉眼辨别颜色就能使该种微生物与其它微生物区别开来的培养基。2023/2/132生命科学学院微生物教研室五、影响培养基质量的因素1、原材料的质量的影响2、水质的影响3、灭菌的影响4、培养基粘度的影响5、pH的影响2023/2/133生命科学学院微生物教研室六、设计培养基的方法发酵培养基的组成及其浓度是影响菌体生长、合成代谢产物的关键因素。确定一个优化的培养基配方包括三方面内容；一是合理选择发酵培养基的组成成分二是确定培养基各组分的浓度三是试验验证。2023/2/134生命科学学院微生物教研室培养基配方的优化

摇瓶优化

发酵罐优化2023/2/135生命科学学院微生物教研室摇瓶优化：培养基优化的第一步，反应器研究的基础2023/2/136生命科学学院微生物教研室发酵罐优化：反应器水平，可以得出最终优化的基础配方2023/2/137生命科学学院微生物教研室第二节原材料的预处理2023/2/138生命科学学院微生物教研室一、选择原材料的标准1.来源丰富2.

价格低廉(1)以粗代精(2)以野代家(3)以废代好(4)以简代繁2023/2/139生命科学学院微生物教研室(5)以烃代粮(6)以纤代糖(7)以氮代朊(8)以国代进3.质量稳定2023/2/140生命科学学院微生物教研室二、原料的处理

举例：淀粉质原料的预处理

目前，在大规模的发酵生产中都用淀粉质原料做碳源，但许多微生物不能直接利用淀粉。因此，在发酵生产之前，必须将淀粉质原料转化成为短链糊精、双糖或单糖后才能为微生物利用。2023/2/141生命科学学院微生物教研室在工业生产上将淀粉水解成葡萄糖的过程称之为淀粉的糖化。制得的水解液叫淀粉糖。主要的糖类是葡萄糖，此外根据水解条件的不同，尚有数量不等的麦芽糖、低聚糖等复合糖类。2023/2/142生命科学学院微生物教研室目前最普遍的糖化方法有酸解法、酶解法以及两者相结合的酸酶结合水解法。1.酸解法酸解法又称酸糖化法，它是以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解为葡萄糖。2023/2/143生命科学学院微生物教研室淀粉酸解的过程：(1)调浆：(2)加盐酸：(3)糖化：(4)冷却、中和、脱色和过滤：2023/2/144生命科学学院微生物教研室酸解法的特点酸水解具有水解时间短、生产能力大等优点。淀粉的转化率低和水解糖液的质量差，而且生产上需要耐高压、耐腐蚀、耐高温设备。2023/2/145生命科学学院微生物教研室2.酶解法淀粉酶法水解就是利用淀粉酶和糖化酶等的作用，使淀粉转化为葡萄糖。2023/2/146生命科学学院微生物教研室淀粉酶解的过程包括淀粉的液化和糖化两个步骤。液化的过程－首先利用淀粉酶使淀粉液化，粘度降低，并水解到糊精和低聚糖的程度糖化的过程然后用糖化酶将它们彻底水解成葡萄糖

2023/2/147生命科学学院微生物教研室酶解法的特点由于酶的高度专一性及反应条件温和，使淀粉水解液的葡萄糖纯度和出糖率大大提高，而且糖液的颜色浅。2023/2/148生命科学学院微生物教研室3.酸酶结合法酸酶结合水解法是集中酸解法及酶解法制糖的优点而采用的结合生产工艺。根据原料淀粉的性质可采用酸酶水解法或酶酸