《发酵工业培养基》PPT课件.ppt

第第3 3章章 发酵工业培养基设计发酵工业培养基设计培养基：人工配制的供培养基：人工配制的供M或动植物细胞或动植物细胞生长、繁殖、代谢和合成人们生长、繁殖、代谢和合成人们所需产物的营养物质和原料。所需产物的营养物质和原料。3.1发酵工业培养基的基本要求发酵工业培养基的基本要求必须提供合成必须提供合成M细胞和发酵产物的基本成分细胞和发酵产物的基本成分有利于提高单位营养物质的转化率有利于提高单位营养物质的转化率有利于提高产物的浓度有利于提高产物的浓度有利于提高产物的合成速度有利于提高产物的合成速度尽量减少副产物的形成尽量减少副产物的形成原料价格低廉、来源广泛、质量稳定原料价格低廉、来源广泛、质量稳定尽可能减少对发酵中通气搅拌和氧传递的影响尽可能减少对发酵中通气搅拌和氧传递的影响尽可能减少产生工业三废物质尽可能减少产生工业三废物质3.2发酵工业培养基的成分和来源发酵工业培养基的成分和来源基本营养源基本营养源成分成分水水生长调节物质生长调节物质一、基本营养源一、基本营养源1、碳源：、碳源：凡可提供微生物菌种的生长繁殖所需的凡可提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源及合成菌体和产物所必需的碳骨架成能源及合成菌体和产物所必需的碳骨架成分的营养物质。分的营养物质。常用的碳源有：常用的碳源有：糖类、油脂、有机酸和低碳醇等糖类、油脂、有机酸和低碳醇等（1）糖类）糖类糖类是最广泛的碳源，主要有、糖蜜、淀糖类是最广泛的碳源，主要有、糖蜜、淀粉粉单糖：如单糖：如G，所有的微生物都能利用，所有的微生物都能利用G（速速效碳源效碳源），但过多的），但过多的G会存在会存在G分解阻分解阻遏效应。遏效应。二糖：蔗糖、麦芽糖、乳糖二糖：蔗糖、麦芽糖、乳糖多糖：糊精、淀粉、纤维素等。不能直接被多糖：糊精、淀粉、纤维素等。不能直接被M利用，需先水解成小分子利用，需先水解成小分子糖蜜：糖蜜：制糖生产时的结晶母液，它是制糖工制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物，主要含蔗糖，杂质较多业的副产物，主要含蔗糖，杂质较多（）油脂类：（）油脂类：各种动、植物油各种动、植物油能利用这类碳源的能利用这类碳源的M一般都有比较活一般都有比较活跃的脂肪酶。跃的脂肪酶。M利用这类碳源时所消耗的溶利用这类碳源时所消耗的溶解氧会增加，当供氧不足时，大量的脂肪解氧会增加，当供氧不足时，大量的脂肪酸和有机酸中间体积累，会引起酸和有机酸中间体积累，会引起pH下降。下降。常用的油脂类有：豆油、菜籽油、棉常用的油脂类有：豆油、菜籽油、棉籽油、鱼油、猪油等。籽油、鱼油、猪油等。（）有机酸（）有机酸有机酸的利用常会引起发酵体系有机酸的利用常会引起发酵体系pH上升，上升，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随有碱性物质尤其是有机酸盐氧化时，常伴随有碱性物质的产生，使的产生，使pH进一步上升。进一步上升。常用的有机酸有：乳酸、醋酸、柠檬酸常用的有机酸有：乳酸、醋酸、柠檬酸等。等。（）烃和低碳醇类（）烃和低碳醇类正烷烃以用于有机酸、氨基酸、抗生素、正烷烃以用于有机酸、氨基酸、抗生素、维生素和酶制剂发酵中，甘油也常用作抗生维生素和酶制剂发酵中，甘油也常用作抗生素生产和甾体转化的碳源。素生产和甾体转化的碳源。、氮源：、氮源：凡可构成细胞和代谢产物中氮素凡可构成细胞和代谢产物中氮素来源的物质。来源的物质。常用的氮源常用的氮源分两大类：有机氮源和无机氮源。分两大类：有机氮源和无机氮源。（）无机氮源（）无机氮源种类：氨盐、硝酸盐和氨水种类：氨盐、硝酸盐和氨水特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓速速效氮源效氮源。但无机氮源的迅速利用会引起。但无机氮源的迅速利用会引起pH的变化的变化(NH4)2SO42NH3+2H2SO4NaNO3+4H2NH3+2H2O+NaOH无机氮源被菌体利用后，培养液无机氮源被菌体利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质，这种经中就留下了酸性或碱性物质，这种经微生物生理作用后能形成酸性物质的微生物生理作用后能形成酸性物质的无机氮源叫无机氮源叫生理酸性物质生理酸性物质，如硫酸胺，如硫酸胺，若菌体代谢后能产生碱性物质的则此若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为种无机氮源称为生理碱性物质生理碱性物质，如硝，如硝酸钠。正确使用生理酸碱性物质，对酸钠。正确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节发酵过程的稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。有积极作用。（）有机氮源（）有机氮源来源：来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉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、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、废菌丝体和酒糟粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟有机氮源成分复杂，除提供丰富的有机氮源成分复杂，除提供丰富的Pr.、aa.外，还含糖类、脂肪、无机盐及生长因子。外，还含糖类、脂肪、无机盐及生长因子。由于有机氮源营养丰富，由于有机氮源营养丰富，M在含有机氮源的在含有机氮源的培养基中表现出生长旺盛、菌丝浓度迅速增培养基中表现出生长旺盛、菌丝浓度迅速增加等特点。加等特点。、无机盐及微量元素、无机盐及微量元素这类物质一般在低浓度时对这类物质一般在低浓度时对M M生长和产生长和产物合成有促进作用，但在高浓度时常表现物合成有促进作用，但在高浓度时常表现出明显的抑制作用。出明显的抑制作用。二、水二、水 微微生生物物细细胞胞的的含含水水量量约约占占细细胞胞鲜鲜重重的的 707090%90%。水对微生物的生理作用：水对微生物的生理作用：起起到到溶溶剂剂与与运运输输介介质质的的作作用用，营营养养物物质质的的吸吸收与代谢产物的分泌以水为介质才能完成收与代谢产物的分泌以水为介质才能完成参与细胞内一系列生化反应参与细胞内一系列生化反应维持蛋白质等生物大分子稳定的天然构象维持蛋白质等生物大分子稳定的天然构象 水水的的比比热热高高，热热的的传传导导性性好好，能能有有效效地地吸吸收收代代谢谢过过程程中中放放出出的的热热，并并将将吸吸收收的的热热散散发发出出去，避免导致细胞内温度陡然升高；去，避免导致细胞内温度陡然升高；维持细胞的正常形态维持细胞的正常形态MM通通过过水水合合和和脱脱水水作作用用控控制制由由多多亚亚基基组组成成的的结结构。构。三、生长调节物质三、生长调节物质、生长因子、生长因子M自身不能合成但生长不可缺少的微量有自身不能合成但生长不可缺少的微量有机物质。有机氮源是这些生长因子的重要来源，机物质。有机氮源是这些生长因子的重要来源，多数有机氮源含有一些多数有机氮源含有一些M生长不可缺少的生长生长不可缺少的生长因子。因子。、前体、前体前体指某些化合物加入到发酵培养基中，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，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。但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。青霉素：分子量青霉素：分子量356苯乙酸苯乙酸:分子量分子量136前体使用时普遍采用流加的方法。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前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生长不利；前体相对价格较高，添加过多，容易长不利；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引起挥发和氧化，流加也有利于提高前体的转化率化率、产物合成促进剂和抑制剂、产物合成促进剂和抑制剂指那些非细胞生长所必须的营养物，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又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。剂。它它们们通通过过促促进进或或抑抑制制某某一一反反应应途途径径来来调调节节微微生生物物的的代代谢谢，使使生生化化反反应应途途径径集集中中在在目标产物的形成上，从而提高产量和质量。目标产物的形成上，从而提高产量和质量。M的培养基类型的培养基类型合成培养基合成培养基按组成分按组成分天然培养基天然培养基半合成培养基半合成培养基固体培养基固体培养基按物理状态分按物理状态分液体培养基液体培养基半固体培养基半固体培养基孢子培养基孢子培养基按用途分按用途分种子培养基种子培养基发酵培养基发酵培养基1、孢子培养基（也称为斜面培养基）、孢子培养基（也称为斜面培养基）用途：供微生物生长繁殖孢子或保藏菌种之用，用途：供微生物生长繁殖孢子或保藏菌种之用，提供细胞生长繁殖所需的各类营养物质。提供细胞生长繁殖所需的各类营养物质。措施：措施：培养基营养不能太丰富，碳、氮源不宜培养基营养不能太丰富，碳、氮源不宜过多，否则易长菌丝而少产孢子。过多，否则易长菌丝而少产孢子。无机盐浓度应适量，否则影响孢子的颜无机盐浓度应适量，否则影响孢子的颜色和数量。色和数量。注意培养基的注意培养基的pH和湿度，并供给必要和湿度，并供给必要的生长因子和微量元素。的生长因子和微量元素。生产上常用的有：麸皮培养基、大米培养基等生产上常用的有：麸皮培养基、大米培养基等2、种子培养基、种子培养基用途：供孢子发芽、生长和繁殖大量菌丝体，用途：供孢子发芽、生长和繁殖大量菌丝体，并使菌丝长得粗壮，成为活力强的种子。并使菌丝长得粗壮，成为活力强的种子。措施：措施：有较完全和丰富的营养物质，特别是有较完全和丰富的营养物质，特别是充足的氮源和生长因子。充足的氮源和生长因子。碳源和氮源应提供一些易于利用的成碳源和氮源应提供一些易于利用的成分。分。各种营养物浓度不必太高，有利于溶各种营养物浓度不必太高，有利于溶氧，且最后一级种子培养基的成分应较氧，且最后一级种子培养基的成分应较接近发酵培养基，以便种子进入发酵罐接近发酵培养基，以便种子进入发酵罐后能迅速适应环境。后能迅速适应环境。3、发酵培养基、发酵培养基用途：供菌体生长、繁殖和合成大量产物。用途：供菌体生长、繁殖和合成大量产物。措施：措施：碳氮源速效和迟效相互搭配，多用碳氮源速效和迟效相互搭配，多用迟效少用速效迟效少用速效合适的碳氮比，加缓冲剂稳定合适的碳氮比，加缓冲剂稳定pH添加菌体生长所必需的生长因子和添加菌体生长所必需的生长因子和产物合成所需的前体、促进剂和抑产物合成所需的前体、促进剂和抑制基等。制基等。发酵培养基的设计与优化发酵培养基的设计与优化、发酵培养基的设计原理、发酵培养基的设计原理一般来讲，培养基的设计首先是确定培一般来讲，培养基的设计首先是确定培养基的组成成分，然后再决定各组分之间的养基的组成成分，然后再决定各组分之间的最佳配比。最佳配比。（）菌体的同化能力（）菌体的同化能力（）培养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响（）培养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响（）合适的碳氮比（）合适的碳氮比（）合适的（）合适的pH、发酵培养基的优化方法、发酵培养基的优化方法培养基设计与优化一般都要经过以下几个培养基设计与优化一般都要经过以下几个步骤：步骤：根据前人的经验和培养基成分确定时必须考根据前人的经验和培养基成分确定时必须考虑的一些问题，初步确定可能的培养基成分；虑的一些问题，初步确定可能的培养基成分；通过单因子实验确定最适的各培养基组分和通过单因子实验确定最适的各培养基组分和最适浓度；最适浓度；最后通过多因子实验，进一步优化培养基的最后通过多因子实验，进一步优化培养基的各种成分及其浓度。各种成分及其浓度。初步确定可能的培养基组分初步确定可能的培养基组分单因子实验确定最适培养基组分及浓度单因子实验确定最适培养基组分及浓度多因子实验（正交）进一步优化多因子实验（正交）进一步优化第第5章章发酵工业的种子制备发酵工业的种子制备 种子制备：种子制备：也称为种子的扩大培养，是也称为种子的扩大培养，是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养，最终获扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养，最终获得一定数量和质量的纯种过程。这些纯种培得一定数量和质量的纯种过程。这些纯种培养物称为种子。养物称为种子。一、种子扩培的目的：一、种子扩培的目的：接种量的需要接种量的需要 菌种的驯化菌种的驯化 缩短发酵时间缩短发酵时间、保证生产水平保证生产水平二、种子的质量要求：二、种子的质量要求：总量及浓度能满足要求总量及浓度能满足要求 生理状况稳定生理状况稳定 活力强，移种至发酵后，能够迅速生长活力强，移种至发酵后，能够迅速生长 无无杂菌杂菌污染污染三、三、种子制备的过程种子制备的过程实验室阶段：实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验室常见设备，在工厂这些培养箱、摇床等实验室常见设备，在工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因此形象地将这些过程一般都在菌种室完成，因此形象地将这些培养过程称为实验室种子制备阶段。培养过程称为实验室种子制备阶段。生产车间阶段：生产车间阶段：种子培养在种子罐里面进种子培养在种子罐里面进行，一般在工厂归为发酵车间管理，因此形行，一般在工厂归为发酵车间管理，因此形象地称这些培养过程为生产车间阶段。象地称这些培养过程为生产车间阶段。1、实验室阶段实验室阶段目的目的：种子扩培到一定的量和质，根据菌种：种子扩培到一定的量和质，根据菌种的特点最终的培养物可分为两类：的特点最终的培养物可分为两类：对于不产芽孢和孢子的微生物，实验室阶对于不产芽孢和孢子的微生物，实验室阶段的种子扩培最终是获得一定数量和质量的菌段的种子扩培最终是获得一定数量和质量的菌体，体，如谷氨酸的种子培养。如谷氨酸的种子培养。对于产孢子的微生物，获得一定数量和对于产孢子的微生物，获得一定数量和质量的孢子。质量的孢子。培养基选择的原则：培养基选择的原则：培养基的选择应该是有利于菌体或孢子培养基的选择应该是有利于菌体或孢子的生长。的生长。在原料方面，实验室种子培养阶段，规在原料方面，实验室种子培养阶段，规模一般比较小，因此为了保证培养基的质量，模一般比较小，因此为了保证培养基的质量，培养基的原料一般都比较精细。培养基的原料一般都比较精细。2、生产车间阶段、生产车间阶段在生产车间阶段，最终一般都是获得一在生产车间阶段，最终一般都是获得一定数量的菌丝体。定数量的菌丝体。目的：目的：缩短发酵时间缩短发酵时间 有利于获得好的发酵结果有利于获得好的发酵结果培养基选择的原则培养基选择的原则 为获得一定数量和质量的菌体，因此为获得一定数量和质量的菌体，因此培养基的选择应首先考虑的是有利于孢子培养基的选择应首先考虑的是有利于孢子的发育和菌体的生长，所以营养要比发酵的发育和菌体的生长，所以营养要比发酵培养基丰富。培养基丰富。在原料方面：不如实验室阶段那么精细，而在原料方面：不如实验室阶段那么精细，而是基本接近于发酵培养基，这有两个方面的是基本接近于发酵培养基，这有两个方面的原因原因:一是成本一是成本 二是驯化二是驯化3 3、发酵级数的确定、发酵级数的确定谷氨酸：三级发酵谷氨酸：三级发酵一级种子（摇瓶）一级种子（摇瓶）二级种子二级种子 （小罐）（小罐）发酵发酵青霉素：三级发酵青霉素：三级发酵一级种子一级种子 （小罐）（小罐）二级种子（中罐）二级种子（中罐）发酵发酵 一般由菌丝体培养开始计算发酵级数，一般由菌丝体培养开始计算发酵级数，但有时，工厂从第一级种子罐开始计算发酵级但有时，工厂从第一级种子罐开始计算发酵级数：数：发酵级数确定的依据发酵级数确定的依据级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响的影响级数大，难控制、易染菌、易变异，管级数大，难控制、易染菌、易变异，管理困难，一般理困难，一般2-42-4级。级。二、影响种子质量的主要因素二、影响种子质量的主要因素1、培养基：质量、营养成分、培养基：质量、营养成分2、培养条件：、培养条件：pH、T、通气和搅拌等、通气和搅拌等3、种龄和接种量、种龄和接种量4、种子罐的级数、种子罐的级数5、斜面冷藏时间、斜面冷藏时间6、染菌、染菌