發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計

關(guān)于發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日培養(yǎng)基：廣義上講培養(yǎng)基是指一切可供微生物細(xì)胞生長繁殖所需的一組營養(yǎng)物質(zhì)和原料。同時培養(yǎng)基也為微生物培養(yǎng)提供除營養(yǎng)外的其它所必須的條件。

發(fā)酵培養(yǎng)基的作用：

滿足菌體的生長促進(jìn)產(chǎn)物的形成第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日發(fā)酵培養(yǎng)基的要求①培養(yǎng)基能夠滿足產(chǎn)物最經(jīng)濟(jì)的合成。②發(fā)酵后所形成的副產(chǎn)物盡可能的少。③培養(yǎng)基的原料應(yīng)因地制宜，價格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購運輸，適合大規(guī)模儲藏，能保證生產(chǎn)上的供應(yīng)。④所選用的培養(yǎng)基應(yīng)能滿足總體工藝的要求，如不應(yīng)該影響通氣、提取、純化及廢物處理等。第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.1培養(yǎng)基的類型及功能

培養(yǎng)基按其組成物質(zhì)的純度、狀態(tài)、用途可分為三大類型

一、按純度

合成培養(yǎng)基

:原料其化學(xué)成分明確、穩(wěn)定

適合于研究菌種基本代謝和過程的物質(zhì)變化規(guī)律

培養(yǎng)基營養(yǎng)單一，價格較高，不適合用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)

天然培養(yǎng)基:采用天然原料

原料來源豐富(大多為農(nóng)副產(chǎn)品)、價格低廉、適于工業(yè)化生產(chǎn)

原料質(zhì)量等方面不加控制會影響生產(chǎn)穩(wěn)定性

第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日二、按狀態(tài)固體培養(yǎng)基

:適合于菌種和孢子的培養(yǎng)和保存，也廣泛應(yīng)用于有子實體的真菌類，如香菇、白木耳等的生產(chǎn)

半固體培養(yǎng)基:即在配好的液體培養(yǎng)基中加入少量的瓊脂，一般用量為0.5%～0.8%,主要用于微生物的鑒定。液體培養(yǎng)基:80%～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的營養(yǎng)成分，是發(fā)酵工業(yè)大規(guī)模使用的培養(yǎng)基。三、按用途（從發(fā)酵生產(chǎn)應(yīng)用考慮P19）

培養(yǎng)基按其用途可分為孢子（斜面）培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基三種

第五頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.2發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及來源

一、碳源1、作用

提供微生物菌種的生長繁殖所需的能源和合成菌體所必需的碳成分

提供合成目的產(chǎn)物所必須的碳成分2、來源糖類、油脂、有機(jī)酸、正烷烴第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日3、工業(yè)上常用的糖類①葡萄糖

幾乎所有的微生物都能利用葡萄糖但是會引起葡萄糖效應(yīng)

工業(yè)上常用淀粉水解糖,但是糖液必須達(dá)到一定的質(zhì)量指標(biāo)第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日淀粉質(zhì)原料處理中的幾個基本概念：糊化（用酶處理時稱“液化”）：淀粉成為糊精和低聚糖，黏度降低（可通過加熱、酸解、酶解）。糖化：糊精和低聚糖徹底水解為葡萄糖第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日淀粉水解糖的制備方法：酸解法：酸、高溫、高壓，時間短；酸酶法：先酸水解為糊精或低聚糖，再用酶(？)水解為葡萄糖；酶酸法：先用酶（？）水解為糊精或低聚糖，再用酸水解為葡萄糖；雙酶法：先用上述一種酶將淀粉分解為糊精或低聚糖（此稱液化），再用另一種酶將其水解為葡萄糖。淀粉水解過程中產(chǎn)生的糖苷鏈片段，即為糊精第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日不同的制糖工藝生產(chǎn)的糖液質(zhì)量差別很大DE值是還原糖（以葡萄糖計）占糖漿干物質(zhì)的百分比。

國家標(biāo)準(zhǔn)中，DE值越高，葡萄糖漿的級別越高第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日②糖蜜

糖蜜是制糖生產(chǎn)時的結(jié)晶母液，它是制糖工業(yè)的副產(chǎn)物。

糖蜜主要含有蔗糖，總糖可達(dá)50%～75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日糖蜜使用的注意點：

除糖份外，含有較多的雜質(zhì)，其中有些是有用的，但是許多都會對發(fā)酵產(chǎn)生不利的影響，需要進(jìn)行預(yù)處理。例：谷氨酸發(fā)酵有害物質(zhì)：膠體成分（起泡、結(jié)晶）、鈣鹽（結(jié)晶）

生物素（發(fā)酵控制）預(yù)處理：澄清→脫鈣→脫除生物素例：檸檬酸發(fā)酵有害物質(zhì)：鐵離子含量高（導(dǎo)致異檸檬酸的生成）預(yù)處理：→黃血鹽（絡(luò)合）第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日糖蜜使用時的一般處理方法：稀釋。其中干物質(zhì)濃度高；滅菌和調(diào)酸。含較多雜菌，尤其是產(chǎn)酸細(xì)菌；除去膠體物質(zhì)（果膠質(zhì)、焦糖、黑色素）。不僅會產(chǎn)生大量泡沫、還抑制菌體發(fā)揮作用；除去灰分和其他雜質(zhì)；適當(dāng)添加其他營養(yǎng)成分。第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日③

淀粉、糊精使用條件：微生物必須能分泌水解淀粉、糊精的酶類缺點：難利用、發(fā)酵液比較稠、一般>2.0%時加入一定的α-淀粉酶成分比較復(fù)雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等等。優(yōu)點：來源廣泛、價格底，可以解除葡萄糖效應(yīng)第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日例：地衣芽孢桿菌生產(chǎn)α-淀粉酶碳源對生長和產(chǎn)酶的影響碳源細(xì)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第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日嗜堿芽胞桿菌(AC-2)中碳源對堿性纖維素酶分泌的影響結(jié)果：各種碳源相差不大推論：該菌種的堿性纖維素酶為組成型蘇勤，林業(yè)化學(xué)與工業(yè)，2004第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日二、氮源

氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)（氨基酸，蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機(jī)氮源和無機(jī)氮源。

1、無機(jī)氮源種類：銨鹽、硝酸鹽和氨水特點：微生物對它們的吸收快，所以也稱之謂迅速利用的氮源（速效氮源）。但無機(jī)氮源的迅速利用常會引起pH的變化如：

(NH4)2SO4

→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2

→NH3+2H2O+NaOH第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日

無機(jī)氮源被菌體作為氮源利用后，培養(yǎng)液中就留下了酸性或堿性物質(zhì)，這種經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無機(jī)氮源叫生理酸性物質(zhì)，如硫酸胺，若菌體代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的則此種無機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)，如硝酸鈉。正確使用生理酸堿性物質(zhì)，對穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程的pH有積極作用。（碳源主要為生理酸性物質(zhì)）所以選擇合適的無機(jī)氮源有兩層意義：

滿足菌體生長穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中的pH第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日毛霉產(chǎn)蛋白酶的研究陳濤，中國釀造，2004初始pH的影響:pH偏酸比較好，中性蛋白酶影響大第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日無機(jī)氮源的影響：硫酸銨>硝酸銨>硝酸鈉>尿素第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日2、有機(jī)氮源來源：工業(yè)上常用的有機(jī)氮源都是一些廉價的原料，花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、尿素、廢菌絲體和酒糟。成分復(fù)雜：除提供氮源外，有些有機(jī)氮源還提供大量的無機(jī)鹽及生長因子。例玉米漿：①可溶性蛋白、生長因子（生物素）、苯乙酸②較多的乳酸③硫、磷、微量元素等第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日

有機(jī)氮源成分復(fù)雜可以從多個方面對發(fā)酵過程進(jìn)行影響，而另一方面有機(jī)氮源的來源具有不穩(wěn)定性。所以在有機(jī)氮源選取時和使用過程中，必須考慮原料的波動對發(fā)酵的影響。第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日氮源使用的一些相關(guān)問題：

有機(jī)氮源和無機(jī)氮源應(yīng)當(dāng)混合使用早期：容易利用易同化的氮源—無機(jī)氮源中期：菌體的代謝酶系已形成、則利用蛋白質(zhì)

有些產(chǎn)物會受氮源的誘導(dǎo)和阻遏例：蛋白酶的生產(chǎn)

有機(jī)氮源選取時也要考慮微生物的同化能力

開發(fā)效果好、有針對性的有機(jī)氮源仍然是令人感興趣的課題第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日三、無機(jī)鹽及微量元素（P17）1、作用：各種不一樣2、來源：以鹽的形式補(bǔ)充3、用量：根據(jù)具體的產(chǎn)品，以實驗決定4、使用注意點A.對于其它渠道有可能帶入的過多的某種無機(jī)離子和微量元素在發(fā)酵過程中必須加以考慮第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日例：鐵離子青霉素發(fā)酵中，鐵離子的濃度要小于20μg/ml

發(fā)酵罐必須進(jìn)行表面處理B、使用時注意鹽的形式（pH的變化）例：黑曲酶NRRL-330,生產(chǎn)α-淀粉酶，P對酶活的影響

pH酶活不加4.25120分鐘加K2HPO45.4530分鐘加KH2PO44.6275分鐘第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日四、生長因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑

從廣義上講，凡是微生物生長不可缺少的微量的有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長因子。

1、生長因子

如以糖質(zhì)原料為碳源的谷氨酸生產(chǎn)菌均為生物素缺陷型，以生物素為生長因子,生長因子對發(fā)酵的調(diào)控起到重要的作用。

有機(jī)氮源是這些生長因子的重要來源，多數(shù)有機(jī)氮源含有較多的B簇維生素和微量元素及一些微生物生長不可缺少的生長因子。第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日

前體指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接被微生物在生物合成過程中合成到產(chǎn)物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較大的提高。2、前體青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日3、產(chǎn)物促進(jìn)劑所謂產(chǎn)物促進(jìn)劑是指那些非細(xì)胞生長所必須的營養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日

促進(jìn)劑提高產(chǎn)量的機(jī)制還不完全清楚，其原因是多方面的。有些促進(jìn)劑本身是酶的誘導(dǎo)物；有些促進(jìn)劑是表面活性劑，可改善細(xì)胞的透性，改善細(xì)胞與氧的接觸從而促進(jìn)酶的分泌與生產(chǎn)，也有人認(rèn)為表面活性劑對酶的表面失活有保護(hù)作用；有些促進(jìn)劑的作用是沉淀或螯合有害的重金屬離子。第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日五、水

對于發(fā)酵工廠來說，恒定的水源是至關(guān)重要的，因為在不同水源中存在的各種因素對微生物發(fā)酵代謝影響甚大。

水源質(zhì)量的主要考慮參數(shù)包括pH值、溶解氧、可溶性固體、污染程度以及礦物質(zhì)組成和含量。對于釀造行業(yè)，水的重要性不言而喻

對于常規(guī)發(fā)酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清潔的水。第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.3發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計和優(yōu)化

目前還不能完全從生化反應(yīng)的基本原理來推斷和計算出適合某一菌種的培養(yǎng)基配方，只能用生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)等的基本理論，參照前人所使用的較適合某一類菌種的經(jīng)驗配方，再結(jié)合所用菌種和產(chǎn)品的特性，采用搖瓶、玻璃罐等小型發(fā)酵設(shè)備，按照一定的實驗設(shè)計和實驗方法選擇出較為適合的培養(yǎng)基。

第三十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日一、培養(yǎng)基成分選擇的原則

菌種的同化能力

代謝的阻遏和誘導(dǎo)

合適的C、N比100∶0.2～2.0

pH的要求

第三十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日二實驗設(shè)計

培養(yǎng)基成分的含量最終都是通過實驗獲得的

合理的實驗方法多因子實驗：均勻設(shè)計、正交實驗設(shè)計、響應(yīng)面分析等。單因子實驗第三十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日③當(dāng)培養(yǎng)基成分確定后，剩下的問題就是各成分最適的濃度，由于培養(yǎng)基成分很多，為減少實驗次數(shù)常采用一些合理的實驗設(shè)計方法。三、培養(yǎng)基設(shè)計的步驟①根據(jù)前人的經(jīng)驗和培養(yǎng)基成分確定時一些必須考慮的問題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分；②通過單因子實驗最終確定出最為適宜的培養(yǎng)基成分；第三十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日類胡蘿卜素高產(chǎn)菌Y11的培養(yǎng)基的優(yōu)化郭秒,食品與工業(yè)發(fā)酵，2004類胡蘿卜素的作用：色素、營養(yǎng)保健第三十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日原培養(yǎng)基:第三十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日

初步確定可能的培養(yǎng)基成分(以碳源為例)第三十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日

通過單因子實驗確定適宜的培養(yǎng)基成分(以碳源為例)考慮到成本：乙酸鈉是較為合適的碳源進(jìn)一步：乙酸鈉的濃度0.2%比較好第三十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日

正交設(shè)計確定優(yōu)化的配方第三十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日第四十頁，共四十七頁，2022年，8月28日結(jié)果：碳源：乙酸鈉0.2%氮源：氯化銨0.2%

酵母膏0.05%無機(jī)鹽:復(fù)合無機(jī)鹽0.05%第四十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日改進(jìn)后培養(yǎng)基原培養(yǎng)基改進(jìn)后培養(yǎng)基的發(fā)酵結(jié)果第四十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日La（bc）正交設(shè)計試驗總次數(shù)，行數(shù)因素水平數(shù)因素個數(shù)，列數(shù)等水平正交表La（bc）第四十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日影響山楂液化率的因素很多，如山楂品種、山楂果肉的破碎度、果肉加水量、原料