第4章 培养基

4.4、根据产物的化学组成决定培 4.4、根据产物的化学组成决定培 养基的碳氮比
在柠檬酸生产中由于产物C 在柠檬酸生产中由于产物C6H8O6只由C、H、 只由C O三种元素组成,因此N源和微量元素应处于半 三种元素组成,因此N 饥饿状态。 特别是 Fe、 Mn 等离子不能超过一 饥饿状态 。 特别是Fe 、 Mn等离子不能超过一 定的量, 否则只长菌丝， 不产或很少产柠檬酸 。 定的量 , 否则只长菌丝 ， 不产或很少产柠檬酸。 所以柠檬酸生产中C/N一般控制在20/ 所以柠檬酸生产中C/N一般控制在20/1。
1.2、配制工艺发酵培养基 1.2、配制工艺发酵培养基 的一般要求
营养物质的组成比较丰富，浓度恰当，能满足菌 种发芽和生长繁殖成大量的有生理功能的菌丝体 之需要，能显示出产物的合成能力； 在一定条件下，所采用的各种原材料彼此间不能 发生化学反应，理化性质相对稳定； 黏度适中，具有适当的渗透压；
要考虑所选的原材料的品种和浓度与代谢产物生 物合成过程中的调节关系，要有利于主要产物的 生物合成并能维持较长时间的最高生产速率，不 需要的产物的合成速率降至最低； 生产过程中，不影响通气与搅拌的效果，也不影 响或稍影响产物的分离精制和废物处理； 选用的原材料尽量做到因地制宜、质优价廉、成 本低。
3.2、种子扩大培养基 3.2、种子扩大培养基 （seed amplification medium） medium）
它的成分应介于斜面培养和发酵培养基之间， 是一种过渡性质的培养基。 培养种子的目的： 扩大培养， 扩大培养，增加细胞数量； 同时也必须培养出强壮、健康、活性高的细胞。 同时也必须培养出强壮、健康、活性高的细胞。 为了使细胞迅速进行分裂或菌丝快速生长。 为了使细胞迅速进行分裂或菌丝快速生长。
4.2、根据原料的性质配制 4.2、根据原料的性质配制
尿素、玉米浆、葡萄糖等能被直接利用， 尿素、玉米浆、葡萄糖等能被直接利用，是速效 性原料，黄豆饼粉、淀粉等， 性原料，黄豆饼粉、淀粉等，必须经胞外酶作用 降解成小分子后才能被利用，是迟效性原料。 降解成小分子后才能被利用，是迟效性原料。 速效性和迟效性原料的搭配要恰当。 速效性和迟效性原料的搭配要恰当。既有利于前 期菌体的生长， 期菌体的生长，又有利于后期代谢产物的积累； 要考虑所用原料的生理酸碱性。多糖类原料属于 生理酸性物质；蛋白质类物质属于生理碱性物质。 应采取相应措施控制培养液的pH值。 应采取相应措施控制培养液的pH值。
4.5、根据产物特性及发酵机制， 4.5、根据产物特性及发酵机制， 添加适当的前体物质和促进剂
青霉素发酵过程中， 青霉素发酵过程中 ， 加入苯乙酸或苯乙硫胺可使 青霉素G 的比例大大提高 （ 占总青霉素量的 99％ 青霉素 G 的比例大大提高（ 占总青霉素量的99 ％ 以上） 以上）,这是由于前体物质使培养基中硫酸盐的硫 原子更多地结合到青霉素分子中。 原子更多地结合到青霉素分子中。 生产某些半合成抗生素时，常将化学合成的前体 加入培养基中以利于合成所需要的代谢产物。 大多数前体物质对生产菌有毒性，以采用间歇分 批添加或用流加的方法为好。
单因子试验法 正交试验设计 均匀试验设计
4、发酵工业培养基配制的原则
因地制宜选择原料 根据原料的性质配制 根据微生物生理和遗传特性决定培养基的成分 根据产物的化学组成决定培养基的碳氮比 根据产物的特性及发酵机制，添加适当的前体 物质和促进剂
4.1、因地制宜选择原料 4.1、因地制宜选择原料
发酵生产上一般都是几吨至数百吨的发酵罐， 因此培养基的需要量大，这就要求原料的来源 丰富，最好能就地取材；原料的价格要低廉， 有利于降低成本。如甘薯、大米、小麦、玉米、 豆粉、糖蜜、米糖、麸皮等。
1.1、培养基条件与微生物生理学 1.1、培养基条件与微生物生理学 和形态学的相关性
培养基条件是指培养基组成、pH值、二价阳离 培养基条件是指培养基组成、pH值、二价阳离 子、阴离子聚合物、表面活性剂和固形物含量等。 培养基条件可影响菌丝形态。二价阳离子易引起 菌丝体呈球状体生长。 培养基条件可改变细胞表面组成而影响菌体形态。 培养基组成可改善细胞通透性。
尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化。 尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化。 原料价格低廉，质量稳定，取材容易。 原料价格低廉，质量稳定，取材容易。 所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的 影响，利于提高氧的利用率，降低能耗。 影响，利于提高氧的利用率，降低能耗。 有利于产品的分离纯化， 有利于产品的分离纯化 ， 并尽可能减少产生 “三废”的物质。 三废”的物质。
3、培养基的种类和选择
养分来源：天然培养基、合成培养基、半合成 培养基； 制成形式：固体培养基、半固体培养基、液体 培养基； 使用目的：基础培养基、完全培养基、鉴别培 养基、选择培养基等。 生产工艺：斜面培养基、种子培养基、发酵培 养基等。
斜面培养 种子培养
发酵培养
3.1、斜面培养基 3.1、斜面培养基 （slope medium） medium）
如多粘菌素产生菌的三种培养基
1）斜面培养基 蛋白胨1 蛋白胨1％， 牛肉膏0.3％， 葡萄糖0.25％， 氯化钠 2％， 牛肉膏0.3％， 葡萄糖0.25％， 磷酸二氢钾0.25％ 琼脂2 磷酸二氢钾0.25％ 琼脂2％, pH 7.0～7.2； 7.0～7.2； 2）种子扩大培养基 玉米淀粉1.5％， 玉米浆1 玉米淀粉1.5％， 玉米浆1％， 花生饼粉2％， 磷酸二 花生饼粉2 氢钾0.03％， 硫酸铵0.8％， 硫酸镁0.01％，氯化钠0.2 氢钾0.03％， 硫酸铵0.8％， 硫酸镁0.01％，氯化钠0.2 ％， 乙酸0.0008％， 碳酸钙0.5％， 麦芽汁2.5％， 乙酸0.0008％， 碳酸钙0.5％， 麦芽汁2.5％， 豆油 1滴 /10mL， pH 自然； /10mL， 3）发酵培养基 玉米淀粉6.25%， 玉米浆4.25%， 硫酸铵2.25%， 玉米淀粉6.25%， 玉米浆4.25%， 硫酸铵2.25%， 碳酸钙1.3%， 碳酸钙1.3%， 豆油 1滴/mL ， 用自来水配制，pH 自 用自来水配制，pH 然。
磷酸二氢钾、磷酸氢二钾及其钠盐； 硫酸亚铁； 硫酸锌、硫酸镁、氯化镁、氯化钴等； 氯化钠、氯化钾、碳酸钙。
2.4、其他成分 2.4、其他成分
水 前体 消沫剂 生长因子
2.5、发展方向 2.5、发展方向
利用废物废水，如工业废水、民用废水、 利用废物废水，如工业废水、民用废水、牧场 废水等作为碳氮源。 废水等作为碳氮源。
4.3、根据微生物的生理和遗传特 4.3、根据微生物的生理和遗传特 性来决定培养基的成分
工业上常用淀粉质原料作碳源和能源物质，但有 的微生物如谷氨酸棒杆菌和啤酒酵母一般不产生 淀粉酶，因此必须先用酸或酶预处理，将淀粉转 化为糖后才能被利用；而另一些微生物如黑曲霉， 能分泌胞外淀粉酶，将淀粉转化为糖，继而合成 柠檬酸，原料就不用另外糖化。
用酵母菌生产乙醇（ 用酵母菌生产乙醇 （ C3H6O ） 时 C/N 应高些， C/N应高些 ， 只在种子罐中流加硫酸铵；但如果培养的目的 是为了得到酵母菌体蛋白， C/N应低些 ， 是为了得到酵母菌体蛋白 ， 则 C/N 应低些， 一 般控制在10/ 般控制在10/1～6/1。 谷氨酸发酵中，代谢产物谷氨酸（C 谷氨酸发酵中，代谢产物谷氨酸（C5H9O4N） 中含有C 中含有C、H、O和N元素，因此C/N应控制在 元素，因此C/N应控制在 100/15～100/21，若氮源不足，谷氨酸的合成 100/15～100/21，若氮源不足，谷氨酸的合成 受到影响，若氮源过多，则产生谷氨酰胺。
配制培养基时还必须考虑避免分解代谢物阻遏 （葡萄糖效应），在青霉素发酵中，可被迅速利用 的葡萄糖有利于菌体的合成，被缓慢利用的乳糖有 利于青霉素的合成。 工业上为了减轻降解物阻遏作用，常采用混合碳源 或流加碳源的方法来限制葡萄糖的浓度，使分解代 谢产物维持在较低的水平上。 还必须了解微生物是否营养缺陷型菌株。如肌苷产 生菌是腺嘌呤、硫胺素缺陷型，在培养基中应提供 适量的这二种物质。若这供应量不足，会影响菌株 生长；若供应量过多，又会产生反馈抑制
3.4、培养基的设计 3.4、培养基的设计
设计的培养基应具备：菌体对数生长期开始时， 利于有生理功能的菌体的生长繁殖，对数生长 期末期能迅速转入谢产物合成的生产期，并 使产物合成速率保持一适宜的线性关系，此种 线性关系能维持相当长时间，可获得最大的产 物合成量。
3.5、培养基的筛选 3.5、培养基的筛选
2 、培养基的成分
工业上主要作为碳源的基质 工业上主要作为氮源的基质 工业上主要作为无机盐和微量元素的基质 其他成分 发展方向
2.1、工业上主要作为碳源的基质 2.1、工业上主要作为碳源的基质
糖类：如蔗糖、红糖或褐糖、 糖类：如蔗糖、红糖或褐糖、糖蜜等； 麦芽汁（大麦小麦等糖化所得） 麦芽汁（大麦小麦等糖化所得）； 淀粉（甘薯淀粉、玉米淀粉、大米淀粉等） 淀粉（甘薯淀粉、玉米淀粉、大米淀粉等）； 脂肪（油脂） 脂肪（油脂）； 有机酸、 有机酸、醇（甲醇、乙醇等）； 甲醇、乙醇等） 碳氢化合物。 碳氢化合物。
种子培养基特点： 必须有较完全和丰富的营养物质，特别需要充 足的氮源和生长因子。 种子培养基中各种营养物质的浓度不必太高。 供孢子发芽生长用的种子培养基，可添加一些 易被吸收利用的碳源和氮源。 种子培养基成分还应考虑与发酵培养基的主要 成分相近。
3.3．发酵培养基 3.3．发酵培养基 （fermentation medium） medium）
作用：供微生物细胞生长繁殖用的，包括细菌， 作用：供微生物细胞生长繁殖用的，包括细菌， 酵母等的斜面培养基以及霉菌、 酵母等的斜面培养基以及霉菌、放线菌生孢子 培养基或麸曲培养基等。 培养基或麸曲培养基等。这类培养基主要作用 是供给细胞生长繁殖所需的各类营养物质。 是供给细胞生长繁殖所需的各类营养物质。
目前正在开发利用的碳源有： （1）纤维素； （2）木质素； （3）烃类（包括甲烷）。