培养基设计和淀粉制糖工艺.ppt

,生化生产工艺学,湖南中医药大学药学院,第三章 培养基设计和淀粉制糖工艺,2,微生物工业生产的一般流程,3,培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长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。,发酵培养基的作用：,满足菌体的生长 促进产物的形成,4,葡萄糖或糖蜜 总量的10%玉米浆 4%-5%苯乙酸 0.5%-0.8%猪油或植物油、消泡剂 0.5%其余水,生产青霉素工艺培养基,(甘蔗或甜菜糖厂生产后的副产物，桔水）,5,微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物的营养物质和营养类型培养基的分类、选择和配制原则最佳培养基组成的确定用于工业发酵的培养基淀粉制糖工艺,本章提纲,6,第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,一、微生物细胞的化学组成,营养物质的确定，主要依据细胞的化学组成及所代谢物的化学组成。因此，分析微生物细胞的化学组成是了解微生物营养的基础。,由表可知，微物细胞含有80%左右的水分和20%左右的干物质，它主要是由C、H、O和N等元素组成，约占全部干物质的90%至97%，此外还含有各种无机矿物质，依次为：P K MgCa S Na及微量元素。,7,第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,二、微生物胞外代谢产物,微生物在生长过程中，除利用外源营养物质合成新的细胞外，还会产生一些有机化合物分泌到微生物的体外，这些胞外代谢产物的种类繁多，且因微生物的种类而异。因此，了解这些代谢产物的化学组成，极有助于微生物培养时的营养物质的选择和代谢产物的积累。一般来说，微生物的胞外代谢产物的主要包括下面四个部分：代谢副产物 中间代谢产物 次级代谢产物 胞外水解酶类,8,第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,二、微生物胞外代谢产物,1）代谢副产物 这类产物主要是指伴随微生物细胞正常代谢作用所产生的一些小分子化合物。如：CO2、H2、CH4等气体和乙醇、丙酮、丁醇、丙酸、乳酸等低分子量的醇类、脂肪酸类和酮类，其中许多物质是重要的化工原料。,9,第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,二、微生物胞外代谢产物,2）中间代谢产物 指细胞在代谢途径中产生的用于合成蛋白质、核酸、类脂和多糖等细胞物质的一些小分子物质。如氨基酸、核苷酸、有机酸和单糖的衍生物。中间代谢产物一般不分泌到微生物体外，而只有当微生物细胞生物合成受阻或外源碳源浓度较高的情况下，才会有大量的积累和外流。不少中间代谢产物也是重要的食品和化工原料。,10,第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,二、微生物胞外代谢产物,2）中间代谢产物,11,第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物,二、微生物胞外代谢产物,3）次级代谢产物 这类代谢产物是指由微生物细胞合成的，分子比较复杂的一些化合物，它既不参与细胞的组成，又不是酶的活性基团，也不是细胞的储存物质，它们中的大多数分泌于微生物的体外。如抗生素、毒素、激素和色素等。4）胞外水解酶类 许多微生物可产生胞外水解酶类。这类水解酶包括淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶等。可用于食品、酿造、纺织、制革、医药和生化试剂等各个领域。,12,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,构成细胞物质和代谢产物有关的营养物质 提供能量来源的营养物质（用于生化合成反应、维持细胞结 构、建立细胞与环境间浓度梯度及分子的主动运输等）,定义：能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质称为微生物的营养物质。（包括组成细胞的各种化学元素、以及参与细胞组成、构成酶的活性成分与物质运输系统、提供机体进行各种生理活动所需的能量；同时也只有提供必须的水分和充足的养分，才能有效地积累代谢产物）包括水分、碳源、氮源、无机元素、生长辅助物质,13,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,1）水分 水既是为微生物细胞的重要组成成分（占细胞总量的80%90%），又是细胞进行生物化学反应的介质。微生物细胞对营养物质的吸收和代谢产品的分泌都必须借助水的溶解才能通过细胞膜，同时一定量的水分是维持细胞渗透压的必要条件。此外由于水的比热高，又是热的良好导体，它能够有效地调节细胞的温度。,14,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。,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水。,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,15,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,16,啤酒酿造用水是指糖化用水、洗糟用水、啤酒稀释用水。可以使用地表水和地下水，其水质必须符合酿造用水质量要求。一、酿造用水质量要求通常，软水适于酿造淡色啤酒，碳酸盐含量高的硬水适于酿制浓色啤酒。淡色啤酒用水要求为：无色，无臭，透明，无浮游物，味纯正，无生物污染；硬度低；铁、锰含量低（含量高对啤酒的色、味有害，而且能引起喷涌现象）；不含亚硝酸盐。,17,18,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,2）碳源物质 凡可构成微生物细胞和代谢产物中碳素骨架的营养物质称为碳源。微生物细胞中碳素含量一般占干物质的50%，为生命活动提供能源。（一）糖类：葡萄糖、糖蜜、玉米淀粉（二）脂肪（三）有机酸、醇（四）碳氢化合物,19,葡萄糖：是最常用的单糖糖蜜：甜菜废糖蜜、甘蔗废糖蜜，内含生物素淀粉：玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉等易被菌体迅速利用的糖类对许多产物合成有调节作用，应控制其浓度，或与多糖组成混合碳源，有利于产物的形成。,20,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,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,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,21,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葡萄糖蜜。,22,不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,23,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,有害物质：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,24,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,缺点：难利用、发酵液比较稠、一般2.0%时加入一定的-淀粉酶 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 难利用，可以解除葡萄糖效应,25,例：地衣牙孢杆菌生产-淀粉酶,碳源对生长和产酶的影响,碳源 细胞量-淀粉酶葡萄糖 4.2 0 蔗糖 4.02 0糊精 3.06 38.2淀粉 3.09 40.2,26,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,27,脂肪,动、植物油，如豆油、玉米油、棉子油、猪油等起消沫和补充碳源的双重作用必须充分供氧贮藏过程中易酸败,28,有机酸 可作碳源，还有调节pH值的作用 醇 乙醇，甘油，山梨醇 碳氢化合物 石油产物，甲烷，乙烷，丁烷，十六烷烃,29,工业上主要作为碳源的基质,（1）糖类：如蔗糖、红糖或褐糖、糖蜜等；（2）麦芽汁（大麦小麦等糖化所得）；（3）淀粉（甘薯淀粉、玉米淀粉、大米淀粉等）。目前正在开发利用的碳源有：（1）纤维素；（2）木质素；（3）烃类（包括甲烷）。,30,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,3）氮源物质 凡是能被微生物用来构成细胞物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质通常称为氮源。不同种类微生物对各种氮源的利用能力是不同的。固氮微生物能利用自然界中游离的分子态氮，而更多的微生物则是利用无机含氮化合物，如铵盐和尿素，某些种类的放线菌、细菌和真菌能分解复杂的有机含氮化合物。此外，还有少数的细菌，如硝化细菌，能利用硝酸盐作为氮源和能源。,31,构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质，可补充碳源，是发酵的主要原料之一。（牛肉膏蛋白胨培养基）分无机氮源和有机氮源两大类,32,1、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，所以也称之谓迅速利用的氮源。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,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,3）氮源物质,33,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,3）氮源物质,34,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,35,无机氮源的影响：,硫酸铵硝酸铵硝酸钠尿素,36,无机氮源的特点,1、成分单一，质量较稳定2、易被菌体吸收利用利用铵盐和硝酸盐能力强，铵离子被细胞吸收后还可直接利用，因而硫酸铵等铵盐被称为速效氮源。铵离子对多数产物合成有调节作用，应控制加入的浓度。3、改变培养液的pH值：生理酸性物质：代谢后能产生酸性物质的营养成分，如硫酸铵。生理碱性物质：代谢后能产生碱性物质的营养成分，如硝酸钠、乙酸钠等。,37,2、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、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒 糟。,成分复杂：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。,例 玉米浆：可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸 较多的乳酸 硫、磷、微量元素等,38,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。,39,氮源使用的一些相关问题：,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,有些产物会受氮源的诱导和阻遏,例：蛋白酶的生产,有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力,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,40,有机氮源的特点,1、成分比较复杂2、被菌体利用的速度不同玉米浆中氮源物质以蛋白质降解产物形式存在，易吸收和利用，为速效氮源。黄豆饼和花生饼中氮原物质以大分子蛋白质形式存在，需进一步降解才能吸收利用，为迟效氮源。3、微生物对氨基酸的利用有选择性可直接利用，用于合成蛋白质和其他物质4、是引起发酵水平波动的主要因素产地不同，加工方法不同，质量不稳定，常引起发酵水平波动,41,工业上主要作为氮源的基质,（1）玉米浆：是由玉米生产淀粉或糖时得到的一种副产品。大约含4的氮，含有多种氨基酸，糖含量约为3.5，乳酸含量约为12；（2）大豆饼：是大豆榨油后的残渣，含氮约812，含碳水化合物约30，另外还含有多种矿物质和少量的油。（3）鱼粉：是鱼类下脚料加工而成的粉状物；,42,工业上主要作为氮源的基质,（4）棉籽饼粉：由棉籽榨油后制成的粉末，含约56的蛋白质，24的碳水化合物，5的油和5灰分；（5）酵母浸出物：由酵母浸出而成，主要用于微生物的前培养。（6）蛋白质水解物：如牛肉膏、蛋白胨等，价格较贵主要用于斜面培养基。（7）发酵残液；有未被利用的氮源及大量微量元素，加糖后可再利用。,43,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,4）无机元素 无机元素也是微生物生长和代谢不可缺少的营养物质，主要作用是构成细胞的组织成分、作为酶的组成成分或维持酶的活性、调节细胞的渗透压、氢离子浓度、氧化还原电位等。某些自养微生物还可利用无机盐作为能源。根据微生物对无机元素的需要量大小，可以分成主要无机元素和微量无机元素。主要无机元素包括磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等，其中磷、硫的需要量较大，是构成细胞物质的重要成分，钾、钠、镁主要是调节和控制原生质的胶体状态、维持膜的透性并激发某些酶的活性。微量无机元素包括钼、锌、钴、铜、硼、碘、溴等，虽极微量地存在于微生物体内，但往往会强烈刺激微生物的生长发育。,44,铁 是菌体的细胞色素，细胞色素氧化酶和过氧化物酶的组成元素，是菌体生命活动的必需元素之一镁，锌，钴 是某些酶的辅酶钾 影响细胞膜的通透性钠 具有维持细胞的渗透压的功能钙 调节细胞的透性的作用，调节培养液中磷酸盐的含量,45,1、作用：各种不一样,2、来源：C、N源，以盐的形式补充,3、用量：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,无机盐的微量元素,46,例：铁离子 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,B、使用时注意盐的形式（pH的变化）,例：黑曲酶NRRL-330,生产-淀粉酶，pH对酶活的影响 pH 酶活不加 4.25 120分钟加 K2HPO4 5.45 30分钟加 KH2PO4 4.62 75分钟,无机盐的微量元素,47,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,5）生长辅助物质 生长辅助物质是在微生物生长发育过程中不可缺少而需要量又极少的一类特殊营养物质，包括维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶类碱基等，这些营养物质是辅酶和核酸的组成成分。因此缺少生长辅助物质，微生物的新陈代谢就不能正常进行。在自然界中，自养细菌和许多腐生细菌、霉菌都能自己合成各种生长辅助物质，而不需要另外供给。但许多微生物却缺少合成一种或几种生长辅助物质的能力，必须另外添加才能维持正常的生长和发育。营养物质中的酵母浸出物和麦芽浸出物等都含有丰富的生长辅助物质。,48,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,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族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,49,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产物物分子中去，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的提高。,2、前体,青霉素：分子量356,苯乙酸:分子量136,50,用法：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 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，流加也有利于提高前体的转化率。,作用：前体有助于提高产量和组份,51,3、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。,52,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。,53,消泡剂,消除发酵中产生的泡沫，防止逃液和染菌，保证生产的正常运转。常用：植物油脂、动物油脂和一些化学合成的高分子化合物。,第二节 微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,54,55,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,一、微生物的营养物质,6）气体 与微生物生长有关的主要气体是氧气和二氧化碳。此外有些细菌还能利用空气中的氮气。根据微生物对氧的需求，可分为三类。A.专性好氧微生物 包括全部的霉菌、大部分的放线菌及部分的细菌。B.专性厌氧微生物 只能在没有空气或无氧的条件下才能生长，包括部分细菌、放线菌。C.兼性微生物 既能在有空气或有氧的条件下生长，又能在没有空气或无氧的条件下生长，包括酵母菌及部分细菌。,56,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,根据微生物对碳源和能源需求的不同，可将微生物分成光能自养、光能异养、化能自养和化能异养四种类型。1）光能自养微生物 细胞内含有光和色素，能进行光合作用的，以光作为能源，以某些无机物做氢受体还原二氧化碳来合成有机化合物的一类微生物属于光能自养型微生物，如藻类、蓝细菌、绿色细菌和紫色硫细菌等。2）光能异养微生物 以光作为能源，利用有机物作为碳源的一类微生物称为光能异养微生物，这类微生物大多需要外源的生长辅助因素才能维持正常的生长发育。例如，红螺细菌利用异丙醇作为氢受体进行光合作用，并积累丙酮。,57,第二节 微生物的营养物质和营养类型,微生物的营养物质和营养类型,二、微生物的营养类型,3）化能自养微生物 以无机物氧化所产生的化学能作为能源，以二氧化碳作为碳源合成有机物的一类微生物称作化能异养微生物。能生长在完全的无机物环境中，分别氧化各自适宜的还原态无机物质，获取还原二氧化碳所需的能量，如硝化细菌、硫化细菌、亚硝化细菌、铁细菌和氢细菌等。4）化能异养微生物 以有机物作为能源和碳源的微生物称为化能异养微生物。大多数细菌、全部放线菌、真菌和原生动物都属于这类微生物。目前在发酵生产中应用的微生物大多属于这一营养类型。当然，上述对微生物营养类型的分类也不是绝对的。许多微生物因其生长环境条件的改变而使营养需求发生变化。例如，氢细菌既能在完全无机环境中利用氢的氧化所释放的能量将二氧化碳还原成有机物，又能在有机物存在的环境下异养生活。,58,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,一、培养基的分类,1）根据营养物质的来源不同 天然培养基是指用于天然有机物配制而成的一类培养基，具有营养丰富、制备容易、来源广泛及适合于大规模培养微生物等特点。不足之处是营养成分不够清楚、稳定性差。牛肉膏、蛋白胨、玉米浆、麦芽汁和马铃薯等均属于此类培养基。合成培养基是指用化学成分完全清楚的物质配制而成的一类培养基。其特点是营养成分完全清楚，缺点是配制较为复杂，微生物生长比较缓慢。合成培养基不适宜用于大规模生产，而主要用于鉴定微生物的生理生化特性及定量分析某些营养物质。半合成培养基则是指以一部分天然物质作为碳源、氮源及生长辅助物质的来源，再适当补充少量的盐，经人工配制而成的一类培养基。这类培养基能适合很多微生物的正常生长，来源广泛，价格也比较便宜，已被广泛用于微生物的大规模培养过程中。,59,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,一、培养基的分类,M培养基(1L)：Na2HPO4 6g，KH2PO4 3g，NaCl 0.5g，NH4Cl 1g，MgSO47H2O 0.5g，CaCl2 0.011g，葡萄糖 2-10g,pH 7.0,YPS培养基：酪蛋白胨（日本大五营养）10g，酵母提取物（英国Oxoid）5g,NaCl 10g，PH 7.2,培养大肠杆菌常用两种培养基：,60,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,一、培养基的分类,2）根据培养基状态不同 液体培养基是指将微生物所需的营养物质用水溶解并混合在一起，再经调节适宜的酸碱度后制成为液体状态的培养基质。微生物可在这类培养基中很好地与营养物质接触，极利于微生物的生长和代谢产物的积累，因此已被广泛应用于微生物的大规模培养或科学研究中。在配制好的液体培养基中加入一定量的凝固剂（如1.5%2%的琼脂），经煮沸溶解并冷却后制成的培养基就是固体培养基。加入少量的凝固剂（如0.5%的琼脂）于液体培养基中，经煮沸溶解并冷却后制成的培养基就是半固体培养基。固体培养基、半固体培养基可制成试管斜面或平板，用于对微生物形态、培养特征、菌落计数的研究及观察菌体的运动等。,61,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,一、培养基的分类,62,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,一、培养基的分类,3）根据培养基的用途不同 按某种微生物的营养特性在培养基中加入有利于该微生物生长、繁殖的营养物质，以提高对该微生物的分离效率。这些在微生物增殖过程中加入的营养物质就称为增殖培养基。培养基中添加一些对某种微生物有抑制作用而对所需微生物又无影响的物质，从而使这类培养基对某种微生物有严格的选择性，这类培养基就称为选择培养基。鉴别培养基是指添加有某种指示剂的培养基，使不易于区别的多种微生物经培养后，由于代谢的不同而对指示剂反应呈现出明显的差异，从而有助于鉴别不同的微生物。另一种分类：斜面培养基、种子培养基、发酵培养基,63,64,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,二、培养基的选择,1）从微生物的特点来选择培养基 细菌、酵母菌、霉菌、放线菌2）液体和固体培养基的选择 液体培养基营养物质完全溶解于水中，这样微生物可以充分接触和利用营养物质，有利于微生物的生长和更好地积累代谢产物。工业上利用液体培养基进行的深层发酵具有发酵效率高、操作方便，便于机械化、自动化、降低劳动强度、占地面积小、产量高等优点，所以发酵工业大多数采用液体培养基培养种子和进行发酵，并根据微生物对氧气的需求，分别做静止或通风培养。固体培养基则常用于微生物菌种的保藏、分离、菌落特性鉴定、活细胞数测定等方面，此外工业上也常用一些固体原料，如小米、大米、麸皮、马铃薯等直接制作成斜面或茄子瓶来培养霉菌、放线菌。,65,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,二、培养基的选择,3）从生产实践和科学试验的不同要求选择 生产过程中，从菌种的保藏、种子的扩大培养到发酵生产等各个阶段的目的和要求是不同的，因此，所选择的培养基也应该有区别。一般来说，种子培养基主要是供微生物菌体的生长和大量增殖。为了在较短的时间内获得数量较多的强壮的种子，种子培养基要求营养丰富、完全，氮源、维生素的比例应较高，所用的原料也应易于微生物菌体的吸收和利用，常用葡萄糖、硫酸铵、尿素、玉米浆、蛋白胨、酵母膏、麦芽汁、米曲酶等作为原料配制培养基。而发酵培养基除需要维持微生物菌体的正常生长外，主要是要求合成发酵产物，所以发酵培养基中碳源物质的含量往往要高于种子培养基。当然，发酵培养基还应考虑便于发酵操作，以及不影响产物的提取分离和产品的质量。,66,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,二、培养基的选择,4）从经济效益选择生产原料 从科学研究的角度出发，培养基的经济性通常是不被那么重视，而对于生产过程来讲，由于配制发酵培养基的原料大多是粮食、油脂、蛋白质等，且工业发酵消耗原料量大，因此，在工业发酵中选择培养基原料时，除了必须考虑容易被微生物利用并满足生产工艺的要求外，还应考虑到经济效益，以物美价廉、运输方便、就地取材及没有毒性等为原则选择配制培养基。,67,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,三、培养基的配制原则,1）根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基 不同的微生物所需要的培养基成分是不同的，要确定一个合适的培养基，就需要了解生产用菌种的来源、生活习惯、生理生化特性和一般的营养要求，根据不同生产菌种的培养条件、生物合成的代谢途径、代谢产物的化学性质等确定针对性强的培养基配方。,68,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,三、培养基的配制原则,2）营养成分的恰当配比 实践证明，只有培养基营养物质浓度合适时，微生物细胞才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足正常生长的需要，而浓度过高时则可能对细胞生长起抑制作用，因此微生物所需的营养物质之间应有适当的比例，培养基中的碳和氮的比例（C/N）在发酵工业中尤其重要。如培养基中氮源过多，会引起微生物生长过于旺盛，而不利于产物的积累；氮源不足，则微生物菌体生长过于缓慢。当培养基中的碳源供应不足时，容易引起微生物菌体的衰老和自溶。培养基的碳氮比不仅会影响微生物菌体的生长，同时也会影响到发酵的代谢途径。不同的微生物菌种、不同的发酵产物所要求的碳氮比是不同的，即使是同一微生物在不同的培养阶段，对培养基的碳氮比的要求也是不一样的。,69,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,三、培养基的配制原则,3）渗透压 营养物质浓度太低，不仅不能满足微生物生长对营养物质的需求，而且也不利于提高发酵产物的产量和提高设备的利用率。但是，培养基中营养物质的浓度也不能过高，当营养物质浓度过高时，由于培养基溶液的渗透压太大，会抑制微生物的生长。在发酵生产过程中，在不影响微生物的生理特性和代谢转化率的情况下，通常趋向在较高浓度下进行发酵，以提高产物产量，并尽可能选育耐高渗透压的生产菌株。4）pH 霉菌和酵母菌比较适于微酸性环境，放线菌和细菌适于中性或微碱性环境。5）氧化还原电位,70,第三节 培养基的分类、选择和配制原则,培养基的分类、选择和配制原则,三、培养基的配制原则,在配制培养基时，除注意以上几条原则外，还要考虑到营养成分的加入顺序。为了避免生产沉淀而造成营养成分的损失，加入的顺序一般为先加入缓冲化合物，溶解后加入主要元素，然后是微量元素，最后加入维生素等生长素类物质。如甲醇酵母的基础发酵培养基：磷酸、硫酸钙、硫酸钾、硫酸镁、氢氧化钾、甘油。,71,第四节 最佳培养基组成的确定,最佳培养基组成的确定,培养基的组成必须符合微生物细胞的生长、繁殖和产物生成的各种要求，需要从营养物质的种类、浓度、比例及缓冲能力、黏度、杂质含量等方面加以确定。,能否设计出一个好的发酵培养基，是一个发酵产品工业化成功中非常关键的一环。,对发酵培养基进行科学的设计，包括两个方面的内容：对发酵培养基的成分及原辅料材料的特性有较为详细的了解；在此基础上结合具体微生物和发酵产品的代谢特点及对培养基的成分进行合理的选择和优化。,72,培养基的设计和优化过程一般需要经过培养基组分初步确定（结合先前的经验及必须考虑的一些问题）、培养基组分及其最适浓度的确定（单因子优化），以及培养基组分及其合适浓度的优化（多因子优化、正交、响应面）三个步骤。,第四节 最佳培养基组成的确定,最佳培养基组成的确定,73,第四节 最佳培养基组成的确定,最佳培养基组成的确定,一旦确定了培养基的化学组成后，还需要根据各种情况确定原料的组成，使确定的培养基能符合经济效益要求。这些情况主要有：1.根据原料成分调整培养基配比；2.根据原料的的物理特性调整培养基配比；3.根据原料的来源、储运、取材、价格等调整培养基配比；4.根据生产设备要求调整培养基配比；5.根据生产工艺需要调整培养基配比；6.根据所要培养的微生物细胞特性调整培养基配比；7.根据非营养作用的特殊要求调整培养基配比。,74,生产青霉素工艺培养基,葡萄糖或糖蜜 总量的10%玉米浆 4%-5%苯乙酸 0.5%-0.8%猪油或植物油、消泡剂 0.5%其余水,从微生物的营养要求来看，所有的微生物都需要水、能源、碳源、无机元素及生长辅助物质，如果是好氧微生物则还需要氧气。在实验室规模上配制含有纯化合物的培养基是相当简单的，虽然它能满足微生物的生长要求，但在大规模生产上往往是不适合的。,在发酵工业中，必须使用廉价的原料来配制培养基，尽可能地满足下列条件：每克消耗的底物将产生最大的菌体得率或产物得率；能产生最高的产品或菌体的浓度；能得到产物形成的最大速率；副产品的得率最小；价廉并具有稳定的质量；来源丰富且供应充足；在通气和搅拌、提取、纯化、废物处理及生产工艺过程都比较容易。,第五节 用于工业发酵的培养基,75,第五节 用于工业发酵的培养基,用于工业发酵的培养基,培养基的选择还会影响到发酵罐的设计。例如用甲醇和氨生产单细胞蛋白是用气提式反应器代替普通的机械通用搅拌罐，从而克服了由于高速通气和高速搅拌所产生的热量问题，并节约了能源，同样如果发酵罐是现成的，将很明显限制了培养基的选择。,76,77,第五节 用于工业发酵的培养基,用于工业发酵的培养基,一个过程从实验室放大到中试规模，最后到工业生产由于放大效应还会产生各种各样的问题。比如实验室使用的培养基在大型的发酵罐中，由于此时气液传递速率降低不是最理想的，高粘度的培养基显然要消耗更高的搅拌功率。除了能满足生长和产品形成的要求外，培养基也会影响到PH的变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态。在培养基中，有时也需要添加前体物质或代谢的抑制剂，以促进产物的形成。,78,第五节 用于工业发酵的培养基,用于工业发酵的培养基,一、工业上经常使用的碳源,在微生物发酵过程中，普遍以碳水化合物作为碳源。使用最广的碳水化合物是玉米淀粉，也可使用来自其他谷物、马铃薯、木薯的淀粉。淀粉可用称酸和酶快速水解产生不同的葡萄糖制备物，用酸水解得到的葡萄糖产物会含少量有毒物质。蔗糖一般来自甘蔗或甜菜，在发酵培养基中常用甜菜或甘蔗糖蜜，它们是在糖精制过程中留下的残液。玉米浆是玉米提取玉米淀粉后留下的副产品。,79,第五节 用于工业发酵的培养基,用于工业发酵的培养基,二、工业上经常使用的氮源,工业生产上所用的微生物都能利用无机或有机氮源，无机氮源包括了氮气、铵盐或硝酸盐等。有机氮源包括了玉米浆、豆饼为、花生饼粉、棉籽粉、酒精干燥可溶物、酪蛋白水解液、屠场废物、鱼粉、酵母浸出液等。一般来讲，有机氮源更有利于微生物生长。,工业上常用的氮源及含量,80,第五节 用于工业发酵的培养基,用于工业发酵的培养基,三、工业上常用的无机元素,工业生产上，常使用合成培养基，因此需要添加诸如镁、磷、钾、硫、钙、钴、铜等无机元素。常用无机元素的浓度范围如下表所示。,无机元素的常用添加浓度范围（单位：g/L）,81,第五节 用于工业发酵的培养基,用于工业发酵的培养基,四、添加前体物质和代谢调节物质,工业发酵过程中通常要添加一些有助于产物的形成，而对菌体生长影响不大的前体物质、抑制剂或诱导剂等代谢调节物质。,常用的辅助生长因子及来源,Thank You!,