3.发酵工业培养基设计.ppt

三三 发酵工业培养基设计发酵工业培养基设计一一 概概述述发酵工业培养基发酵工业培养基工业培养基定义：工业培养基定义：人工配制的提供微生物或动植物细胞人工配制的提供微生物或动植物细胞生长、繁殖、代谢和生物合成各种代谢生长、繁殖、代谢和生物合成各种代谢产物所需的按一定比例配制的多种营养产物所需的按一定比例配制的多种营养物质的混合物和原料。物质的混合物和原料。一一 概概述述发酵工业培养基发酵工业培养基工业培养基的一般要求：工业培养基的一般要求：a.培养基的原料来源丰富、价格低廉、性能培养基的原料来源丰富、价格低廉、性能稳定。适合大规模贮藏，保证供给。稳定。适合大规模贮藏，保证供给。b.营养物质组成比较丰富，浓度恰当，满足营养物质组成比较丰富，浓度恰当，满足微生物生长繁殖需要，更重要是显示出产物微生物生长繁殖需要，更重要是显示出产物合成的潜力。满足产物的最经济的合成。合成的潜力。满足产物的最经济的合成。c.发酵形成的副产物尽可能的少；发酵形成的副产物尽可能的少；d.应满足总体工艺要求，如不影响生产过程应满足总体工艺要求，如不影响生产过程的通风、搅拌、产物的别离提取和废物处理的通风、搅拌、产物的别离提取和废物处理等。等。一一 概概述述发酵工业培养基发酵工业培养基具体某种微生物或产品的培养基，需经过具体某种微生物或产品的培养基，需经过试验确定。培养基的配方随菌种、工艺控试验确定。培养基的配方随菌种、工艺控制条件、发酵设备而变化。制条件、发酵设备而变化。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基培养基的成分及来源培养基的成分及来源八八.酸、碱酸、碱二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基碳源：碳源：但凡用于构成微生物细胞和代谢产物中碳元但凡用于构成微生物细胞和代谢产物中碳元素的营养物质均称为碳源。素的营养物质均称为碳源。为细胞生长和产物合成提供碳元素为细胞生长和产物合成提供碳元素为细胞生长、繁殖和维系生命提供能量为细胞生长、繁殖和维系生命提供能量ATP2.种类种类:糖类、醇类、有机酸及盐类、油脂类、糖类、醇类、有机酸及盐类、油脂类、烃类。烃类。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基细菌在不同碳源的细胞得率：细菌在不同碳源的细胞得率：碳基质碳基质 细胞得率细胞得率(g细胞细胞/g基质基质)葡萄糖、糖蜜葡萄糖、糖蜜 甲烷甲烷 正烷烃正烷烃 甲醇甲醇 乙醇乙醇 醋酸盐醋酸盐 顺丁稀二盐酸顺丁稀二盐酸 二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基糖类糖类来源来源性质性质单糖葡萄糖单糖葡萄糖纯葡萄糖纯葡萄糖葡萄糖母液葡萄糖母液水解淀粉糖水解淀粉糖代谢速度快，缺氧代谢速度快，缺氧产产酸使酸使pHpH，常抑制或，常抑制或阻遏次级代谢产物的阻遏次级代谢产物的合成，需控制培养基合成，需控制培养基中的浓度。中的浓度。蔗糖蔗糖糖蜜糖蜜甜菜、甘蔗甜菜、甘蔗许多种糖分许多种糖分双糖双糖麦芽糖麦芽糖乳糖乳糖麦芽汁麦芽汁乳清乳清多糖多糖 淀粉淀粉糊精糊精玉米玉米 小麦小麦甘薯甘薯 大豆等大豆等粘度高，一般不能直粘度高，一般不能直接被微生物利用，需接被微生物利用，需进行预处理。如淀粉进行预处理。如淀粉糖化糖化二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基醇类醇类 性质性质甲醇、乙醇甲醇、乙醇 有机酸及其盐类有机酸及其盐类对微生物的生长有对微生物的生长有抑制作用，也需控抑制作用，也需控制培养基中的浓度制培养基中的浓度有机酸盐使有机酸盐使pH，需不断的加以中和需不断的加以中和并控制在培养基中并控制在培养基中的浓度。的浓度。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基油脂类、烃类油脂类、烃类 性质性质 玉米油玉米油 豆油豆油 橄榄油橄榄油 棉籽油棉籽油 石油裂解物石油裂解物14-18C14-18C正烷烃正烷烃油和烃不溶于水，需油和烃不溶于水，需强搅拌。强搅拌。油脂即可作碳源又可油脂即可作碳源又可做消沫剂。做消沫剂。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基氮源氮源1.功能：为细胞生长和产物合成提供氮功能：为细胞生长和产物合成提供氮 元素。元素。2.种类：种类：有机氮源有机氮源 无机氮源无机氮源二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基有机氮源：有机氮源：a.植物饼粉类植物饼粉类:花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆 尿素及有机氮：一般无毒，但尿素使尿素及有机氮：一般无毒，但尿素使PH，灭菌后，灭菌后不稳定造成尿素减少。另有机氮源同时含有不稳定造成尿素减少。另有机氮源同时含有 C、N，故兼有故兼有C、N的作用。的作用。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基无机氮源无机氮源迅速利用的氮源迅速利用的氮源 铵盐、硝酸盐、氨水铵盐、硝酸盐、氨水 铵盐铵盐pH、硝酸盐、硝酸盐pH。(NH4)2SO42NH3+H2SO4 NaNO3+4H2 NH3+2H2O+NaOH 生理酸性物质：经微生物生理作用代谢后能生理酸性物质：经微生物生理作用代谢后能形成酸性物质的无机氮源。形成酸性物质的无机氮源。生理碱性物质：经微生物生理作用后能形成碱性生理碱性物质：经微生物生理作用后能形成碱性物质的无机氮源。例如：液体曲物质的无机氮源。例如：液体曲 正确使用生理酸性、生理碱性物质，对稳定和调正确使用生理酸性、生理碱性物质，对稳定和调节发酵过程的节发酵过程的pH有积极作用有积极作用 氨水氨水：碱性强、易挥发、不能加热灭菌，不能加：碱性强、易挥发、不能加热灭菌，不能加到根底培养基中，只用于流加到根底培养基中，只用于流加,且要搅拌。且要搅拌。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基无机元素无机元素1.功能：功能：为细胞生长和产物合成提供无机元素为细胞生长和产物合成提供无机元素 维持培养基与细胞的渗透压平衡维持培养基与细胞的渗透压平衡 缓冲培养基的缓冲培养基的pH如：磷酸二氢钾如：磷酸二氢钾2.种类：种类：常量元素：常量元素：P、Ca、Mg、e、Cl、n、K、Na等等 微量元素：微量元素：Mn、Cr、Cu等等二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基 这些物质一般在低浓度对微生物生长和产物合成这些物质一般在低浓度对微生物生长和产物合成有促进作用，但高浓度常表现明显抑制作用有促进作用，但高浓度常表现明显抑制作用 许多微量元素不必加许多微量元素不必加 Mg、P、K、S、Ca、Cl 盐形式参加盐形式参加Mg可组成某些细胞叶绿素的成分，可组成某些细胞叶绿素的成分，Mg2+是许多重要是许多重要酶的激活剂羧化酶、己糖磷酸化酶酶的激活剂羧化酶、己糖磷酸化酶S：含硫氨基酸和辅酶的活性基：含硫氨基酸和辅酶的活性基 辅酶辅酶A磷酸盐：主要促进根底代谢，但量高时许多产物的合磷酸盐：主要促进根底代谢，但量高时许多产物的合成受到抑制。成受到抑制。K与细胞渗透压和渗透性与细胞渗透压和渗透性 酶激活剂酶激活剂 Ca控制细胞渗透性控制细胞渗透性锌、钴、锰、铜：为酶辅基和激活剂锌、钴、锰、铜：为酶辅基和激活剂 合成培养基参合成培养基参加加二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基水水水是培养基的主要成分，是营养物质、代谢水是培养基的主要成分，是营养物质、代谢产物、氧的载体，同时也是热的良导体，利产物、氧的载体，同时也是热的良导体，利于散热，调节温度，为微生物生长繁殖代谢于散热，调节温度，为微生物生长繁殖代谢提供必须的生理环境。提供必须的生理环境。水中的矿物质含量对酿造工业和淀粉糖化影水中的矿物质含量对酿造工业和淀粉糖化影响很大，水源作为选择厂址的依据。响很大，水源作为选择厂址的依据。参数：参数：pH、溶氧、可溶性固体、污染程度、溶氧、可溶性固体、污染程度、矿物质组成。矿物质组成。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂生物素生物素 用量：亚适量用量：亚适量 5g/L 谷氨酸产生菌为生物谷氨酸产生菌为生物素缺陷型素缺陷型 油酸缺陷型。油酸缺陷型。来源：米糠、酵母、豆饼水解液、糖蜜。来源：米糠、酵母、豆饼水解液、糖蜜。1.生长因子：但凡微生物生长不可缺少的微量生长因子：但凡微生物生长不可缺少的微量有机物，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等有机物，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称为生长因子。均称为生长因子。功能：构成细胞组分，促进生命活动进行。功能：构成细胞组分，促进生命活动进行。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基维生素维生素B1硫胺素对某些谷氨酸菌株有硫胺素对某些谷氨酸菌株有促进作用。促进作用。溶解度：溶解度：100g/100mL pH5.5 120稳定，以上破坏稳定，以上破坏 氧化、复原剂存在失活。氧化、复原剂存在失活。提供生长因子的农副产品提供生长因子的农副产品 玉米浆：玉米淀粉的副产品玉米浆：玉米淀粉的副产品 亚硫酸浸泡玉米的浸泡液的浓缩物。亚硫酸浸泡玉米的浸泡液的浓缩物。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基玉米浆成分：玉米浆成分：总固形物中总固形物中乳酸乳酸 15%15%复原糖复原糖5.6%5.6%水解后的水解后的自由复原糖自由复原糖6.8%6.8%总氮总氮4%4%其中氨基氮其中氨基氮66.5%66.5%维生素：微克维生素：微克/克克硫胺素硫胺素 41-49 41-49生物素生物素 叶酸叶酸 烟酰胺烟酰胺 30-40 30-40核黄素核黄素 灰份：灰份：K 20%K 20%P 1-5%P 1-5%Na 0.3-1%Na 0.3-1%Mg 0.003-0.3%Mg 0.003-0.3%ZnZn、0.8%0.8%PbPb、SiSi、ClCl0.003-0.1%0.003-0.1%FeFe、CuCu、CaCa、0.001-0.3%0.001-0.3%原料变动需做小试用量原料变动需做小试用量 0.4-0.8%0.4-0.8%二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基麸皮水解液：代替玉米浆麸皮水解液：代替玉米浆 用量：干麸皮的用量：干麸皮的1%麸皮：水麸皮：水=1：20 HCl pH 1 0.25MPa 加热水解加热水解20min 过滤液过滤液糖蜜：蔗糖糖蜜用量糖蜜：蔗糖糖蜜用量0.1%0.4%酵母：膏、浸出液、粉。酵母：膏、浸出液、粉。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基指某些化合物参加发酵培养基中，能直接被指某些化合物参加发酵培养基中，能直接被微生物合成过程中结合到产物分子中去，而微生物合成过程中结合到产物分子中去，而其自身结构并没有多大变化，但是产物的产其自身结构并没有多大变化，但是产物的产量却因参加前体而有较大的提高。量却因参加前体而有较大的提高。功能：直接构成代谢产物的一局部功能：直接构成代谢产物的一局部 特点：有些前体浓度过高对菌体产生毒性。特点：有些前体浓度过高对菌体产生毒性。菌体还具有将前体氧化分解的能力，故需工菌体还具有将前体氧化分解的能力，故需工艺控制。艺控制。少量流加少量流加 屡次参加屡次参加 参加的时间参加的时间二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基几种产物的前体几种产物的前体产品产品前体前体产品产品前体前体青霉素青霉素G青霉素青霉素V金霉素金霉素链霉素链霉素红霉素红霉素苯乙酸及有关衍苯乙酸及有关衍生物生物苯氧乙酸苯氧乙酸氯化物氯化物肌醇、精氨酸肌醇、精氨酸丙酸、丙醇、丙丙酸、丙醇、丙酸盐酸盐维生素维生素B12胡萝卜素胡萝卜素L-异亮氨酸异亮氨酸L-色氨酸色氨酸L-丝氨酸丝氨酸钴化物钴化物紫罗兰酮紫罗兰酮a-氨基丁酸氨基丁酸D-苏氨酸苏氨酸邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸甘氨酸甘氨酸二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基对产物的合成有促进或诱导产物的合成对产物的合成有促进或诱导产物的合成功能功能促进生长和形态分化促进生长和形态分化激活代谢酶系激活代谢酶系诱导产物的合成诱导产物的合成特点特点用量微，选择好，效果显著用量微，选择好，效果显著专一性强，不能套用。专一性强，不能套用。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基抑制剂抑制剂 抑制某些代谢途径进行，同时促进另一代抑制某些代谢途径进行，同时促进另一代谢途径活泼。谢途径活泼。最早微生物发酵甘油。最早微生物发酵甘油。四环素发酵：溴化剂四环素发酵：溴化剂NaBr 抑制抑制 金霉素金霉素 促进四环素促进四环素二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基消沫剂消沫剂 1.功能：抑制或消除通气或搅拌过程中产生功能：抑制或消除通气或搅拌过程中产生的泡沫。的泡沫。2.种类：合成消沫剂、动植物油脂种类：合成消沫剂、动植物油脂 3.特点：特点：合成消沫剂比动植物油脂效果好。合成消沫剂比动植物油脂效果好。过量的消沫剂可影响氧的溶解和下游产过量的消沫剂可影响氧的溶解和下游产物的别离提取工序。物的别离提取工序。二二 培培养养基基成成分分发酵工业培养基发酵工业培养基酸、碱酸、碱调节调节pH值值种类：种类：NaOH、NH3.H2O、HCl、乙酸等。、乙酸等。注意：有腐蚀性、注意平安；一般不需灭菌；注意：有腐蚀性、注意平安；一般不需灭菌；氨水还可作为氮源用。氨水还可作为氮源用。一般不主张用直接用酸碱来调节一般不主张用直接用酸碱来调节pH发酵工业培养基发酵工业培养基根据来源根据来源1.合成培养基：化学成清楚确、稳定合成培养基：化学成清楚确、稳定;一般用于实验、研究等。一般用于实验、研究等。2.天然培养基：一般用于生产天然培养基：一般用于生产培养基的类型和用途培养基的类型和用途三三 培培养养基基类类型型、质质量量培养基的种类和影响质量因素培养基的种类和影响质量因素 根据物理状态根据物理状态 固态：琼脂、米粒、米糠固态：琼脂、米粒、米糠 半固态：菌种、观察细菌运动半固态：菌种、观察细菌运动 液态：工业大规模培养用液态：工业大规模培养用发酵工业培养基发酵工业培养基根据使用目的根据使用目的2.鉴别培养基：参加指示剂鉴别培养基：参加指示剂3.增殖培养基：增殖培养基：4.选择培养基：特殊营养选择培养基：特殊营养三三 培培养养基基类类型型、质质量量根据工艺要求根据工艺要求1.孢子培养基：收获孢子孢子培养基：收获孢子2.种子培养基：繁殖微生物菌丝体或细胞种子培养基：繁殖微生物菌丝体或细胞3.发酵培养基：大量菌体或代谢产物发酵培养基：大量菌体或代谢产物4.补料培养基：补充营养补料培养基：补充营养发酵工业培养基发酵工业培养基孢子培养基：孢子培养基：是供菌种繁殖孢子的一种常用培养基是供菌种繁殖孢子的一种常用培养基 要求：产孢多；遗传稳定性好；耐保存。要求：产孢多；遗传稳定性好；耐保存。种类：琼脂斜面培养基种类：琼脂斜面培养基 米粒培养基米粒培养基 麸皮培养基麸皮培养基三三 培培养养基基类类型型、质质量量发酵工业培养基发酵工业培养基种子培养基：种子培养基：繁殖菌体，扩大培养繁殖菌体，扩大培养 做发酵种子做发酵种子 要求：营养丰富要求：营养丰富 浓度稀浓度稀 营养接近发酵培养基营养接近发酵培养基 种类：摇瓶种子培养基种类：摇瓶种子培养基 种子罐培养基种子罐培养基三三 培培养养基基类类型型、质质量量发酵工业培养基发酵工业培养基发酵培养基发酵培养基 繁殖能合成产物的菌体；合成代谢产物。繁殖能合成产物的菌体；合成代谢产物。要求：用好要求：用好C、N源，在发酵期根本耗尽。源，在发酵期根本耗尽。各项成分要均衡的满足菌体生长和产物合成。各项成分要均衡的满足菌体生长和产物合成。尽量不用色素、不被微生物代谢的成分。尽量不用色素、不被微生物代谢的成分。种类：固体发酵培养基种类：固体发酵培养基 液体发酵培养基深层液体发酵培养基深层三三 培培养养基基类类型型、质质量量发酵工业培养基发酵工业培养基补料培养基补料培养基 降低发酵液粘度和营养成分的浓度降低发酵液粘度和营养成分的浓度 延长微生物的产物合成时间延长微生物的产物合成时间 要求：便于流加要求：便于流加 种类：补糖、补氮、补前体、综合补料等。种类：补糖、补氮、补前体、综合补料等。三三 培培养养基基类类型型、质质量量发酵工业培养基发酵工业培养基三三 培培养养基基类类型型、质质量量影响培养基质量的因素影响培养基质量的因素 有效成分的含量有效成分的含量色泽色泽pH值值有无杂菌有无杂菌发酵工业培养基发酵工业培养基三三 培培养养基基类类型型、质质量量原材料的质量原材料的质量 纯度、原材料的产地品种、加工方法、储存纯度、原材料的产地品种、加工方法、储存条件、粉碎粒度等。条件、粉碎粒度等。配制方法配制方法 培养基的配方中应注明的事项：培养基的配方中应注明的事项：计料体积与配料体积的关系计料体积与配料体积的关系 物料的规格物料的规格 pH值及调整方法值及调整方法 对配制水的要求对配制水的要求 投料的顺序投料的顺序四四 培培养养基基配配方方设设计计发酵工业培养基发酵工业培养基培养基的设计、优化培养基的设计、优化对于某种具体微生物或产品的培养基，需经对于某种具体微生物或产品的培养基，需经过试验确定。培养基的配方随菌种、工艺控过试验确定。培养基的配方随菌种、工艺控制条件、发酵设备而变化；制条件、发酵设备而变化；培养基的选择和配制原那么培养基的选择和配制原那么培养基的选择：培养基的选择：微生物的特点微生物的特点 液体和固体培养基的选择液体和固体培养基的选择四四 培培养养基基配配方方设设计计发酵工业培养基发酵工业培养基培养基的配制原那么培养基的配制原那么2.营养成分配比恰当：营养成分配比恰当：菌体培养可根据细胞的成分菌体培养可根据细胞的成分 酵母酵母 C：N 约约100：20 霉菌霉菌 C：N 为为100：10 同化能力：快速与慢速利用同化能力：快速与慢速利用C N 源的合理配源的合理配比比 葡萄糖效应葡萄糖效应3.渗透压：选择适宜浓度渗透压：选择适宜浓度4.pH 四四 培培养养基基配配方方设设计计发酵工业培养基发酵工业培养基培养基的优化培养基的优化培养基设计的过程：培养基设计的过程：根据前人的经验和培养基成分，结合需要根据前人的经验和培养基成分，结合需要考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；通过单因子实验确定适宜的培养基成分通过单因子实验确定适宜的培养基成分 各组分最适的浓度确定；为减少实验次数各组分最适的浓度确定；为减少实验次数常采用合理的实验设计方法。常采用合理的实验设计方法。四四 培培养养基基配配方方设设计计发酵工业培养基发酵工业培养基理论转化率的计算理论转化率的计算理论转化率理论转化率 理想状态下，根据微生物的代谢理想状态下，根据微生物的代谢途径进行物料恒算，得出的转化率。途径进行物料恒算，得出的转化率。实际转化率实际转化率 实际发酵过程中转化率的大小实际发酵过程中转化率的大小四四 培培养养基基配配方方设设计计发酵工业培养基发酵工业培养基通过反响方程式对物料进行恒算通过反响方程式对物料进行恒算对于很多产品和反响底物给出定量方程，目前对于很多产品和反响底物给出定量方程，目前相当困难；对于代谢途径比较清楚，可按总的相当困难；对于代谢途径比较清楚，可按总的代谢方程式求出；代谢方程式求出；如：酒精生产如：酒精生产 葡萄糖转化为酒精：葡萄糖转化为酒精：C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 162 246 理论转化率：理论转化率：246162=57%实际转化率都低于理论转化率实际转化率都低于理论转化率 54%四四 培培养养基基配配方方设设计计发酵工业培养基发酵工业培养基单因子实验单因子实验组合实验组合实验 实验设计实验设计作作业业1.名词：前体、生理酸性物质、生理碱性物质名词：前体、生理酸性物质、生理碱性物质;2.在利用氨水、尿素作为在利用氨水、尿素作为N源时的本卷须知；源时的本卷须知；3.前体的特性？使用时的工艺控制？前体的特性？使用时的工艺控制？4.简述影响培养基质量的因素；简述影响培养基质量的因素；发酵工业培养基发酵工业培养基