第三章發酵工業培養基2023/2/11生命科學學院微生物教研室第一節培養基概述2023/2/12生命科學學院微生物教研室培養基是提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產物所需要的按一定比例配制的多種營養物質的混合物。2023/2/13生命科學學院微生物教研室一、發酵工業培養基的基本要求1、必須提供合成微生物細胞和發酵產物的基本成分。2、有利于減少培養基原料的消耗，即提高單位營養物質的轉化率。2023/2/14生命科學學院微生物教研室3、有利于提高產物濃度，以提高單位容積發酵罐的生產能力。4、有利于提高產物的合成速度，縮短發酵周期。5、盡量減少副產物的形成，便于產物的分離純化。2023/2/15生命科學學院微生物教研室6、原料價格低廉，質量穩定，取材容易。7、所用原料盡可能減少對發酵過程中通氣攪拌的影響，利于提高氧的利用率，降低能耗。8、有利于產品的分離純化，并盡可能減少產生“三廢”物質。2023/2/16生命科學學院微生物教研室二、設計培養基四個原則1、目的明確2、營養物協調3、物理化學條件適宜（1）pH值（2）氧化還原勢4、經濟節約2023/2/17生命科學學院微生物教研室三、發酵培養基的成分1.碳源：凡是可以作為微生物細胞結構或代謝產物中碳素來源的營養物質，稱為碳源。目前除了個別發酵工業需用較純的糖類外，多數微生物發酵工藝生產中所用的碳素原料為：農副產品（玉米淀粉、土豆淀粉、小麥淀粉等）和工業生產的廢棄物（糖蜜、酒精廢液、紙漿廢液等）。2023/2/18生命科學學院微生物教研室2.氮源氮源是指構成微生物細胞和代謝產物中的氮素的營養物質。根據需要使用無機氮源、有機氮源或二者混合使用。有機氮源有花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、酵母粉、酒糟等。無機氮源有硫酸銨、硝酸鹽、氯化銨、磷酸氫二銨和氨水等。2023/2/19生命科學學院微生物教研室3.能源工業上常用化能異養微生物，故能源常由碳源提供。4.無機鹽無機鹽類有磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀和硫酸鎂等。5.生長因子工業上常用天然培養基，營養豐富，一般不需要另外加入。2023/2/110生命科學學院微生物教研室6.水對于發酵工廠來說，恒定的水源是至關重要的。因為在不同水源中存在的各種因素對微生物發酵代謝影響甚大。水源質量的主要考慮參數包括；pH值、溶解氧、可溶性固體、污染程度以及礦物質組成和含量。2023/2/111生命科學學院微生物教研室7.其他(1)前體：

指那些加入到發酵培養基后，能基本上不改變自身的分子結構而直接被微生物在生物合成過程中結合到產物分子中去，從而在一定條件下控制產物的合成和提高產量的那些物質。2023/2/112生命科學學院微生物教研室產品前體產品前體青霉素苯乙酸及其衍生物

VB12鈷化物鏈霉素肌醇、精氨酸胡蘿卜素

β-紫羅蘭酮紅霉素丙酸、丙醇、丙酸鹽

L-色氨酸鄰氨基苯甲酸青霉素：分子量356苯乙酸:分子量1362023/2/113生命科學學院微生物教研室(2)促進劑：

指那些既不是營養物又不是前體卻能提高產量的添加劑。如在底物和產物均為不溶或微溶水的發酵液中加入表面活性劑不僅可使固形物分散均勻，也可以提高酶活力，從而有利于微生物的利用，以提高產量。2023/2/114生命科學學院微生物教研室促進劑的種類：表面活性劑（吐溫40、60、80）；洗凈劑LS（高級脂肪酰胺磺酸鈉）；黃血鹽及甲醇等。2023/2/115生命科學學院微生物教研室2023/2/116生命科學學院微生物教研室(3)抑制劑：指在發酵過程中加入的能抑制微生物某些代謝途徑的進行而使另一代謝途徑活躍，從而積累人們所需產物的那些物質。2023/2/117生命科學學院微生物教研室常用的抑制劑有亞硫酸氫鈉、亞硫酸鈉、溴化劑等。例如在生產甘油的發酵液中加入亞硫酸氫鈉能抑制產乙醇的代謝途徑而大量形成甘油。2023/2/118生命科學學院微生物教研室葡萄糖→6-磷酸葡萄糖→6-磷酸果糖→1,6二磷酸果糖↙↘3-磷酸甘油醛≒磷酸二羥酮↓〔H〕↓

丙酮酸磷酸甘油

CO2↓水解↓乙醛加成物←NaHSO3+乙醛甘油〔H〕↓

乙醇

2023/2/119生命科學學院微生物教研室（4）消沫劑工業發酵中常用一些試劑消除發酵中產生的泡沫，防止逃液和染菌，以保證生產的正常運轉。常用的消沫劑有植物油脂（玉米油、豆油）、動物油脂（鯨魚油、豬油）和化學合成的高分子化合物。2023/2/120生命科學學院微生物教研室四、培養基的類型

工業上培養基的類型可分為三類：

（一）根據對培養基成分了解的程度分類1、天然培養基(naturalmedium)凡利用生物的組織、器官及其抽取物或制品配成的培養基，稱為天然培養基。優點是配制方便、種類多樣、價格低廉、營養豐富。缺點是化學成分不清楚、不穩定。2023/2/121生命科學學院微生物教研室2、合成培養基(syntheticmedium)

是一類按照微生物的營養要求，使用成分完全了解的化學藥品配制而成的培養基稱為合成培養基。優點是成分已知、精確、重復性好。缺點是價格較貴，配制麻煩，且微生物生長較慢。2023/2/122生命科學學院微生物教研室3、半合成培養基(semi-definedmedium)

指一類主要以化學試劑配制，同時還加有某種天然成分的培養基。嚴格地講，凡含有未經特殊處理的瓊脂的任何合成培養基，實際上都是半合成培養基。實驗室中應用的大多數培養基和工業發酵生產用培養基都是半合成培養基。2023/2/123生命科學學院微生物教研室（二）按物理狀態分：固體培養基、半固體培養基和液體培養基。1、液體培養基(liquidmedium)各營養成分按一定比例配制而成的水溶液或液體狀態的培養基稱為液體培養基。2023/2/124生命科學學院微生物教研室2、固體培養基固體培養基一般是指液體培養基中加入一定量的凝固劑（瓊脂、明膠、和硅膠）配制而成的固體狀態的培養基。2023/2/125生命科學學院微生物教研室3、半固體培養基(semi-solidmedium)半固體培養基是在液體培養基中加入0.5%左右的瓊脂而配制的固體狀態的培養基。4、脫水培養基（dehydratedculturemedia）指含有除水以外的一切成分的商品培養基，使用時只要加入適量水分并加以滅菌即可，是一類成分精確和使用方便的現代化培養基，但價格稍貴。2023/2/126生命科學學院微生物教研室1、種子培養基(seedculturemedium)

種子培養基主要指搖瓶種子及種子罐用的培養基。該培養基應含有容易被菌體利用的碳源、氮源和無機鹽等，為下一步發酵提供大量、強壯而整齊的“種子細胞”。（三）根據生產中的用途分類2023/2/127生命科學學院微生物教研室

2、發酵培養基(fermentationmedium)發酵培養基是供菌絲迅速生長繁殖，并最大限度地獲得代謝產物的培養基。它既要使種子接種后能迅速生長達到一定的菌濃度，又要使長好的菌體能迅速合成所需要的產物，因此培養基中除含有菌體生長所必須的營養成分外，還要有產物合成所需的特定元素、前體或促進劑等。2023/2/128生命科學學院微生物教研室3、孢子培養基孢子培養基是供菌種繁殖孢子用的。對這種培養基的要求是能使孢子迅速發芽和生長，產生大量孢子，不引起菌種變異。2023/2/129生命科學學院微生物教研室生產中常用孢子培養基的種類：麩皮培養基小米碎屑培養基大米碎屑培養基瓊脂斜面培養基2023/2/130生命科學學院微生物教研室1、選擇培養基(selectedmedium)是根據某種或某類微生物的特殊營養要求，或其對某些物理、化學條件的抗性而設計的培養基，具有使混合菌樣中的劣勢菌變成優勢菌的功能，廣泛用于菌種篩選。（四）根據培養基的功能2023/2/131生命科學學院微生物教研室2、鑒別培養基是一類通過添加能與目的菌的無色代謝產物發生顯色反應的指示劑從而達到只須用肉眼辨別顏色就能使該種微生物與其它微生物區別開來的培養基。2023/2/132生命科學學院微生物教研室五、影響培養基質量的因素1、原材料的質量的影響2、水質的影響3、滅菌的影響4、培養基粘度的影響5、pH的影響2023/2/133生命科學學院微生物教研室六、設計培養基的方法發酵培養基的組成及其濃度是影響菌體生長、合成代謝產物的關鍵因素。確定一個優化的培養基配方包括三方面內容；一是合理選擇發酵培養基的組成成分二是確定培養基各組分的濃度三是試驗驗證。2023/2/134生命科學學院微生物教研室培養基配方的優化

搖瓶優化

發酵罐優化2023/2/135生命科學學院微生物教研室搖瓶優化：培養基優化的第一步，反應器研究的基礎2023/2/136生命科學學院微生物教研室發酵罐優化：反應器水平，可以得出最終優化的基礎配方2023/2/137生命科學學院微生物教研室第二節原材料的預處理2023/2/138生命科學學院微生物教研室一、選擇原材料的標準1.來源豐富2.

價格低廉(1)以粗代精(2)以野代家(3)以廢代好(4)以簡代繁2023/2/139生命科學學院微生物教研室(5)以烴代糧(6)以纖代糖(7)以氮代朊(8)以國代進3.質量穩定2023/2/140生命科學學院微生物教研室二、原料的處理

舉例：淀粉質原料的預處理

目前，在大規模的發酵生產中都用淀粉質原料做碳源，但許多微生物不能直接利用淀粉。因此，在發酵生產之前，必須將淀粉質原料轉化成為短鏈糊精、雙糖或單糖后才能為微生物利用。2023/2/141生命科學學院微生物教研室在工業生產上將淀粉水解成葡萄糖的過程稱之為淀粉的糖化。制得的水解液叫淀粉糖。主要的糖類是葡萄糖，此外根據水解條件的不同，尚有數量不等的麥芽糖、低聚糖等復合糖類。2023/2/142生命科學學院微生物教研室目前最普遍的糖化方法有酸解法、酶解法以及兩者相結合的酸酶結合水解法。1.酸解法酸解法又稱酸糖化法，它是以酸（無機酸或有機酸）為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解為葡萄糖。2023/2/143生命科學學院微生物教研室淀粉酸解的過程：(1)調漿：(2)加鹽酸：(3)糖化：(4)冷卻、中和、脫色和過濾：2023/2/144生命科學學院微生物教研室酸解法的特點酸水解具有水解時間短、生產能力大等優點。淀粉的轉化率低和水解糖液的質量差，而且生產上需要耐高壓、耐腐蝕、耐高溫設備。2023/2/145生命科學學院微生物教研室2.酶解法淀粉酶法水解就是利用淀粉酶和糖化酶等的作用，使淀粉轉化為葡萄糖。2023/2/146生命科學學院微生物教研室淀粉酶解的過程包括淀粉的液化和糖化兩個步驟。液化的過程－首先利用淀粉酶使淀粉液化，粘度降低，并水解到糊精和低聚糖的程度糖化的過程然后用糖化酶將它們徹底水解成葡萄糖

2023/2/147生命科學學院微生物教研室酶解法的特點由于酶的高度專一性及反應條件溫和，使淀粉水解液的葡萄糖純度和出糖率大大提高，而且糖液的顏色淺。2023/2/148生命科學學院微生物教研室3.酸酶結合法酸酶結合水解法是集中酸解法及酶解法制糖的優點而采用的結合生產工藝。根據原料淀粉的性質可采用酸酶水解法或酶酸