发酵工业培养基及原料处理

1、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，所以也称之谓效氮源。 但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化如：
(NH4)2SO4 → 2NH3 + 2H2SO4
NaNO3 + 4H2 → NH3 + 2H2O + NaOH
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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。
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
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无机氮源的影响： 硫酸铵>硝酸铵>硝酸钠>尿素
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2、有机氮源 来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，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。
所有的微生物都能利用葡萄糖 但是会引起葡萄糖效应
工业上常用淀粉水解糖,但是糖液必须达到一定的质 量指标
葡萄糖当量值
还原糖
DE=
*100%
（dextrose equivalent value）
干物质
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不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大
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糖
② 糖蜜
蜜
糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业 的副产物。
1. 营养基质的种类 培养何种微生物？何种规模使用？ 作何用途？
2. 营养基质原材料的质量问题 3. 营养基质选择的经济原则
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完善的培养基设计是实验室的试验、实验工厂和生产规模的放大中 的一个重要步骤。培养基是否适合于菌体的生长或累积代谢产物，对 终产品得率的影响非常大。
的碳源物质外，还应该添加足够的铵盐或尿素等氮素化合物。 （2）发酵培养基的各种营养物质的浓度应尽可能高些，这样在同等或
相近的转化率条件下有利于提高单位容积发酵罐的利用率，增加 经济效益。 （3）发酵培养基需耗用大量原料，因此，原料来源、原材料的质量以 及价格等必须予以重视。
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第三节 工业发酵中营养基质的选择 一、营养基质的选择
适用于在实验室范围作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌 种、遗传分析等定量研究工作。
缺点：营养单一，价格高，适用范围较窄。 3、半合成培养基（semi-defined medium）：既有天然有机物作碳源、氮源
和生长因子的来源，又含有一些化学药品以补充无机盐成分，使其更能 充分满足微生物对营养的需要。
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
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有机氮源成分复杂可以从多个方 面对发酵过程进行影响，而另一方面 有机氮源的来源具有不稳定性。所以 在有机氮源选取时和使用过程中，必 须考虑原料的波动对发酵的影响
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氮源使用的一些相关问题：
有机氮源和无机氮源应当混合使用 早期：容易利用易同化的氮源—无机氮源 中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质
糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达45%～50%。一般糖蜜分 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。
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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
大培养工作中，也常用液体培养基进行摇瓶培养。 固体培养基（solid medium）：是在液体
培养基中加入凝固剂配成的，最常用的凝固剂 是琼脂。 分类：斜面试管、平板等。 功能：在菌种的分离、保藏、 菌落特征的观察、活菌计数和鉴定菌种方面。 半固体培养基（semi-solid medium）： 0.5%琼脂。主要用于实验室的微生物运动 观察（穿刺培养），某些厌氧菌的保藏工作。
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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
细胞量 4.2 4.02 3.06 3.09
α-淀粉酶 0 0
38.2 40.2
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(1.5g麸皮)
李江华，无锡轻工大学学报，2004 13
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。
青霉素：分子量356
苯乙酸:分子量136
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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 率的问题
例：6000单位/ml的青霉素G，需要多少苯乙酸 青霉素＝6000*0.6（微克）＝36mg/ml 苯乙酸＝（36*136）/356=13.8mg/ml=1.38%
一、不同原料纯度的培养基 二、物理状态不同的培养基 三、工业发酵中用途不同的培养基
1. 实验室常用培养基 2. 发酵生产中常用培养基
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第二节 工业发酵中营养基质的种类
一、 天然、合成、半合成培养基 1、天然培养基（undefined medium）：是采用化学成分还不清楚或化学成 分还不恒定的各种植物和动物组织或微生物的浸出物、水解液等物质 (例 如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨、玉米浆、各种淀粉水解液、糖蜜 等)制成的。 优点：取材方便、营养丰富、价格低廉、适用范围广； 缺点：原料质量不稳定，不利于发酵控制。 2、合成培养基（defined medium）：是用化学成分和数量完全了解的物质 配制而成的，成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素。
通气、提取、纯化及废物处理等。
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第一节 发酵营养基质的组成
一、碳源营养 二、氮源营养 三、无机盐及微量元素 四、水 五、生长因子
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一、碳源 1、作用 提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需 的碳成分 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、正烷烃
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3、工业上常用的糖类 ① 葡萄糖
第四章 发酵工业培养基及原料处理
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本章主要内容： 第一节： 发酵培养基营养基质的组成 第二节：工业发酵中营养基质的种类 第三节：工业发酵中营养基质的选择 第四节：工业发酵中营养基质的配制方法
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培养基：广义上讲培养基是指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 物培养提供除营养外的其它所必须的条件。
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第二节 工业发酵中营养基质的种类
三、鉴别和选择性培养基
鉴别培养基（differential medium）：是根据微生物能否利用 培养基中某种营养成分，借助指示剂的 显色反应，以鉴别不同种类的微生物。
蓝白筛选平板
选择培养基（selective medium）： 根据某种微生物的特殊营养要求或其对 某种物理化学因素的抗性而设计的培养 基，目的是使混合样品中的劣势菌群变 成优势菌群，或同时还会加入一些特殊 的抑制剂来抑制竞争菌群。
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簇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
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2、前体
前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生 物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，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。
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发酵培养基：供菌种生长繁殖和合成发酵产物的培养基。是发酵生产 中最主要的培养基，它不仅耗用大量的原材料，而且也是决定发酵生 产成功与否的重要因素。
（1）根据产物合成的特点来设计培养基。 对菌体生长与产物相偶联的发酵类型，充分满足细胞生长繁殖的
培养基就能获得最大的产物。 对于生产氨基酸等含氮的化合物时，它的发酵培养基除供给充足
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3、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。
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促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多 方面的。 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。
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：0.6/(0.337*36/13.8)=68%
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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提的转化率
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
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③ 淀粉、糊精 使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类 缺点：难利用、 发酵液比较稠、一般>2.0%时加入一定的α-淀粉酶 成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。 优点：来源广泛、价格低 难利用，可以解除葡萄糖效应
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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 对于常规发酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清洁的 水。
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第二节 工业发酵中营养基质的种类
发酵培养基的作用： 满足菌体的生长 促进产物的形成
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发酵培养基的要求
① 培养基能够满足产物最经济的合成。 ② 发酵后所形成的副产物尽可能的少。 ③ 培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源
丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的 供应。 ④ 所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响
种子培养基：供孢子发芽生长出大量的菌丝体，或不产生孢子放入菌种繁殖出 大量的细胞，并具有较高的活力和纯度的培养基。 特点： 1. 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； 2.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； 3.种子培养基成分还应考虑与发酵培养基的主要成分相近，使种子尽快适应发 酵培养基，缩短周期。
有些产物会受氮源的诱导和阻遏 例： 蛋白酶的生产
有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力
开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣 的课题
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三、无机盐的微量元素 1、作用：各种不一样
2、来源：C、N源，以盐的形式补充 3、用量：根据具体的产品，以实验决定，
4、使用注意点 A. 对于其它渠道有可能带入的过多的某种无机离子和 微量元素在发酵过程中必须加以考虑 例：铁离子 青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20μg/ml 发酵罐必须进行表面处理
多种肠道菌群用EMB培养基来鉴别
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第二节 工业发酵中营养基质的种类
四、发酵生产的培养基—种子、孢子、发酵培养基
孢子培养基：供菌种繁殖孢子，常采用固体培养基，目的是在使发酵菌种不发 生变异的前体下尽可能多的产生孢子。基本要求是在营养基本保证、理化条件 适宜的前提下，营养不要太丰富（特别是有机氮源），否则不易产孢子。 生产商常用的：麸皮培养基、小米培养基、大米培养基、玉米培养基等。
大多数微生物都能在此培养基上生长繁殖。因此，在微生物工业生产上和试验研 究中被广泛使用。
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第二节 工业发酵中营养基质的种类
二、固体、液体、半固体培养基
液体培养基（liquid medium）：常用于大规模的工业生产及生理代谢等基本理论 研究工作。发酵工业多用作培养种子和发酵的培养基。根据微生物对氧的要求情况， 分别作根据微生物对氧的要求情况，分别作静 止或通风搅拌培养。在菌种筛选工作和菌种扩
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B、使用时注意盐的形式（pH的变化）
例：黑曲酶NRRL-330，生产α-淀粉酶，P对酶活的影响
不加
加 K2HPO4 加 KH2PO4
pH
酶活
4.25
120分钟
5.45
30分钟
4.62
75分钟
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四、生长因子、前体和产物促进剂 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。