生物反应工程培养基的制备与灭菌.ppt

第二章 培养基的制备与灭菌l1、培养基的组成？如何选择培养基？l 2、如何对制备培养基？l 3、如何对培养基进行灭菌？第一节 培养基的原材料l一、培养基的营养成分及用途l 光 光能自养 自养菌l 氢、硫、氨 化能自养 l1.能源 亚硝酸盐、亚铁盐 l 碳水化合物等有机物l 石油天然气和石油化工产品（如醋酸）异养菌l l功能：生长、繁殖需要；l 碳酸气l 2.碳源 淀粉水解糖、糖蜜、亚硫酸盐纸浆废液等l 石油、正构石蜡、天然气l 醋酸、甲醇、乙醇等石油化工产品l 功能：提供能量、构成菌体、代谢产物的物质基础；l 有机氮：黄豆饼粉、花生饼粉、玉米浆、蛋白胨、l3.氮源 酵母粉、鱼粉、发酵菌丝体、酒糟水等l 无机氮：尿素、硫酸铵、氨水、硝酸盐l功能：构成菌体、含氮代谢物；l 磷酸盐、钾盐、钙盐等矿物盐l4.无机盐 l 铁、锰、钴等微量元素l 功能：构成菌体，参与酶的组成，维持酶活性，调节渗透压，调节pH值，维持氧化还原电位；l5.特殊生长因子：硫胺素、生物素、对氨基苯甲酸、肌醇等 l功能：酶的辅助部分，维持生命活动；l6发酵的促进剂与抑制剂l发酵培养基中某些成分的加入有利于调节产物的形成，而并不促进微生物的生长，这些物质包括前体、促进剂和抑制剂l1）、前体：指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，而其自身的结构没有多大的变化，但产物的产量却因加入前体而有较大的提高。l 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。l2）、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。l比如在酶制剂发酵过程中，加入诱导物、表明活性剂及其它一些产酶促进剂（比如吐温80、植酸、洗衣粉等）l3）、抑制剂：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或使正常代谢的某一代谢中间物积累起来。l 例如：微生物发酵生产甘油中，例如亚硫酸氢钠，它与代谢过程中的乙醛生成加成物。l7.水分l功能：生化反应均在水溶液中进行二、培养基的类型二、培养基的类型l1.依营养物质的来源分类l天然培养基；l合成培养基，也称组合培养基（多用于定量研究）；l半合成培养基，（用的最多，在部分天然有机碳源、氮源、生长因子的基础上，适当加入一些化学药品）；l2.依培养基的物理状态来分：l1）固体培养基lA、凝固培养基：即遇热可融化，冷却后则凝固的固体培养基lB、非可逆性凝固培养基：指有血清凝固成的固体培养基或由无机硅胶配成的凝固后即不能再融化的固体培养基lC、天然固体培养基：由天然固体状基质直接制成的培养基，如麸皮，米糠，木屑等lD、滤膜：是一种坚韧且带有无数微孔的醋酸纤维薄膜，把它制成圆片状覆盖再营养琼脂或浸有培养液的纤维衬垫上，就形成了具有固体培养基性质的培养条件。l2）半固体培养基l再配置号的液体培养基中加入0.5%左右的琼脂作为凝固剂，形成的培养基称之微半固体培养基。l主要用于菌种鉴定，观察细菌运动特征及噬菌体的效价测定等l3）液体培养基；l培养基中8090%是水。l3.依培养基的用途来分l1）、孢子培养基l2）、种子培养基l3)、发酵培养基l4）、补料培养基l5）、加富培养基l6）、选择培养基l7）、鉴别培养基l8）、增殖和保存培养基l9）、富集培养基l10）、测定培养基三、发酵培养基的选择三、发酵培养基的选择l一）、配置培养基的原则l1、根据不同微生物的营养需要配置不同的培养基l2、注意各营养物质的浓度和配比l3、调节适宜的物理化学条件l4、根据培养微生物的目的配置l5、尽量使用廉价易得的原料l1、生态模拟l2、查阅文献l3、借助优选法或正交试验法精心设计培养基配方l4、实验比较l实验的规模一般由定性到定量，由小到大。l发酵培养基的用途与要求、成分、配比经实验确定，配制时兼顾原料来源、成本及工艺管理；二）、配置培养基的方法培养基配方举例培养基配方举例l牛肉膏蛋白胨培养基(常用的细菌培养基)l 牛肉膏5克 蛋白胨10克 NaCl5克 水1000毫升 pH7.27.4(琼脂1520克)l高氏一号培养基(常用的放线菌培养基)l 可溶性淀粉20克 KNO31克 K2HPO40.5克 MgSO40.5克 NaCl 0.5克 FeSO40.01克水1000毫升琼脂1520克pH7.47.6l察氏培养基(培养霉菌用)l 蔗糖 20克 NaNO33克 K2HPO41克 KCl1克 MgSO40.5克 FeSO40.01克 琼脂20克 水1000毫升自然pHl无氮培养基(培养自生固氮菌用)l 葡萄糖 10克 NaCl0.2克 KH2PO40.2克 CaSO42H2O0.1克 MgSO40.2克 CaCO35克 琼脂 20克水1000毫升自然pHl伊红-美蓝培养基(检查肠道细菌用)l 蛋白胨 10克 K2HPO42克乳糖10克琼脂25克，水1000毫升，pH7.6l 2伊红水溶液2毫升0.5美蓝水溶液2毫升将乳糖、伊红、美蓝分别灭菌后，加入灭菌的培养基中摇匀，倒平板。l四、原料转换及意义l1、节约原料，减低单耗，提高发酵单位和总收率；l2、开拓新的原料资源和微生物资源：野生植物淀粉、植物纤维、木屑水解物、石蜡、醋酸、乙醇第二节 淀粉水解糖的制备l一、淀粉水解糖的制备方法l1、酸解法：l定义：以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法.l优点：设备要求简单，水解时间短（20min），设备生产能力大l缺点：高温高压下进行，设备要求耐腐蚀、耐高温、耐高压，副反应多，对原料要求严格，淀粉颗粒不宜过大，淀粉乳浓度不能过高。l2、酶解法：（双酶水解法）l 定义：用淀粉酶将淀粉水解为葡萄糖的过程。一般分为两步：第一步是利用淀粉酶将淀粉液化转为糊精及低聚糖，使淀粉的可溶性增加，这个过程称为液化。第二步是利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解，转变为葡萄糖的过程，称为糖化。也称双酶法l-淀粉酶（液化）l葡萄糖淀粉酶（糖化）l优点：1、反应条件温和。l 2、酶的专一性强，副反应少l 3、可在较高的淀粉乳浓度下水解l 4、糖液的营养物质丰富 l 5、糖液色泽浅，无苦味，有利于糖液的精制l缺点：时间长（23）天，要求的设备多，糖液过滤困难。l3、酸酶结合法l酸酶法l酶酸法二、淀粉酸水解理论基础二、淀粉酸水解理论基础l淀粉水解成葡萄糖的反应过程中同时发生这：水解反应、复合反应、分解反应；其中水解反应是主要的。l复合反应：葡萄糖分子间经1-6糖苷键结合成龙胆二糖（有苦味）、异麦芽糖和其他低聚糖（合称复合低聚糖）。l分解反应：葡萄糖 羟甲基糠醛 有机酸、色素等l淀粉的水解反应l1.淀粉水解过程l颜色变化：蓝色 暗紫 紫 红褐 暗红 红 浅红 l2、淀粉酸水解反应动力学属于单分子一级反应类型：K：反应速度常数，由反应条件（如温度、酸度等）而定C：淀粉浓度l3、影响酸水解的因素l 酸的种类l主要因素 浓度（酸的浓度、淀粉的浓度）水解温度l（二）、葡萄糖的复合反应及其影响因素l复合反应：在淀粉的酸糖化过程中，水解生成的葡萄糖受酸和热的影响，葡萄糖分子之间通过糖苷键相聚合，生成二糖、三糖及其他低聚糖。l影响复合反应的因素：l1、淀粉浓度的影响（用DE值表示葡萄糖纯度）：lDE值还原糖/干物质100l2.、酸的影响：（三）葡萄糖的分解反应及其影响因素（三）葡萄糖的分解反应及其影响因素l葡萄糖 5-羟甲基糠醛 乙酰丙酸、蚁酸、有色素物质；l影响因素：浓度、温度、pH值；第三节 糖蜜前处理l一、糖蜜的来源与特点l二、糖蜜前处理的方法l1、加酸通风沉淀法（冷酸通风处理法）：糖蜜加水稀释到500Bx 加入0.20.3浓硫酸，通入压缩空气1h 静置澄清8h，取上清液。l2、加热加酸沉淀法（热酸通风沉淀法）：l 糖蜜加水稀释到40 加适量硫酸调节pH值到44.5 放入澄清槽加热至8090，通风30min 保温 7080 812 小时，取上清液。l3、添加絮凝剂澄清处理法：l糖蜜稀释至3040 Bx 加硫酸调pH 33.8 加热至90 添加8ppm聚丙烯酰胺（PAM），搅拌均匀 静置1小时，取上清液。三、谷氨酸发酵糖蜜前处理三、谷氨酸发酵糖蜜前处理l1.糖蜜预处理法l活性炭处理法l树脂处理法l亚硝酸处理法l2.添加化学药剂处理法l添加青霉素法l添加表面活性剂l添加抗氧剂法l3.追加糖蜜法l4.营养缺陷型变异株法第四节 其他原料的处理l一、纤维素及发酵废液的处理l（一）、利用纤维素废料生产SCPl稻草、麦秆、玉米的茎和叶、甘蔗渣、废纸等l流程如下：纤维原料 粉碎 水解 中和 澄清 过滤 发酵罐培养 分离 废液 种子 营养盐 菌体 浓缩 磨碎 干燥 成品（二）利用柠檬酸中和滤液生产酵母（二）利用柠檬酸中和滤液生产酵母酵母菌种斜面一级种子二级种子离心分离中和废液盐酸调pH3.5发酵干燥粉碎包装二次废液用于发酵培养基的配置等l二、亚硫酸盐废液的处理l（一）亚硫酸盐制浆废液生产酒精和蛋白质l1、亚硫酸盐纸浆废液生产酒精l2、亚硫酸盐纸浆废液发酵生产蛋白质l3、亚硫酸铵法非木材制浆废液培养SCP （二）亚硫酸盐废液发酵生产乳酸l三、木屑水解液发酵生产衣康酸 第五节第五节 培养基灭菌培养基灭菌l一、消毒与灭菌在发酵工业中的应用l消毒：指用物理和化学方法杀死物料、容器、器具内外的病源微生物。一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。l灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。l消灭杂菌和防止杂菌污染l二、灭菌方法：干热灭菌、湿热灭菌、物理灭菌（射线、微波等）、化学灭菌（各种化学药品）；l1、干热灭菌法l 灼烧灭菌、在电热或红外线在设备内加热 主要用于保持干燥的物料、器具等l 2、湿热灭菌法 借助蒸汽释放的热使微生物细胞中的蛋白质、酶和核酸分子内部的化学键，特别是氢键受到破坏，引起不可逆的变性，使微生物死亡。l优点：1）蒸汽来源容易，操作费用低廉，本身无毒l 2)蒸汽具有很强的穿透力，灭菌易于彻底l 3）蒸汽均有很大的潜热，冷凝后的水分有利于湿热灭菌l 4）蒸汽输送可借助本身的压强，调节方便，技术管理容易l缺点：1)设备费用高l 2）不能用于怕受潮的物料灭菌l3、射线灭菌l 紫外线、高速电子流的阴极射线、X射线和Y射线l化学药品灭菌法l（1）第一大类：表面消毒剂l高锰酸钾溶液：0.10.25%、漂白粉、75的酒精、新洁尔灭和杜灭芬、甲醛 37、戊二醛、过氧乙酸、焦碳酸二乙酯、酚类l（2）第二大类：抗代谢药物 化学结构与微生物必须的代谢物类似 例如：磺胺类化合物取代氨基苯甲酸l（3）第三大类：抗生素 三、加热灭菌的原理三、加热灭菌的原理l1.、微生物的热阻：微生物对热的抵抗力；致死温度、致死时间l2、微生物的热致死动力学：对数残留定律l一级反应：l 用N表示残留活菌个数，则活菌的减少率（死亡率），与N呈线性关系，即：l式中，K是反应速度常数，对灭菌来讲，是活菌的比热致死速率常数，单位是min-1，其值与菌的种类和加热温度有关，需通过实验才能测定。积分边界条件：N0N；t0=0式中，灭菌时间（s）；N0 灭菌开始时，培养基中杂菌个数（个）；N 经过灭菌时间后，残存的活菌数（个）。l3、热致死反应的速度常数K K是表达微生物耐热性的特征常数，与微生物的种类和灭菌温度有关。K越小，微生物越耐热l4、灭菌温度的选择l式中 E为菌体死灭反应的活化能（J/mol），它是菌体死灭反应的特征常数，所以，不同菌其热死灭反应的E不同。四、影响培养基灭菌的其他因素四、影响培养基灭菌的其他因素l培养基成分、pH值、培养基中的颗粒、泡沫五、分批灭菌与连续灭菌五、分批灭菌与连续灭菌l一）、分批灭菌的操作过程（实罐灭菌）l1）培养基的预热l培养基先加热到8090，然后再导入蒸汽升温到120180。l目的：1）防止直接导入蒸汽时由于培养基与蒸汽的温度过大而产生大量的冷凝水使培养基稀释 2）防止直接导入蒸汽所造成的泡沫急剧上升而引起的物料外溢。l方法：先将排气阀打开l2）培养基灭菌 从各路通入蒸汽（进气口、排料口、取样口），温度升到120130，保温30minl2、分批灭菌的注意事项l1）各路蒸汽进口要畅通，防止短路逆流；罐内液体翻动要剧烈，以使罐内物料达到均一的灭菌温度。l2）排气量不宜过大，以节约蒸汽l3）灭菌将要结束时，应立即引入无菌空气以保持罐压，然后开夹套或蛇管冷却，以避免罐压迅速下降产生负压而吸入外界空气，或引起发酵罐破坏。l4）在引入无菌空气前，罐内压力必须低于过滤器压力，否则培养基将倒流入过滤器。l（二）、连续灭菌：l1、连续灭菌优点：l1）可以采用高温短时灭菌；l2）发酵罐利用率高；l3）蒸汽负荷均衡；l4）热效率高；l5）可采用自动控制，降低劳动强度；2、连续灭菌流程、连续灭菌流程 l六、培养基与设备、管道灭菌条件 l1、灭菌锅内灭菌l2、种子培养基实罐灭菌l3、发酵培养基实罐灭菌l4、发酵培养基连续灭菌l5、消泡剂灭菌l6、补料实罐灭菌l7、尿素溶液灭菌l作业：1、微生物发酵培养基的碳源、氮源主要包括哪些物质 2、简述发酵工业常用的灭菌方法3、试画出两种不同的培养基连续灭菌流程图