【发酵工程】第三章 发酵工业培养基设计
发酵工业的培养基及原料处理 ppt课件
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淀粉的分解 淀粉是葡萄糖通过糖苷键连接而成的 多糖类，淀粉可分为直链淀粉和支链淀粉， 前者是通过α-1,4- 糖苷键连接而成，后者 是通过α-1,4- 糖苷键和α-1,6- 糖苷键连接 的。
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α-淀粉酶： 又称液化酶，它对直链淀粉的作 用是将直链的淀粉分子α- 1，4键任 意地、不规则的分解为若干短链的糊 精，糊精继续分解，最后反应产物为 13 ％的葡萄糖及 87 ％麦芽糖，但是 糊精变为糖的速度是极缓慢的。 α-淀粉酶对支链淀粉的作用是将 支链淀粉α- 1，4键任意地、不规则 地并能越过α- 1，6键分解为若干短 链，但不能分解其中的α- 1，6键， 最后产物为麦芽糖及少量糊精和葡萄 糖。 淀粉受到α- 淀粉酶的作用后， 醪液粘度降低，而且迅速地生成较多 量的糊精，故称为糊精化作用，或液 化作用。
干热灭菌与湿热灭菌比较
湿热灭菌要比干热灭菌更有效，这一方 面是由于湿热易于传递热量，另一方面 是由于湿热更易破坏保持蛋白质稳定性 的氢键等结构，从而加速其变性。
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常压灭菌法
3.巴氏消毒法（pasteurization） 用于牛奶、啤酒、果酒和 酱油等不能进行高温灭菌的液体的一种消毒方法，其主要 目的是杀死其中无芽孢的病原菌（如牛奶中的结核杆菌或 沙门氏菌），而又不影响它们的风味。 巴氏消毒法是一种低温消毒法 低温维持法：在63℃下保持30分钟可进行牛奶消毒； 高温瞬时法：用于牛奶消毒时只要在72℃下保持15秒钟即 可。
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2、孢子培养基： 供菌种繁殖孢子的一种固体培养基，要 求使菌体生长迅速，产生数量较多的优质孢 子，并且不引起菌种的变异，因此在配置上 要求: ①营养不能太丰富，否则不易产孢。 ②无机盐浓度要适当，不然会影响孢子 量和孢子的颜色（质量）。 ③注意pH和湿度。 ppt课件
发酵工程培养基
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
有害物资：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
但过多的初始葡萄糖会抑制微生物生长，引 起葡萄糖效应，这主要是葡萄糖的分解代谢 阻遏造成。
另外过多葡萄糖会过分加速菌体呼吸，以致 溶解氧不能满足需要，使一些中间代谢物积 累，pH下降，影响微生物生长和产物合成。
2.糖蜜 又称糖浆，俗称糖稀。
生物发酵工业所用的糖蜜，主要是指制糖工 业上的废糖蜜，它是甘蔗糖厂或甜菜糖厂的 一种副产品。
又如肠膜状明串珠菌的生长需要补充10种维 生素、19种氨基酸、3种嘌呤及嘧啶等。
2.前体
能直接结合到产物中，而自身结构没有多大 变化，但是产物产量却有较大提高。
青霉素：分子量356
苯乙酸:分子量136
如青霉素生产中，加入玉米浆，产量增加， 原因是玉米浆含有苯乙酸，被优先结合到青 霉素分子中去。
速效氮源。
无机氮源的迅速利用会引起pH的变化。 生理酸性物质：硫酸铵。 生理碱性物质：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。
氨水：
在发酵中除可以调节pH外，它也是一种容易 被利用的氮源，在许多抗生素的生产中得到 普遍使用。
氨水因碱性较强，因此使用时要防止局部过 碱，加强搅拌，并少量多次地加入。
铁：
发酵工程第三章工业用培养基制备
反应时间短（<2hrs），产品质量较好 对原料要求较低，淀粉乳浓度较高 对淀粉颗粒大小无严格要求
淀粉水解糖的制备
• 几种水解方法的比较
• 从时间上看： 酸解法最快，酶解法最慢
• 从原料转化率和糖液质量上看： 酶解法>酸酶法>酶酸法>酸解法
淀粉水解糖的制备
三、氮源物质
• 氮源物质是培养基的主要成分之一。
所以应该少量（0.05-0.1％），多次（1次/12 小时）。同时要注意前体物质被作为营养物质利 用。
五、补料
• 补料解决的问题：
菌体早衰；料粘，搅拌能耗高，消泡难，溶氧降低， 渗透压高。
• 补料有利于：
丰富培养基；产物合成旺盛期延长；控制PH和代 谢方向；补足发酵液体积。
• 补料的目的和方法：
限制生长速度； 仅维持呼吸，半饥饿状态，利于 产物合成；控制好时间、速率和配比。
酶酸结合法之一，酸酶法 反应原理：
酸水解
糖化酶
淀粉———>糊精、低聚糖 ———>葡萄糖
优点：
产品质量高，反应时间较短（<2d） 对原料要求较低，淀粉乳浓度较高 用酸量少
淀粉水解糖的制备
酶酸结合法之二，酶酸法 反应原理：
淀粉—淀—粉—酶> 糊精、低聚糖
酸水解 ———>
葡萄糖
30min
30min
优点：
三、按培养基的成分和目的
2、 鉴别性培养基 培养基中加有能与某一菌的无色代谢
产物发生显色反应的指示剂，从而达到只 须用肉眼辨别颜色就能方便的从近似菌落 中找出目的菌菌落的培养基。
最常见的鉴别性培养基是伊红美蓝乳 糖培养基，即EMB 培养基。
四、按生产工艺的要求
发酵工业培养基设计
培养基的概况
一、适应于大规模工业微生物发酵的培养基的共性: 二、发酵工业培养基设计适宜于工业大规模发酵的培养基应遵循以下原则: 三、发酵培养基的要求 四、培养基的分类
适应于大规模工业微生物发酵的培养基的共性:
①单位培养基能够产生最大量的目的产物 ②能够使目的产物的合成速率最大 ③能够使副产物合成的量少 ④所采用的培养基应该质量稳定、价格低廉、 易于长期获得 ⑤所采用的培养基尽量不影响工业好气发酵中 的通气搅拌性能以及发酵产物的后处理等
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种子培养基和发酵培养基有什么区别？
A.种子培养基种子培养基是供孢子发芽、生长和大量繁殖 菌丝体，并使菌体长得粗壮，成为活力强的“种子”。所 以种子培养基的营养成分要求比较丰富和完全，氮源和维 生素的含量也要高些，但总浓度以略稀薄为好，这样可达 到较高的溶解氧，供大量菌体生长繁殖。 B发酵培养基发酵培养基是供菌种生长、繁殖和合成产物之 用。它既要使种子接种后能迅速生长，达到一定的菌丝浓 度，又要使长好的菌体能迅速合成需产物。
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微生物培养基类型
一、斜面培养基 二、种子培养基 三、发酵培养基 四、种子培养基与发酵培养基的区别
微生物培养基类型——斜面培养基
要求:能使菌体生长快，产生孢子数量大、质量好，且不 会引起菌种变异。 特点 C、N源不宜多，否则只长菌丝，少长或不长孢子; 无机盐浓度要适当控制，否则会影响孢子的颜色和孢子 量。
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生长调节物质
一、生长因子 二、前体 三、产物合成促进剂
生长调节物质——生长因子
分类： 1. 生长因子自养型微生物 ：不需从外界吸收任何生长因子。 2. 生长因子异养型微生物 ：需从外界吸收多种生长因子。 3. 生长因子过量合成的微生物：能合成并分泌大量维生素 等生长因子。 含生长因子丰富的物质：酵母膏（酵母粉或酵母汁） 、玉 米浆、麦芽汁等。
发酵工业培养基PPT课件
1、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，
提供细胞生长繁殖所需的各类营养物质。
措施：①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。
②无机盐浓度应适量，否则影响孢子的颜
色和数量。
③ 注意培养基的pH和湿度，并供给必要 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
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2、种子培养基
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。
措施：①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。
②碳源和氮源应提供一些易于利用的成
分。
③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
接近发酵培养基，以便种子进入发酵
常用的油脂类有：豆油、菜籽油、棉 籽油、鱼油、猪油等。
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（３）有机酸
有机酸的利用常会引起发酵体系pH上升， 尤其是有机酸盐氧化时，常伴随有碱性物质 的产生，使pH进一步上升。
常用的有机酸有：乳酸、醋酸、柠檬酸 等。
（４）烃和低碳醇类
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
微生物细胞的含水量约占细胞鲜重的 70～90%。
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水对微生物的生理作用：
①起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸 收与代谢产物的分泌以水为介质才能完成
②参与细胞内一系列生化反应
③维持蛋白质等生物大分子稳定的天然构象
④水的比热高，热的传导性好，能有效地吸收 代谢过程中放出的热，并将吸收的热散发出 去，避免导致细胞内温度陡然升高；
第三章 发酵工业培养基设计 2
第三章发酵工业培养基设计内容提要•发酵工业培养基的基本要求•微生物的培养基类型及功能•发酵工业培养基的成分及来源•发酵培养基的设计原理与优化方法微生物在人工培养和自然条件下的生理学特性有很大不同，其中培养基的组成对微生物的各种代谢活动的影响最为显著。
⏹培养基：是指入们提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的按一定比例配制的多种营养物质的混合物。
⏹广义上讲培养基是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提供除营养外的其它所必需的条件，工业生产上选择的培养基俗称发酵培养基，还应包括能够促进微生物合成产物所必须的成分。
一、用于大规模发酵的培养基应该具有以下几个特点：⏹必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分；⏹能提高单位营养物质的转化率；⏹有利于提高单位容积发酵罐的生产能力；⏹有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期；⏹有利于减少副产物的形成，便于后期的分离纯化；⏹培养基的原料应因地制宜、价格低廉、性能稳定、取材容易；⏹所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等等。
二、培养基的类型及功能1. 按纯度分类，分为合成培养基和天然培养基(复合培养基)。
⏹合成培养基所用的原料其化学成分明确、稳定，比如药用葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾等。
⏹天然培养基常用于发酵生产，它的原料是一些天然动植物产品，例如花生饼粉、蛋白胨等，其特点是营养丰富、适于微生物的生长。
M 培养基(1L)：Na 2HPO 46g ，KH 2PO 43g ，NaCl 0.5g ，NH 4Cl 1g ，MgSO 4.7H 2O 0.5g ，CaCl 20.011g ，葡萄糖2-10, 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2. 按用途分类⏹斜面培养基：是供微生物生长繁殖或保存菌种用。
【发酵工程】第三章 发酵培养基3
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。
五、水
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
率的问题
例：6000单位/ml的青霉素G-Na（MW356),需要多少苯乙 酸(MW136) 1mg=1667u 青霉素＝6000/1667＝3.6mg/ml 苯乙酸＝（3.6*136）/356=1.38mg/ml=0.138% 实际使用时的转化率在46-90%之间 例某厂单耗为：0.337（kg/10亿青霉素） 转化率为：10*108*1.36*10-6/(6000*0.337) =68%
6．用于谷氨酸发酵的培养基需添加的生长因子是（ A．氨基酸 B．碱基 C．核苷酸 D．生物素 D
7.不能以糖类作为碳源的细菌是（ C ） A．假单胞菌 B．乳酸菌 C．甲基营养菌 D．固氮菌 8．不能作为异养微生物碳源的是（ D ） A．牛肉膏 B．含碳有机物 C．石油 D．含碳无机物
）
9．配制培养基的叙述中正确的是（ C ） A．制作固体培养基必须加入琼脂 B．加入青霉素可得到放线菌 C．培养自生固氮菌不需要氮源 D．发酵工程一般用半固体培养基
单因子实验
多因子实验：均匀设计、
正交实验设计、 响应面分析等。
三、培养基设计的步骤
① 根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须 考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；
发酵工程考试重点(1-4章)
第一章绪论一发酵工程的发展史（P3-5）（出选择判断）二发酵工业的特点1发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应，反应安全，要求条件较简单。
2可用较廉价原料生产较高价值产品。
微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。
基于这—特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。
3发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单—的代谢产物。
4由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。
5发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。
除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。
如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。
因而维持无菌条件是发酵成败的关键。
6微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。
7发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件限制，可以根据订单安排通过发酵设备来生产多种多样的发酵产品。
第二章发酵工业菌种一从自然界分离筛选菌种的一般步骤二发酵工业对菌种的要求1能在廉价原料制成的培养基上迅速生长，且生成的目的产物产量高、易于回收；2生长速度和反应速度较快，发酵周期较短；3培养条件易于控制；4抗噬菌体及杂菌污染的能力强；5菌种不易变异退化；6对放大设备的适应性强；7菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。
三菌种改良的原因和具体目标菌种改良原因：来源于自然界的微生物菌种，在长期的进化过程中，形成了一整套精密的代谢控制机制，微生物细胞内具有反馈抑制、阻遏等代谢调控系统，不会过量生产超过其自身生长、代谢需要的酶或代谢产物，所以，从自然界分离得到的野生菌株，不论在产量还是质量上，均难以满足工业化生产的需求，故需要对菌株进行改良。
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根据生产流程和作用来区分
斜面培养基或孢子培养基 种子培养基 发酵培养基
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孢子培养基
要求：能使菌体生长快，产生孢子数量大、质
量好，且不会引起菌种变异。 特点 C、N源不宜多，否则只长菌丝，少长或不 长孢子； 无机盐浓度要适当控制，否则会影响孢子的 颜色和孢子量。
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代谢调节剂
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中结合到产物分子中去， 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。 抑制剂：在培养基中添加抑制剂会抑制某些代谢 途径的进行，同时会使另一代谢途径活跃，从而 获得人们所需要的某一终产物或使正常代谢的某 一代谢中间产物积累起来。 诱导剂：诱导剂的存在能大大加强诱导酶的生物 合成。
发酵培养基
目的：使接种菌丝生长并能高效表达，获得高的发酵 产量，同时组分尽可能单一，以保证高的得率。 要求 营养丰富完全，有利于产物合成； 不能大量加入快C、快N源，应和慢C、N源相结合； 在产物分泌期间，pH 稳定； 加入适量合成所需的物质，如前体等，进行定向发 酵； 采用中间补料，以提高发酵单位； 原料的考虑——成本问题
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培养基的设计
了解菌种菌种名称、营养、生活史、生长环境、 生理生化特性 培养基种类的确定 营养类型：主要底物，降解特点 生长环境：温度、pH、渗透（无机盐）、 耗氧情况 菌代谢产物的化学结构、性质、途径； 合成条件 天然替代品的确定及其预处理
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本章内容
常用培养基的基本要求 培养基的成分及来源 培养基的类型与区别 影响培养基质量的因素 培养基的设计
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培养基的成分及来源
培养基有哪些化学成分组成？这些成分 的来源有哪些（尤其是C、N源）？各成 分的作用是什么？ 在应用天然C、N源时应注意什么问题？
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培养基的设计（续）
基本培养基的确定 来源广泛、价廉； 适于生长、繁殖、产物积累； 不同阶段有不同的基本培养基； 用量的计算：C、N及前体。 培养基的优化 单因子实验 正交实验 响应面分析方法 /jpkc
/jpkc
种子培养基
要求 营养丰富、完全，氮和维生素的含量高些； 培养基中加入一些易于吸收利用的快C、N 源，便于孢子发芽生长，保证球形； pH要稳定； 最后一级尽可能接近发酵培养基，常加入少 量发酵合成期才