【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；
② 通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分； ③当培养基成分确定后，剩下的问题就是实验次数常采 用一些合理的实验设计方法。
反应器—最终的优化的基础配方
例： 青霉素发酵 发酵摇瓶：玉米浆4%，乳糖10%，(NH4)SO4 0.8% 轻质碳酸钙1% 发酵罐:葡萄糖流加控制总量10-15%，玉米浆总量4-8% 补加前体等
摇瓶发酵培养基和发酵罐培养基差别可能很大
摇瓶优化配方：菌种筛选，反应器研究的基础
发酵罐：反应器水平, 可以得出最 终优化的基 础配方
2、前体 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
过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，
但是产物的产量却因其加入而有较大的提高。
S N CH 3 CH 3 COOH
CH2 CO OH
CH 2
COHN O
青霉素：分子量356
苯乙酸:分子量136
作用：前体有助于提高产量和组份 用量：前体的用量可以按分子量衡算，具体使用有个转化
用法：前体使用时普遍采用流加的方法
前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生长不利
苯乙酸，一般基础料中仅仅添加0.07%
前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化，
流加也有利于提高前体的转化率。
3、产物促进剂 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。
促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方 面的。
对于常规发酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清洁的 水。
第三节 发酵培养基的设计和优化
目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计 算出适合某一菌种的培养基配方，只能用生物化学、细 胞生物学、微生物学等的基本理论，参照前人所使用的 较适合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、玻璃罐等小型发酵设备，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。
pH控制摇床：反应器水平上的摇瓶研究
五、培养基设计时注意的一些相关问题
原料及设备的预处理 原材料的质量
发酵特性的影响
在抗生素发酵生产中往往喜欢所谓的“稀配方”，因 为它既降低成本、灭菌容易、且使氧传递容易而有利 于目的产物的生物合成。如果营养成分缺乏，则可通 过中间补料方法予以弥补。
正交设计确定优化的配方
结果： 碳源：乙酸钠 0. 2% 氮源：氯化铵 0.2% 酵母膏0.03%
无机盐: 复合无机盐0.05%
第三章 发酵工业培养基的设计
改进后培养基 原培养基
改进后培养基的发酵结果
四、摇瓶水平到反应器水平的优化配方
摇瓶、反应器培养基研究的两个层次
摇瓶——培养基设计的第一步
例: 如在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下∶
葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为∶ C6H12O6 ─→ 2C2H5OH + 2CO2 葡萄糖转化为酒精的理论得率为∶ 2*46 Y = ─── = 0.51 180
（二）、实验设计
培养基成分的含量最终都是通过实验获得的
合理的实验方法
第三章 发酵工业培养基设计
第一节 发酵培养基的要求和种类
第二节 发酵培养基的成分及来源 第三节 发酵培养基的设计原理与优化
第二节 发酵培养基的成分及来源
一、碳源 1、作用 2、来源
糖类、油脂、有机酸、烃和醇类
二、氮源
1、作用 2、来源 有机氮源和无机氮源
三、无机盐及微量元素
四、生长因子、前体和产物促进剂
大肠杆菌高密度培养：
碳源：葡萄糖、甘油 氮源：胰蛋白胨、酵母粉 无机盐：磷、镁等
蛋白胨、酵母粉(OXOID)
章越，生物工程学报，2004
动物细胞培养基
基础培养基: F12、DMEM等
血清(5-10%)：胎牛(FBS) 、小牛(CS) 、马(HS)
水：超纯水
其它：NaHCO3（CO2）、抗生素
GONG,J. B. B. 2003
本章小节：
培养基—菌体生长所需的营养以及其它必须的条件
了解发酵培养基的组成，发酵培养基常用的原料以
及其中的基本概念
发酵培养基的优化与设计是发酵工程的基本问题，
掌握发酵培养基优化与设计的思路、了解其中的方 法。
习题
一、选择题 1、生物技术的几大组成部分：基因工程、细胞工程、 酶工程和发酵工程，虽可自成体系，构成独立完整 的技术，但它们又是相互( ) ，形成了对社会的广 泛影响。 B A 加强 B 补充 C 渗透 D 作用 2、酶工程和发酵工程是生物技术实现( )的关键 环节。 C A 产业化 B 商品化 C 社会化 D 安全化
3．以下发酵产品中不属于微生物代谢产物 的是（ C ） A．味精 B．啤酒 C．“人造肉” D．人生长激素 4．关于单细胞蛋白叙述正确的是 ( A．是微生物细胞中提取的蛋白质 B．通过发酵生产的微生物菌体 C．是微生物细胞分泌的抗生素 D．单细胞蛋白不能作为食品 5．微生物代谢的调节属于（ ） A．神经调节 B.激素调节 C．酶的调节 D.基因调节 ）
类胡萝卜素高产菌Y11的鉴定及培养条 件的优化
郭秒,食品与工业发酵，2004
产生菌：类球红细菌 类胡萝卜素的作用：色素、营养保健
原培养基:
初步确定可能的培养基成分(以碳源为例)
通过单因子实验确定适宜的培养基成分(以碳源为例)
考虑到成本：乙酸钠是较为合适的碳源 进一步：乙酸钠的浓度0.2%比较好
13．在实验中我们所用到的淀粉水解培养基是一种（ ） 培养基 A 基础培养基 B加富培养基 C选择培养基 D鉴别培养基
15.要从多种细菌中分离某种细菌，培养基要用（ ）
A.加入青霉素的培养基 B．加入高浓度食盐的培
养基 C．固体培养基
D.液体培养基
C
16．根据培养基的物理状态，划分的发酵种类
是
（
）
、
、 ）、酵母菌、霉 ）和放线菌四大类群。
（如枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、乳酸 菌、大肠杆菌）、（如根霉、曲霉）
4.发酵工业生产中的碳源主要是（ ），如 （ 、 、 、 、 、 ）等。 氮源主要是（ 、 ）等有机氮源，也有 （ 、 、 ）等无机氮液。 （糖类），如（葡萄糖、糖蜜、糊精、淀粉、麦芽 汁、麸皮） （玉米浆、花生饼粉）（尿素、硫酸 铵、硝酸铵） 5.在整个发酵过程中，微生物将培养基的营养成份用 于3个方面：一部分（ ）；一部分（ ）；此 外，（ ）。 （用于构成微生物细胞）；（获得能量）；（用于产 生各种代谢产物）。
1、生长因子 从广义上讲，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、嘧啶、维生素等均称生长因子。
如以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌均为生物素缺陷 型，以生物素为生长因子,生长因子对发酵的调控起到重 要的作用 。
有机氮源是这些生长因子的重要来源，多数有机氮源 含有较多的B族维生素和微量元素及一些微生物生长不可 缺少的生长因子 ，如玉米浆。
灭菌
在大规模发酵中应该尽可能的采取连续灭菌的操作， 而且保证灭菌条件的稳定是保证发酵稳定的前提 有时避免营养物质在加热的条件下，相互作用， 可以将营养物质分开消毒。 Na2HPO4+CaCO3→CaHPO4+Na2CO3 有些物质由于挥发和对热非常敏感，就不能采用湿 热的灭菌方法
第四节、重组产品培养基的介绍
一、培养基成分选择的原则
菌种的同化能力
代谢的阻遏和诱导 合适的C、N比
100∶0.2～2.0
pH的要求
二、成分含量的确定
（一）、理论转化率与实际转化率
理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途 径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。
实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小
如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个 目标
A、抗生素发酵
酵
B、维生素发酵
C、氨基酸发
D、液体发酵
1. 工业发酵的发展经历了以下几个阶段： 、 、 、 、和 （天然发酵阶段、纯培养技术的建立、通 气搅拌发酵技术的建立、代谢控制发酵技 术的建立、开拓新型发酵原料时期、基因 工程段。） 2.制备淀粉水解糖的方法有 和 。 、
、 。
、
（酸法、酸酶法、双酶法）
6.胰岛素是治疗糖尿病的特效药，可从动物胰腺中提取， 也可以通过“工程菌”产生，后者与前者比较最显著的 特点是：生产条件 ；原料来源 ；价 格 ；产物 ；废弃物 。 温和 ；丰富 ；低廉 ；专一；对环境污染小且易处理 。 7.诱导酶指存在 或 时才能产生的酶，它 是 水平上调节酶浓度的一种方式。 诱导物或安慰诱导物 转录
10．发酵是利用微生物大量生产有用代谢产物的一 种生产方式。通常说的谷氨酸发酵又属于 （ ） A. 液体发酵和需氧发酵 B．液体发酵和厌氧发酵 C．固体发酵和需氧发酵 D．固体发酵和厌氧发酵
11．在赖氨酸发酵中，应用的不能合成高丝氨酸脱氢 酶的黄色短杆菌是如何选育的（ ） A 自然界中菌种的筛选 B 人工诱变 C 基因工 程 D 细胞工程 12. 在次级代谢物的发酵生产过程中，添加前 体一般是（ ） 添加。 A 少量多次 B 多量少次 C 在细胞生长期
3.培养基的种类繁多，一般可根据其营养物质的不 同来源分为（ ）、（ ）和（ ），根据培 养基的物理状态的不同分为（ ）、（ ） 和（ ）。 （合成培养基）、（天然培养基）和（半合成培养 基），（固体培养基）、（半固体培养基）和（液体 培养基）。
4. 发酵工业上常用的微生物有细菌（如
、 菌（如 、 、