第3章 发酵工业培养基设计
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发酵学 第3章 培养基
3.粘度适中，具有适当的渗透压
4. 主产物合成达到最高速率，发酵后所形成的副产物尽可 能的少。
5.生产过程中既不影响通气与搅拌的效果，又不影响或少 影响产物的分离精制和废物处理。
6.大规模生产时要考虑材料的成本。
第二节
培养基的成分
碳源 氮源 无机离子 生长因子 前体 促进剂和抑制剂
水分
一、碳源
凡是用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的营养物 质均称为碳源。它既是构成菌体细胞和代谢产物的主要元 素，又是提供微生物生命活动中所需能源的原料。
维生素B12 钴化物
青霉素V 苯氧乙酸
链霉素 金霉素色氨酸 Nhomakorabea吲哚、氨茴酸
2-羟基-4-甲基硫代丁 酸 D-苏氨酸
肌醇、精氨酸等 蛋氨酸 氯化物等 异亮氨酸
红霉素
丙酸、丙醇等
苏氨酸
高丝氨酸
灰黄霉素 氯化物
六、产物促进剂
所谓产物促进剂是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剂。
一些维生素生长因子及其生理功能
维生素 生理功能 维生素B1（硫胺素） 脱羧酶辅酶，与酮基转移有关 维生素B2（核黄素） 构成黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸， 作为电子传递链中的递H体 维生素B3（泛酸） 维生素B5（烟酸） 辅酶A（CoA）的前体物质之一，递酰基体， 是细胞内多种酶的辅酶 又称尼克酸，是辅酶I，辅酶II的前体，参与 细胞内很多氧化还原反应
促进剂提高产量的机制：
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。
发酵工业的培养基及原料处理 ppt课件
糖液（DE=90-92 %）
ppt课件
22
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。
ppt课件 23
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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36
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
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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
第三章 工业培养基
所以选择合适的无机氮源有两层意义：
满足菌体生长
稳定和调节发酵过程中的pH
2、有机氮源
来源： 一些廉价的原料: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、鱼粉、蚕 蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟。
成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还 提供大量的无机盐及生长因子，少量糖类、 脂肪。 例 玉米浆： ①可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸 ②较多的乳酸 ③硫、磷、微量元素等
例：地衣牙孢杆菌生产α-淀粉酶 碳源对生长和产酶的影响 碳源 葡萄糖 蔗糖 糊精 淀粉 细胞浓度（OD值） 4.2 4.02 3.06 3.09 α-淀粉酶 0 0 38.2 40.2
二、氮源
氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基 酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。 常用的氮源可分为两大类： 有机氮源和无机氮源
第二节 工业培养基的成分及来源
一、碳源 1、作用 a.提供微生物菌种的生长繁殖所需 的碳成分
b.提供合成目的产物所必须的碳成分
2、来源
糖类 油脂 有机酸 其他碳氢化合物
3、工业上常用的糖类
a. 葡萄糖 b. 糊精、淀粉及其水解物 c.糖蜜(蔗糖、乳糖、麦芽糖)
3、工业上常用的糖类 a. 葡萄糖 所有的微生物都能利用葡萄糖 工业上常用的葡萄糖由淀粉水解制备
1、无机氮源 种类：氨盐、硝酸盐和氨水
特点： 吸收快 引起pH的变化 如： (NH4)2SO4 → 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 → NH3 + 2H2O + NaOH
无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养 液中就留下了酸性或碱性物质，这种经微生 物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无 机氮源叫生理酸性物质，如硫酸胺 若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种 无机氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。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。
发酵工业培养基
油脂类： 各种动、植物油
能利用这类碳源的M一般都有比较活跃的脂肪酶。M利用这类碳源时所消耗的溶解氧会增加，当供氧不足时，大量的脂肪酸和有机酸中间体积累，会引起pH下降。 常用的油脂类有：豆油、菜籽油、棉籽油、鱼油、猪油等。
（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，甘油也常用作抗生素生产和甾体转化的碳源。
氮源：凡可构成Ｍ细胞和代谢产物中氮素 来源的物质。 常用的氮源分两大类：有机氮源和无机氮源。 无机氮源 种类：氨盐、硝酸盐和氨水 特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓速 效氮源。但无机氮源的迅速利用会引起pH 的变化 (NH4)2SO4 → 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 → NH3 + 2H2O + NaOH
发酵培养基
#2022
3.4 发酵培养基的设计与优化
3.4.1、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养基的组成成分，然后再决定各组分之间的最佳配比。 菌体的同化能力 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pH
3.4.2、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步骤： 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； 通过单因子实验确定最适的各培养基组分和最适浓度； 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。
培养过程称为实验室种子制备阶段。
1、实验室阶段
生产车间阶段：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 象地称这些培养过程为生产车间阶段。
发酵工程培养基
酒精生产中若用糖蜜代甘薯粉，可省去蒸煮、 制曲、糖化等过程，简化了工艺。
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：
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：
第三章工业发酵培养基及制备
摇瓶培养基（% ）：
淀粉 5.5 葡萄糖 0.5 黄豆粉 4 蛋白胨 0.3
（NH4）2SO4 0.05 CaCO3 0.5 KN03 0.05 油少量
庆大霉素生产
发酵培养基（% ）：
淀粉 1.5 蛋白胨 0.5 黄豆粉 3 玉米粉 1
（NH4)2S04 0.05 CaCO3 0.5 KNO3 0.05
四、 水：量要加足。
五、 前体
在产物的生物合成过程中，被菌体直接用 于产物合成而自身结构无显著改变的物质称前 体。
六、促进剂：促进产物合成的化学物质。 例如添加0.5%的柠檬酸盐对虾青素含量 可提高36.2%
七、消沫剂：工业发酵中常用一些消沫剂 消除发酵中产生的泡沫。有植物油脂和一 些高分子化合物。
硫酸镁0.04
青霉素0.01g/L
返回
青霉素发酵培养基（%）:
葡萄糖10
硫酸铁0.01，
玉米浆4
硫酸锰0.01
苯乙酸0.5
硫酸锌0.01。
猪油0.5
返回
配制工业发酵培养基的一般要求
1. 营养比较丰富，浓度要恰当：太营养 菌体生长过盛，否则生长太差. 2. 原料彼此不能产生化学反应：如柠檬 酸，CaCO3 。
碳源 I
菌丝体干重/g·L-1 平均
II III
乳糖 1.7 谷壳 1.9 米糠 2.9 果糖 3.1 麦芽糖 5.3 蔗糖 6.2 葡萄糖 8.1 可溶性 8.1 淀粉 红薯粉 9.6 土豆粉 12.7
1.7 1.7 1.9 1.9 2.8 2.9 2.9 4.0 5.2 4.9 5.7 6.7 8.0 8.4 8.8 7.6
第三章 工业发酵培养基及制备
第一节 培养基的成分 第二节 培养基的类型和配方设计 第三节 影响培养基的质量的因素
发酵工程第三章培养基
可用的油脂类有豆油、菜油、葵花籽油、猪油、鱼油、棉籽油、玉米油、亚麻子油、橄榄油等。
当微生物利用脂肪作为碳源时，所消耗的氧量增加，因此要供给比糖代谢更多的氧，不然大量的脂肪酸和代谢中的有机酸会积累，从而引起pH的下降，并影响微生物酶系统的作用。
在发酵过程中加入的油脂还兼有消泡的作用。
有机酸及其盐类 一些微生物对乳酸、柠檬酸、乙酸、延胡索酸等及其盐类有很强的氧化能力，因此这些有机酸和它们的盐也能作为微生物的碳源。 有机酸作为碳源，氧化产生的能量被菌体用于生长繁殖和代谢产物的合成。 在利用有机酸时，发酵液的pH会随着有机酸氧化而上升，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随着碱性物质的产生，使pH进一步上升。对整个发酵过程中pH的调节和控制增加困难。 醋酸盐做为碳源被氧化时，反应如下： CH3COONa + 2O2 2CO2 + H2O + NaOH
工业生产所用微生物绝大多数是异养菌，不像自养菌那样能够利用光、还原态无机物或碳酸盐作为能源物质，只能利用有机碳水化合物作为能源。 对于异养微生物，碳源又兼做能源，称为双功能营养物。
(1) 糖类：发酵培养基中使用最广泛的碳源。 纯糖 天然原料
工业发酵生产中用的双糖主要有蔗糖、乳糖和麦芽糖。蔗糖、乳糖可以使用其纯制产品，也可以使用含有此二糖的糖蜜和乳清，麦芽糖多用其糖浆。
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
STEP4
当微生物利用脂肪作为碳源时，所消耗的氧量增加，因此要供给比糖代谢更多的氧，不然大量的脂肪酸和代谢中的有机酸会积累，从而引起pH的下降，并影响微生物酶系统的作用。
在发酵过程中加入的油脂还兼有消泡的作用。
有机酸及其盐类 一些微生物对乳酸、柠檬酸、乙酸、延胡索酸等及其盐类有很强的氧化能力，因此这些有机酸和它们的盐也能作为微生物的碳源。 有机酸作为碳源，氧化产生的能量被菌体用于生长繁殖和代谢产物的合成。 在利用有机酸时，发酵液的pH会随着有机酸氧化而上升，尤其是有机酸盐氧化时，常伴随着碱性物质的产生，使pH进一步上升。对整个发酵过程中pH的调节和控制增加困难。 醋酸盐做为碳源被氧化时，反应如下： CH3COONa + 2O2 2CO2 + H2O + NaOH
工业生产所用微生物绝大多数是异养菌，不像自养菌那样能够利用光、还原态无机物或碳酸盐作为能源物质，只能利用有机碳水化合物作为能源。 对于异养微生物，碳源又兼做能源，称为双功能营养物。
(1) 糖类：发酵培养基中使用最广泛的碳源。 纯糖 天然原料
工业发酵生产中用的双糖主要有蔗糖、乳糖和麦芽糖。蔗糖、乳糖可以使用其纯制产品，也可以使用含有此二糖的糖蜜和乳清，麦芽糖多用其糖浆。
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
STEP4
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。
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3.3.3 发酵培养基
是发酵生产中最主要的培养基，是为了最大限度获得目的 产物。应根据菌体自身生长规律、产物合成的特点来设计。
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
3.4.1 发酵培养基的设计原理
首先确定培养基的组成成分，然后确定各组 分之间的最佳配比。
目前无法完全从生化反应的基本原理来推断 和计算出某一菌种的培养基配方，只能用生物化 学、细胞生物学、微生物学等学科的基本原理， 参照文献报道的某一类菌种的经验配方，再结合 所用菌种和产品的特性，采用摇瓶及小型发酵设 备，按照一定的实验设计和实验方法选择出较为 适合的培养基。
同时，废水BOD、COD指标下降。 BOD（Biochemical Oxygen Demand） COD（Chemical Oxygen Demand）
http://www.biotechnologie.de/BIO/Redaktion/Bilder/de/Newsfotos/hefe-yarrowia-lipo,property=bild,bereich=bio,sprache=de.jpg
脱氢酶、羧化酶等）的激活剂
• 硫 → 蛋白质、β-内酰胺抗生素 • 铁 → 细胞色素、过氧化氢酶等 • 钴 → 维生素B12 某些酶的辅基
3.2发酵工业培养基的成分及来源
3.2.4 水 洁净、恒定的水源 矿物质影响发酵（正or负影响） 酿酒工业
青霉素生产
碳钢发酵罐→铁离子对青霉素生产不利（<30μg/ml）→表面树脂处理or不锈钢发酵罐
玉米浆（corn steep liquor）
• 玉米淀粉生产中的副产物，是一种容易被微生物利用 的良好氮源。廉价、pH~4.0
• 氮源中的某些氨基酸是合成β-内酰胺类抗生素的前体。
有机氮源的使用：注意生产厂家及生产批号！
/chemicals.html
/athena/offerdetail/sale/hebanshanshengwu-1605-846479340.html
的通气搅拌性能以及发酵产物的后处理等。
3.1 发酵工业培养基的基本要求
设计适宜于工业大规模发酵的培养基应遵循以下原则：
① 必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。 ② 有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质的转化率。 ③ 有利于提高产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。 ④ 有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。 ⑤ 尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化，并尽可能减少
3.2发酵工业培养基的成分及来源
烃和醇类(hydrocarbon & alcohols)
石油副产品作为碳源进行单细胞蛋白生产 例:毕赤酵母（Pichia）以甲醇为碳源进行生长。
3.2发酵工业培养基的成分及来源
发酵行业的废水(waste water)
用某些酵母发酵生产单细胞蛋白 或用于制造生物柴油的油脂。
蛋白质 50~80 32~75 14~20 脂类 5~20 2~15 4~40
碳水化合物 12~28 27~63 7~40 无机盐 2~30 4~7 6~12
微生物细胞含80%左右的水分和20%左右的干物质。在 其干物质中，碳元素约占50%，氮元素约占5~13%，矿物 质元素约占3~10%。
3.2发酵工业培养基的成分及来源
（4）pH对不同菌体代谢的影响
可用酸碱调节发酵液pH 合理配制培养基可使整个发酵过程中pH处于较为适宜状态。 可流加底物调节pH。
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
3.4.2 发酵培养基的优化方法
①根据以前的经验以及在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；
②通过单因子优化实验确定最为适宜的各个培养基 组分及其最适浓度；
Energy Crops: Miscanthus
1 years growth without replanting!
20 tons/acre? () 10-30 tons/acre (/DSI/MASGC.pdf)
3.2发酵工业培养基的成分及来源
糖蜜(molasses)
是制糖生产时的结晶母液，是制糖工业的副 产物。主要成分是蔗糖
含有丰富的糖、氮类化合物、无机盐和维生 素等，是物美价廉的碳源。
多用于酵母发酵、抗生素生产过程中的碳源。
3.2发酵工业培养基的成分及来源
油和脂肪(lipid)
菌种需要有较高的脂肪酶活性
在许多抗生素的发酵培养基中需要加入油脂，头孢菌 素C，头霉素，红霉素，…
3.2发酵工业培养基的成分及来源
3.2.5 生长条件物质
生长因子
凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、 嘌呤、维生素…
前体(precursor)
青霉素生产 玉米浆中苯乙胺可作为前体合成青霉素，加苯乙酸…
产物合成促进剂
表面活性剂、酶的诱导物…
3.3 微生物的培养基类型
3.3 培养基类型
③最后通过多因子实验，进一步优化培养基的各种 成分及其最适浓度。
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
虾青素产量 (μg/L) 虾青素干细胞含量 (μg/g) 生物量(g/L)
单因素的优化
氮源优化 6000
碳源优化
1000
12
800
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碳量(g/L)
生物量 虾青素干细胞含量
（2012年健康元地沟油事件）
3.2发酵工业培养基的成分及来源
有机酸(organic acids)
乳酸、乙酸、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸等 有机酸盐的使用，往往会使发酵液pH上升
重组大肠杆菌培养基中加入柠檬酸、苹果酸等TCA循环 羧酸作为碳源，可以减少“葡萄糖效应”。
/wiki/#
葡萄糖效应 无机氮源对蛋白酶产生的阻遏
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
（3）碳氮比对菌体代谢调节的重要性
氮源多，菌体生长旺盛，pH偏高，不利于代谢产物积累； 碳源多，易形成较低pH；碳源不足，菌体易衰老和自溶。 不同生长阶段对碳氮比的最适要求不一样。 一般工业发酵培养基的碳氮比为100：（0.2~2），需根据 产物含氮量调整。
~3000 元/吨
无机氮源
• 铵盐、硝酸盐、氨水等 • 氨水除了常作为pH调节剂，也是一种容易被利用的
氮源。
• 微生物对无机氮源的吸收利用一般较快，也称为速效 氮源。但常引起发酵液pH的变化。
3.2发酵工业培养基的成分及来源
3.2.3 无机盐及微量元素
磷、镁、硫、钾、钠、铁、氯、锰、锌、钴等
作为微生物生理活性物质的组成或生理活性作用的 调节物。
有些微生物无力合成的特定营养物，如氨基酸、维生素或核苷 酸。一旦测出其中一种是生长因子，就要在培养基中加入适量的 纯净的化合物或含有该物质的混合物。
碳源具有生物合成的底物和能源的双重作用，在需氧条件下 ，对碳源的需要量可以从菌体对底物的产率系数(Yx/s)推算而得。
Yx/s的定义是：细胞干物质的产量／碳源底物的被利用量 下表中列出了一些Yx/s值。如以葡萄糖为底物时，其Y值为0.5 即表示每1g葡萄糖能生成0.5g细胞干物质。为要获得30 g L-1浓度 的细胞，需要葡萄糖30／0.5＝60 g L-1。
3.3.1 斜面培养基
供微生物生长繁殖或保藏菌种用，富含有机氮源。
3.3.2 种子培养基
短时间内获得数量多、质量高的大量菌种，以满足发酵生 产的需要。须含有较完全和丰富的营养物质，特别是充足的氮 源和必需的生长因子。由于培养时间短，且不要求积累产物， 各种营养物质的浓度不需要太高。可添加一些容易被吸收利用 的碳源和氮源，如葡萄糖、硫酸铵、尿素、玉米浆、蛋白胨等。 为缩短发酵阶段延迟期，其主要成分应和发酵培养基接近。
么去做？
Pics from web
作出细胞生长和产物形成的化学计算的平衡：
碳源和能源 + 氮源 + 其他需要 → 细胞 + 产物 + CO2 + H2O + 热量
组成微生物的元素包括C、H、O、N、S、P、Mg和K（见下表），这些 元素都要在方程式中予以平衡。
在培养基中有些元素的含量往往超过需要量，如P和K。而其它元素含量则接近最低值 (如Zn，Cu等)。在许多培养基中增加磷酸盐浓度，其用意是增加培养基的缓冲容量， 这一点，在设计培养基时要引起注意。
4000
2000
0 蛋白胨
酵母粉
硫酸铵 氮源种类
氯化铵
牛肉膏
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
3.4.2 发酵培养基的优化方法
正交实验设计 响应面分析方法 遗传算法设计 ……
思考题
• 为什么需要进行微生物培养基的优化？ • 除了微生物培养基的各种组成成分，你认为培养
基的优化过程中还需要考虑哪些关键的因素？ • 如果让你优化某一微生物菌种的培养基，你会怎
发酵工程
第3章 发酵工业培养基设计
北京科技大学 化学与生物工程学院
生物科学与工程系
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
3.2发酵工业培养基的成分及来源
淀粉(starch)
一般经过菌体产生的胞外酶水解成单糖后被 吸收利用。
也可以经过淀粉酶和糖化酶的液化和糖化作 用，变成葡萄糖之后再用于发酵的碳源。
玉米
玉米淀粉
玉米浆
淀粉水解糖
结晶葡萄糖
3.2发酵工业培养基的成分及来源
纤维素(cellulose)
一般先水解成葡萄糖再被微生物利用。是今 后工业生物技术的发展趋势。
是发酵生产中最主要的培养基，是为了最大限度获得目的 产物。应根据菌体自身生长规律、产物合成的特点来设计。
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
3.4.1 发酵培养基的设计原理
首先确定培养基的组成成分，然后确定各组 分之间的最佳配比。
目前无法完全从生化反应的基本原理来推断 和计算出某一菌种的培养基配方，只能用生物化 学、细胞生物学、微生物学等学科的基本原理， 参照文献报道的某一类菌种的经验配方，再结合 所用菌种和产品的特性，采用摇瓶及小型发酵设 备，按照一定的实验设计和实验方法选择出较为 适合的培养基。
同时，废水BOD、COD指标下降。 BOD（Biochemical Oxygen Demand） COD（Chemical Oxygen Demand）
http://www.biotechnologie.de/BIO/Redaktion/Bilder/de/Newsfotos/hefe-yarrowia-lipo,property=bild,bereich=bio,sprache=de.jpg
脱氢酶、羧化酶等）的激活剂
• 硫 → 蛋白质、β-内酰胺抗生素 • 铁 → 细胞色素、过氧化氢酶等 • 钴 → 维生素B12 某些酶的辅基
3.2发酵工业培养基的成分及来源
3.2.4 水 洁净、恒定的水源 矿物质影响发酵（正or负影响） 酿酒工业
青霉素生产
碳钢发酵罐→铁离子对青霉素生产不利（<30μg/ml）→表面树脂处理or不锈钢发酵罐
玉米浆（corn steep liquor）
• 玉米淀粉生产中的副产物，是一种容易被微生物利用 的良好氮源。廉价、pH~4.0
• 氮源中的某些氨基酸是合成β-内酰胺类抗生素的前体。
有机氮源的使用：注意生产厂家及生产批号！
/chemicals.html
/athena/offerdetail/sale/hebanshanshengwu-1605-846479340.html
的通气搅拌性能以及发酵产物的后处理等。
3.1 发酵工业培养基的基本要求
设计适宜于工业大规模发酵的培养基应遵循以下原则：
① 必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。 ② 有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质的转化率。 ③ 有利于提高产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。 ④ 有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。 ⑤ 尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化，并尽可能减少
3.2发酵工业培养基的成分及来源
烃和醇类(hydrocarbon & alcohols)
石油副产品作为碳源进行单细胞蛋白生产 例:毕赤酵母（Pichia）以甲醇为碳源进行生长。
3.2发酵工业培养基的成分及来源
发酵行业的废水(waste water)
用某些酵母发酵生产单细胞蛋白 或用于制造生物柴油的油脂。
蛋白质 50~80 32~75 14~20 脂类 5~20 2~15 4~40
碳水化合物 12~28 27~63 7~40 无机盐 2~30 4~7 6~12
微生物细胞含80%左右的水分和20%左右的干物质。在 其干物质中，碳元素约占50%，氮元素约占5~13%，矿物 质元素约占3~10%。
3.2发酵工业培养基的成分及来源
（4）pH对不同菌体代谢的影响
可用酸碱调节发酵液pH 合理配制培养基可使整个发酵过程中pH处于较为适宜状态。 可流加底物调节pH。
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
3.4.2 发酵培养基的优化方法
①根据以前的经验以及在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；
②通过单因子优化实验确定最为适宜的各个培养基 组分及其最适浓度；
Energy Crops: Miscanthus
1 years growth without replanting!
20 tons/acre? () 10-30 tons/acre (/DSI/MASGC.pdf)
3.2发酵工业培养基的成分及来源
糖蜜(molasses)
是制糖生产时的结晶母液，是制糖工业的副 产物。主要成分是蔗糖
含有丰富的糖、氮类化合物、无机盐和维生 素等，是物美价廉的碳源。
多用于酵母发酵、抗生素生产过程中的碳源。
3.2发酵工业培养基的成分及来源
油和脂肪(lipid)
菌种需要有较高的脂肪酶活性
在许多抗生素的发酵培养基中需要加入油脂，头孢菌 素C，头霉素，红霉素，…
3.2发酵工业培养基的成分及来源
3.2.5 生长条件物质
生长因子
凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、 嘌呤、维生素…
前体(precursor)
青霉素生产 玉米浆中苯乙胺可作为前体合成青霉素，加苯乙酸…
产物合成促进剂
表面活性剂、酶的诱导物…
3.3 微生物的培养基类型
3.3 培养基类型
③最后通过多因子实验，进一步优化培养基的各种 成分及其最适浓度。
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
虾青素产量 (μg/L) 虾青素干细胞含量 (μg/g) 生物量(g/L)
单因素的优化
氮源优化 6000
碳源优化
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40
碳量(g/L)
生物量 虾青素干细胞含量
（2012年健康元地沟油事件）
3.2发酵工业培养基的成分及来源
有机酸(organic acids)
乳酸、乙酸、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸等 有机酸盐的使用，往往会使发酵液pH上升
重组大肠杆菌培养基中加入柠檬酸、苹果酸等TCA循环 羧酸作为碳源，可以减少“葡萄糖效应”。
/wiki/#
葡萄糖效应 无机氮源对蛋白酶产生的阻遏
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
（3）碳氮比对菌体代谢调节的重要性
氮源多，菌体生长旺盛，pH偏高，不利于代谢产物积累； 碳源多，易形成较低pH；碳源不足，菌体易衰老和自溶。 不同生长阶段对碳氮比的最适要求不一样。 一般工业发酵培养基的碳氮比为100：（0.2~2），需根据 产物含氮量调整。
~3000 元/吨
无机氮源
• 铵盐、硝酸盐、氨水等 • 氨水除了常作为pH调节剂，也是一种容易被利用的
氮源。
• 微生物对无机氮源的吸收利用一般较快，也称为速效 氮源。但常引起发酵液pH的变化。
3.2发酵工业培养基的成分及来源
3.2.3 无机盐及微量元素
磷、镁、硫、钾、钠、铁、氯、锰、锌、钴等
作为微生物生理活性物质的组成或生理活性作用的 调节物。
有些微生物无力合成的特定营养物，如氨基酸、维生素或核苷 酸。一旦测出其中一种是生长因子，就要在培养基中加入适量的 纯净的化合物或含有该物质的混合物。
碳源具有生物合成的底物和能源的双重作用，在需氧条件下 ，对碳源的需要量可以从菌体对底物的产率系数(Yx/s)推算而得。
Yx/s的定义是：细胞干物质的产量／碳源底物的被利用量 下表中列出了一些Yx/s值。如以葡萄糖为底物时，其Y值为0.5 即表示每1g葡萄糖能生成0.5g细胞干物质。为要获得30 g L-1浓度 的细胞，需要葡萄糖30／0.5＝60 g L-1。
3.3.1 斜面培养基
供微生物生长繁殖或保藏菌种用，富含有机氮源。
3.3.2 种子培养基
短时间内获得数量多、质量高的大量菌种，以满足发酵生 产的需要。须含有较完全和丰富的营养物质，特别是充足的氮 源和必需的生长因子。由于培养时间短，且不要求积累产物， 各种营养物质的浓度不需要太高。可添加一些容易被吸收利用 的碳源和氮源，如葡萄糖、硫酸铵、尿素、玉米浆、蛋白胨等。 为缩短发酵阶段延迟期，其主要成分应和发酵培养基接近。
么去做？
Pics from web
作出细胞生长和产物形成的化学计算的平衡：
碳源和能源 + 氮源 + 其他需要 → 细胞 + 产物 + CO2 + H2O + 热量
组成微生物的元素包括C、H、O、N、S、P、Mg和K（见下表），这些 元素都要在方程式中予以平衡。
在培养基中有些元素的含量往往超过需要量，如P和K。而其它元素含量则接近最低值 (如Zn，Cu等)。在许多培养基中增加磷酸盐浓度，其用意是增加培养基的缓冲容量， 这一点，在设计培养基时要引起注意。
4000
2000
0 蛋白胨
酵母粉
硫酸铵 氮源种类
氯化铵
牛肉膏
3.4 发酵培养基的设计原理与优化方法
3.4.2 发酵培养基的优化方法
正交实验设计 响应面分析方法 遗传算法设计 ……
思考题
• 为什么需要进行微生物培养基的优化？ • 除了微生物培养基的各种组成成分，你认为培养
基的优化过程中还需要考虑哪些关键的因素？ • 如果让你优化某一微生物菌种的培养基，你会怎
发酵工程
第3章 发酵工业培养基设计
北京科技大学 化学与生物工程学院
生物科学与工程系
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
3.2发酵工业培养基的成分及来源
淀粉(starch)
一般经过菌体产生的胞外酶水解成单糖后被 吸收利用。
也可以经过淀粉酶和糖化酶的液化和糖化作 用，变成葡萄糖之后再用于发酵的碳源。
玉米
玉米淀粉
玉米浆
淀粉水解糖
结晶葡萄糖
3.2发酵工业培养基的成分及来源
纤维素(cellulose)
一般先水解成葡萄糖再被微生物利用。是今 后工业生物技术的发展趋势。