发酵工程制药-工业发酵培养基的

工业发酵培养基的组成及作用培养基的设计与优化培养基的组成及作用菌种选育种子培养发酵生产产物分离纯化成品灭菌培养基的优化培养基的影响因素培养基是人工配制的供微生物或动植物细胞生长、繁殖、代谢和合成人们所需要产物的营养物质和原料，同时也提供除营养外的其他生长所必须的环境条件。

所有发酵培养基都必须提供微生物生长繁殖和产物合成所需的能源，包括碳源、氮源、无机元素、生长因子及水、氧气等。对于大规模发酵生产，除考虑上述微生物的需要外，还必须重视培养基原料的价格和来源。此外，为了合成某些特殊目的物和工艺控制需要，有些发酵还需加入前体、抑制剂、促进剂和消沫剂等。一、培养基的营养成分1.碳源:碳素化合物的作用构成菌体细胞的重要元素，产生各种代谢产物和细胞内贮藏物质的主要原料，提供微生物生命活动所需能量的原料。常用的碳源有糖类、油脂、有机酸、低碳醇和碳氢化合物。快速利用碳源：能够较快迅速地参与代谢、合成菌体和产生能量，主要是葡萄糖、低碳类物质。有利于菌体生长，但会对很多产物的形成产生阻遏作用。慢速利用碳源：多有利于产物合成。主要包括二糖、多糖。

单糖：葡萄糖，是最易利用的糖，速效糖。过多：加速菌体呼吸，溶解氧不能满足需要，中间代谢产物不能完全氧化而积累在培养基中，导致pH下降，抑制产物的合成。双糖：主要有蔗糖、乳糖和麦芽糖，糖蜜含丰富的糖（主要是蔗糖）、氮素化合物、无机盐、维生素等，是微生物工业价廉物美的原料。多糖：有淀粉、糊精及其水解液。如玉米淀粉及其水解液。（1）糖类霉菌和放线菌还可以用油脂做碳源。发酵过程加入的油脂有消沫和补充碳源的双重作用。某些有机酸、醇在单细胞蛋白、氨基酸、维生素和某些抗生素的发酵生产中作为碳源或补充碳源。（2）油脂（3）有机酸、醇、碳氢化合物有机氮：缓效氮，有利于代谢产物的形成。

多用于发酵后期，如黄豆饼粉、玉米浆。无机氮：速效氮，氨基氮或铵基氮。通常有利于机体的生长。用于发酵前期如硫酸铵、氨水、硝酸盐。主要用来构成菌体细胞物质和代谢产物，即蛋白质及氨基酸之类的含氮代谢物。2.氮源（1）有机氮源花生饼粉、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、菌丝体和酒糟等。在微生物分泌的胞外蛋白酶作用下水解为氨基酸，被菌吸收后再进一步分解代谢。在有机氮源丰富的培养基上，微生物常表现为生长旺盛、菌丝浓度增长迅速的特点。玉米浆是玉米淀粉生产中的副产物，含丰富的氨基酸（丙氨酸、赖氨酸、谷氨酸）、磷、微量元素和生长素等。尿素也是常用的有机氮源之一。（2）无机氮源常用的是铵盐、硝酸盐和氨水等。无机氮源的迅速利用会引起pH的变化，如：（NH4）2SO4→2NH3+H2SO4NaNO3+4H2→NH3+H2O+NaOH经微生物作用后能形成酸性物质的无机氮源称为生理酸性物质，如硫酸铵。若菌体代谢后能产生碱性物质，则此种无机氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。主要功用是：①构成菌体成分；②作为酶活性基的组成部分或维持酶的活性；③调节渗透压、pH值、氧化还原电位等；④作为自养菌的能源。低浓度促进微生物生长、产物合成，高浓度抑制。3.无机盐有些种类的发酵生产对金属离子相当敏感，因为有些金属离子是中间代谢酶的抑制剂或激活剂。因此对于有重大影响的金属离子必须严格控制。如柠檬酸发酵中铁、锰和锌离子都能明显影响产量，钙离子对细菌淀粉酶的生产有促进作用，而钴离子对葡萄糖异构酶的发酵是必需的，这些在培养基配制时都必须予以注意。在培养基中，钙、镁、硫、磷、钾和氯等常以盐的形式加入，而铁、钴、锰、锌、钼和铜等一般在合成培养基中才加入。是一类微生物正常生活不可缺少而需要量较小，但微生物自身不能合成，或合成量不足以满足机体生长需要的有机营养物质。广义上讲，凡能调节微生物代谢活动的微量有机物，统称为生长因子；狭义的生长因子一般仅指维生素。4.生长因子一般培养基的有机氮源中已含有微生物生长所需的一些生长因子，不需要另外添加。如果有特殊需求，则需要另外补充。5．前体、促进剂与抑制剂1）前体在产物的生物合成过程中，被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著改变的物质称为前体。在一定条件下控制产物的合成方向和提高产量。

有利于调节产物的形成，并不促进微生物的生长如：在青霉素生产中加入玉米浆，青霉素产量可从20u/mL增加到100u/mL，研究发现玉米浆中的苯乙胺被有限结合到青霉素分子中，从而提高了青霉素G的产量。青霉素G苯乙酸2）促进剂指那些既不是营养物又不是前体，但却能提高产量的添加剂

促进剂的作用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。目前工业用微生物酶多数为诱导酶，如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等。诱导物的存在能大大强化诱导酶的生物合成。酶的正常底物或底物的类似物都可作为诱导物。在各种微生物酶的发酵培养基中必须加入诱导物，例如淀粉、糊精或麦芽糖是淀粉酶或糖化酶的诱导物。只有添加这些物质的培养基，才能获得高产。在发酵过程中加入抑制剂会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另外一些代谢途径活跃，从而获得人们所需要的某种产物。例如：谷氨酸发酵时可能污染噬菌体，可采用添加氯霉素、多聚磷酸盐、植酸等抑制剂的措施。赖氨酸发酵，为防止菌株回复突变，定时添加红霉素。3）抑制剂或阻遏物功能：生化反应均在水溶液中进行。是构成菌体细胞的主要成分，又是一切营养物质的传递介质。6.水分7.消沫剂消除发酵中的泡沫，防止逃液和染菌。如植物油脂(玉米油)、动物油脂(猪油)、高分子化合物。培养基的主要成分的组成。不同碳源、氮源的作用其他成分选择时的注意事项。总结培养基的设计与优化培养基的组成及作用培养基的设计与优化菌种选育种子培养发酵生产产物分离纯化成品灭菌培养基的优化培养基的影响因素发酵培养基的设计组成、配比、缓冲能力、黏度、灭菌后营养物质破坏的程度、及原料中杂质的含量等。培养基的设计需考虑以下因素：原则（1）（5）（3）（7）（4）（8）必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分减少副产物的形成有利于提高产物的转化率有利于提高培养基和产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期有利于产品的分离纯化，并减少“三废”物质生成所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响原料价格低廉，质量稳定，取材容易（2）（6）发酵培养基的设计考虑菌体的同化能力（一）培养基成分选择的原则不同微生物含有的水解酶系不同，根据其代谢特点，选择能够被微生物利用的培养基成分。考虑代谢的阻遏和诱导如，当菌体利用葡糖糖时产生的分解代谢产物会阻遏或抑制某些化合物合成所需的酶的活性或酶系形成。发酵培养基的设计碳源、氮源过多/过少？合适的碳氮比C/N影响微生物的生长繁殖和产物合成；微生物在不同的生长阶段对碳氮比的要求不同。发酵培养基的设计(1)通常，碳源比例要求比氮源高一般工业发酵培养基的碳氮比为100：(0.2～2.0)。(2)产物含氮量较多，则氮源比例相对高些。如，谷氨酸发酵中的碳氮比为100：(15～21)；若碳氮比例为100：(0.5～2.0)，则出现只长菌体而几乎不合成谷氨酸的现象。发酵培养基的设计（二）PH的要求培养过程PH易波动，培养基要考虑缓冲能力（三）注意代谢调节物的影响有些物质存在于培养基中能明显促进或抑制发酵产物合成。如，前体物质、诱导剂、阻遏物、抑制剂、金属离子发酵培养基的设计总结1注意各营养物质的浓度和配比2调节适宜的物理化学条件（黏度、C/N等）3根据培养微生物的目的配制4尽量使用廉价易得的原料最终培养基成分和浓度的确定都需通过实验获得。培养基的优化培养基的优化培养基设计思路01根据菌种生理特性、发酵工艺需求、提取工艺要求以及经济性，初步确定可能的培养基成分。02通过单因子实验摇瓶确定最适的培养基成分。03采用正交设计、响应面设计等方法摇瓶优化培养基配方。04小试、中试发酵罐规模进一步优化配方。05生产规模优化培养基配方。培养基的优化培养基配制的注意事项：一定条件下，各种原材料之间不发生化学反应，理化性质相对稳定。营养物质的组成丰富，浓度恰当。能满足孢子发芽、菌体生长、以及产物合成的需要。(1)(2)(4)(3)粘度适中，具有适当的渗透压。注意原材料的种类和浓度与代谢产物生物合成过程中的调节关系。培养基的优化实验室液体培养基的制备基本流程基本流程原料称量、溶解酸碱度（pH值）的调整培养基的过滤和澄清培养基的分装塞棉塞和包扎培养基灭菌培养基的贮存小结（4）（3）（2）（1）培养基优化的思路。配置培养基的注意事项。培养基设计的原则。培养基配置的基本流程。优化培养基配方是应注意哪些方面？设计培养基的一般思路是什么？作业影响培养基质量的因素影响培养基质量的因素原材料质量的影响解决方法：严格控制全部原材料的质量，按照质量标准严格检测。如果更换原材料，必须进行小试、甚至中试，确定对生产没有影响时，才能用于实际生产。有机氮源的原材料质量是引起生产水平波动的主要因素之一。主要是加工用的原材料品种、产地、加工方法和贮存条件等造成的。如，红霉素发酵生产用热榨的黄豆饼粉；链霉素发酵生产用冷榨的黄豆饼粉；如，不同产地、不同批次的玉米浆水质的影响地区不同、季节变化和水源污染，均可造成水质波动。解决方法：控制水的硬度、铁含量、氯含量、不同形式的氮含量，常用电渗析或离子交换树脂等进行水的纯化。影响培养基质量的因素灭菌的影响工业发酵中，常采用高压蒸汽灭菌方法。营养成分的降解，发生某些化学反应。影响菌体生长和代谢途径变化或产物的合成产生的变化解决方法改进培养基灭菌工艺。如，糖类在高温条件下易于氨基化合物发生褐变，发酵培养基中的糖和其他成分分开灭菌。影响培养基质量的因素其他因素的影响1.PH的影响微生物生长和产物合成的最适pH

霉菌最适生长pH3～6大多数细菌生长的最适pH6.3～7.5放线菌生长最适

pH7～8影响培养基质量的因素影响培养基质量的因素解决方法：灭菌前用酸碱调节pH，或改变培养基营养物质的配比，或采用缓冲液调整pH。选择合适pH值的准则是有利于菌的生长和产物的合成，获得较高的产量。生长期和生产