發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基設(shè)計(jì)文檔ppt第1頁，共54頁。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(jià)格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購運(yùn)輸，適合大規(guī)模儲(chǔ)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2頁，共54頁。第一節(jié)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、按營養(yǎng)物質(zhì)來源分為

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(jià)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(jià)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(huì)影響生產(chǎn)穩(wěn)定性

半合成培養(yǎng)基：在天然培養(yǎng)基中加入一些化學(xué)藥品補(bǔ)充無機(jī)鹽成分第3頁，共54頁。二、按物理狀態(tài)分為固體培養(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(shí)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。四、按生產(chǎn)用途（從發(fā)酵生產(chǎn)應(yīng)用考慮）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。

三、按培養(yǎng)基用途分為：基礎(chǔ)培養(yǎng)基、選擇性培養(yǎng)基、加富培養(yǎng)基、鑒別培養(yǎng)基

第4頁，共54頁。孢子培養(yǎng)基要求：能使菌體生長快，產(chǎn)生孢子數(shù)量大、質(zhì)量好，且不會(huì)引起菌種變異。特點(diǎn)C、N源不宜多，否則只長菌絲，少長或不長孢子；無機(jī)鹽濃度要適當(dāng)控制，否則會(huì)影響孢子的顏色和孢子量。第5頁，共54頁。種子培養(yǎng)基要求營養(yǎng)豐富、完全，氮和維生素的含量高些；培養(yǎng)基中加入一些易于吸收利用的快C、N源，便于孢子發(fā)芽生長，保證球形；pH要穩(wěn)定；最后一級(jí)盡可能接近發(fā)酵培養(yǎng)基，常加入少量發(fā)酵合成期才大量需要的物質(zhì)。第6頁，共54頁。發(fā)酵培養(yǎng)基目的：使接種菌絲生長并能高效表達(dá)，獲得高的發(fā)酵產(chǎn)量，同時(shí)組分盡可能單一，以保證高的得率。要求營養(yǎng)豐富完全，有利于產(chǎn)物合成；不能大量加入快C、快N源，應(yīng)和慢C、N源相結(jié)合；在產(chǎn)物分泌期間，pH穩(wěn)定；加入適量合成所需的物質(zhì)，如前體等，進(jìn)行定向發(fā)酵；采用中間補(bǔ)料，以提高發(fā)酵單位；原料的考慮——成本問題第7頁，共54頁。培養(yǎng)基有哪些化學(xué)成分組成？這些成分的來源有哪些（尤其是C、N源）？各成分的作用是什么？在應(yīng)用天然C、N源時(shí)應(yīng)注意什么問題？第二節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及來源

第8頁，共54頁。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9頁，共54頁。3、工業(yè)上常用的糖類①葡萄糖

所有的微生物都能利用葡萄糖。但是會(huì)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10頁，共54頁。不同的制糖工藝生產(chǎn)的糖液質(zhì)量差別很大第11頁，共54頁。②糖蜜糖蜜是制糖生產(chǎn)時(shí)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葡萄糖蜜。第12頁，共54頁。不用加工方法對甘蔗糖蜜的影響第13頁，共54頁。糖蜜使用的注意點(diǎn)：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(huì)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：→黃血鹽第14頁，共54頁。②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(diǎn)：難利用、發(fā)酵液比較稠、一般>2.0%時(shí)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(diǎn)：來源廣泛、價(jià)格底難利用，可以解除葡萄糖效應(yīng)第15頁，共54頁。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：氨鹽、硝酸鹽和氨水特點(diǎn)：微生物對它們的吸收快，所以也稱之謂迅速利用的氮源。但無機(jī)氮源的迅速利用常會(huì)引起pH的變化如：

(NH4)2SO4→2NH3+2H2SO4

NaNO3+4H2→NH3+2H2O+NaOH第16頁，共54頁。

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。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17頁，共54頁。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(jià)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18頁，共54頁。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(huì)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(shí)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19頁，共54頁。三、無機(jī)鹽及微量元素1、作用：各種不一樣（低濃度促進(jìn)生長，高難度抑制生長）2、來源：C、N源，以鹽的形式補(bǔ)充3、用量：根據(jù)具體的產(chǎn)品，以實(shí)驗(yàn)決定4、使用注意點(diǎn)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20頁，共54頁。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(shí)注意鹽的形式（pH的變化）例：黑曲酶NRRL-330，生產(chǎn)α-淀粉酶，pH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21頁，共54頁。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族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22頁，共54頁。

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23頁，共54頁。作用：前體有助于提高產(chǎn)量和組份。用量：前體的用量可以按分子量衡算，具體使用有個(gè)轉(zhuǎn)化率的問題。例：6000單位/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%實(shí)際使用時(shí)的轉(zhuǎn)化率在46-90%之間例某廠單耗為：0.337（kg/10億青霉素）轉(zhuǎn)化率為：13.8/[(0.337/0.6)*36]=68%第24頁，共54頁。用法：前體使用時(shí)普遍采用流加的方法。前體一般都有毒性，濃度過大對菌體的生長不利苯乙酸，一般基礎(chǔ)料中僅僅添加0.07%。

前體相對價(jià)格較高，添加過多，容易引起揮發(fā)和氧化，流加也有利于提高前體的轉(zhuǎn)化率。第25頁，共54頁。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26頁，共54頁。

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27頁，共54頁。五、水

對于發(fā)酵工廠來說，恒定的水源是至關(guān)重要的，因?yàn)樵诓煌粗写嬖诘母鞣N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28頁，共54頁。第三節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法選擇出較為適合的培養(yǎng)基。

第29頁，共54頁。四個(gè)原則目的明確營養(yǎng)協(xié)調(diào)物理化學(xué)條件適宜經(jīng)濟(jì)節(jié)約以粗代精以野代家以廢代好以簡代繁四種方法生態(tài)模擬查閱文獻(xiàn)精心設(shè)計(jì)試驗(yàn)比較第30頁，共54頁。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100：0.2～2.0pH的要求

第31頁，共54頁。培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)了解菌種名稱、營養(yǎng)、生活史、生長環(huán)境、生理生化特性培養(yǎng)基種類的確定營養(yǎng)類型：主要底物，降解特點(diǎn)生長環(huán)境：溫度、pH、滲透壓（無機(jī)鹽）、耗氧情況菌代謝產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、途徑合成條件天然替代品的確定及其預(yù)處理第32頁，共54頁。培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)（續(xù)）基本培養(yǎng)基的確定來源廣泛、價(jià)廉；適于生長、繁殖、產(chǎn)物積累；不同階段有不同的基本培養(yǎng)基；用量的計(jì)算：C、N及前體。培養(yǎng)基的優(yōu)化單因子實(shí)驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)響應(yīng)面分析方法第33頁，共54頁。（一）、理論轉(zhuǎn)化率與實(shí)際轉(zhuǎn)化率

理論轉(zhuǎn)化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)微生物的代謝途徑進(jìn)行物料衡算，所得出的轉(zhuǎn)化率的大小。

實(shí)際轉(zhuǎn)化率是指實(shí)際發(fā)酵過程中轉(zhuǎn)化率的大小

如何使實(shí)際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個(gè)目標(biāo)

二、成分含量的確定實(shí)際轉(zhuǎn)化率往往要小于理論轉(zhuǎn)化率第34頁，共54頁。例:如在酒精生產(chǎn)中葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論轉(zhuǎn)化率計(jì)算如下：

葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的代謝總反應(yīng)衡算式為：

C6H12O62C2H5OH+2CO2

葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論得率為：

Y=2×46/162=0.57

第35頁，共54頁。第36頁，共54頁。（二）、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)基成分的含量最終都是通過實(shí)驗(yàn)獲得的

合理的實(shí)驗(yàn)方法多因子實(shí)驗(yàn)：均勻設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析等單因子實(shí)驗(yàn)第37頁，共54頁。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(shí)驗(yàn)次數(shù)常采用一些合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。三、培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的步驟①根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)基成分確定時(shí)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(shí)驗(yàn)最終確定出最為適宜的培養(yǎng)基成分；第38頁，共54頁。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)保健發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化第39頁，共54頁。原培養(yǎng)基:發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化第40頁，共54頁。初步確定可能的培養(yǎng)基成分（以碳源為例）發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化第41頁，共54頁。

通過單因子實(shí)驗(yàn)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%比較好發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化第42頁，共54頁。結(jié)果：碳源：乙酸鈉0.2%氮源：氯化銨0.2%

酵母膏0.03%無機(jī)鹽：復(fù)合無機(jī)鹽0.05%發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化第43頁，共54頁。正交設(shè)計(jì)確定優(yōu)化的配方發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化第44頁，共54頁。發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化第45頁，共54頁。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)果發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化第46頁，共54頁。四、搖瓶水平到反應(yīng)器水平的優(yōu)化配方搖瓶、反應(yīng)器培養(yǎng)基研究的兩個(gè)層次

搖瓶——培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的第一步

反應(yīng)器——最終的優(yōu)化的基礎(chǔ)配方第47頁，共54頁。例：青霉素發(fā)酵