第四章_发酵工业培养基及原料处理
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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。
重要营养基质的配制方法
第三节 培养基的选择和优化
一、培养基的选择
(1)首先必须做好调查研究工作,了解菌种的来源、生活习惯、生理 生化特性和一般的营养要求(见表 四大类微生物的典型培养基)。 工业生产主要应用细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类微生物。 它们对营养的要求既有共性,也有各自的特性,应根据不同类型微 生物的生理特性考虑培养基的组成。
重要营养基质的配制方法
本章主要内容
• 第一节 发酵营养基质的组成 • 第二节 工业发酵中营养基质的种类 • 第三节 培养基的确定和优化 • 第四节 原料的选择及工业发酵中
重要营养基质的配制方法
第一节 发酵营养基质的选择
培养基是指利用人工方法配制的供微生物、 植物和动物细胞生长繁殖或积累代谢产物的各种 营养物质的混合物。主要用于微生物等的分离、 培养、鉴定以及菌种保藏等方面。工业发酵培养 基除了包含微生物生长繁殖所必须的碳源、氮源、 能源、无机盐、生长因子和水等营养成分,有的 还含有某些前体、产物促进剂和抑制剂等。
本章主要内容
• 第一节 发酵营养基质的组成 • 第二节 工业发酵中营养基质的种类 • 第三节 培养基的确定和优化 • 第四节 原料的选择及工业发酵中
重要营养基质的配制方法
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。
– 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。
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。
物质在微生物细胞中的含量很高。占细胞干物质50%。 碳
源物质为细胞提供能量 、组成菌体细胞成分的碳架、构成
代谢产物。 常用的碳源物质包括糖类、脂类、有机酸、低
碳醇。
糖
蜜
⃰ 葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、糊精、淀粉等糖类物质,是细菌、 放线菌、霉菌、酵母利用的碳源。其中,葡萄糖是碳源中最容易 利用的单糖,几乎所有微生物都能利用葡萄糖。(葡糖效应和中 期溶氧不足)
2. 有机氮源 • 主要成分复杂的工农业下脚料,包括豆粉、玉米粉、豆饼、
鱼粉、蚕蛹粉、酿酒工业的酒糟等。 米粉、豆饼、鱼粉、 蚕蛹粉、酿酒工业的酒糟等。
• 玉米浆:一般含10%左右的乳酸,pH值在4左右,一般用 于抗生素发酵。
• 尿素(脲) :抗生素和氨基酸发酵,尤其是谷氨酸的生 产。能分泌脲酶的微生物才能利用。氮含量高达50%,但 是营养成分单一。
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。
• 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。
• 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 和鉴定菌种方面是不可缺少。
• 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。
• 碳水化合物等有机物,石油天然气和 石油化工产品------异养微生物能源, 同时也是碳源物质。
New Biofuel technology using sunlight and micro-organisms could change the industry
二、碳源
功能:碳源物质是组成培养基的主要成分之一,因为碳源
第四章 发酵工业培养基 及原料处理
• 发酵工业培养基是工业发酵微生物生长和 分泌发酵产物的营养基质。发酵工业培养 基的设计、原料处理和配制是发酵工程的 重要操作单元之一。
本章主要内容
• 第一节 发酵营养基质的组成 • 第二节 工业发酵中营养基质的种类 • 第三节 培养基的确定和优化 • 第四节 原料的选择及工业发酵中
一、能源
功能:微生物生长、繁殖、合成、分 解、运动、热的产生等,即微生物的 一切行为都需要消耗能源。
• 光能------光能自养菌的能源。如:小 球藻、螺旋藻利用光能生产单细胞蛋 白;嗜盐藻利用光能生产甘油、β-胡 罗卜素和单细胞蛋白等。
• 氢、硫、氨、亚硝酸盐、亚铁盐-----化能自养微生物的能源。如:细菌炼 铜所使用的氧化亚铁硫杆菌,将亚铁 盐作为能源。
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大培养工作中,也常用液体培养基进行摇瓶培 养。
2、抑制剂:一些对生产菌代谢途径有某种调节能力的物质。
➢ 抑制某些代谢途径的进行,同时刺激另 一个代谢途径,之一改变代谢 途径,如:酵母厌氧发酵中加入亚硫酸盐或碱类,可以促 进酒精发酵 转入甘油发酵。
➢ 淘汰杂菌的抑制剂,如:真菌发酵中加入抗生素; 带抗生素抗性的工 程菌发酵中加入该抗生素, 淘汰非重组细胞或突变细胞。
粉
⃰ 有机酸:有机酸或Fra Baidu bibliotek们的盐类或醇类能做为碳源。pH会有变化。
⃰ 烃类:碳酸气、石油、正构石蜡、天然气、甲醇、乙醇等石油化 工产品,也是许多微生物碳源。如:嗜甲烷棒状杆菌利用甲醇为 碳源产生单细胞蛋白;乳糖发酵短杆菌,以乙醇为碳源生产谷氨 酸。
三、氮源
功能:氮源物质构成菌体细胞结构物质(氨基酸、蛋白质、 核酸);为微生物提供能源;合成含氮的代谢产物。 常用的氮源分为两类:无机氮源和有机氮源。 1. 无机氮源 • 主要包括氨水、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等。其被利用速 度及吸收速度均快于有机氮源,也被称为速效氮源。一般 情况下作为辅佐氮源。 • 生理酸性氮源和生理碱性氮源常被用来做发酵过程中培养 基pH调节的一种有效手段。
八、水
(1) 水是良好的溶剂,菌体所需要的营养物质都是溶解于 水中被吸收的。
(2) 渗透、分泌、排泄等作用都是以水为媒介的; (3) 水直接参与代谢作用中的许多反应。所以,水在生物
化学反应中占有极为重要的地位。 (4) 水的比热高,能有效地吸收代谢过程中所放出的热,
使细胞内温度不致骤然上升。 (5) 水是热的良导体,有利于放热,可调节细胞的温度。
• 蛋白胨(动物组织和植物水解制备):实验室用有机氮源
鱼粉 酒糟
四、无机盐及微量元素
功能:构成菌体的成分;酶的组成部分或其激活剂、抑制 剂;调节渗透压、菌体内部pH以及氧化还原电位等等。 • 大量元素(0.1~1mM),包括P、S、K、Mg 、Ca、Na、 Fe,常常以盐的形式加入培养基。如:磷酸盐,钾盐,镁 盐,钙盐等。 • 微量元素(0.01 ~ 1mM),包括Cu、Zn、Mn、Mo和Co 等,Co是发酵微生物 B12 的激活剂。 • K,Na,Ca等离子虽然不是细胞的组成成分,但是与维持细 胞的一定渗透压和细胞透性相关,并且是许多酶得得激活 剂。
• 不同青霉素的侧链不同: • 青霉素V--- ---苯氧乙酸 • 链霉素--- ---肌醇、甲硫氨酸、精氨酸 • 红霉素--- ---丙酸、丙醇、丙酸盐、乙酸盐 • ……
七、促进剂和抑制剂
1、促进剂:并不是前体或营养物质,但却能提高产量的物质。
作用方式: 或影响微生物正常代谢;或促进中间产物的累积;或提高 次级代谢产物量。 ➢ 如:巴比妥盐能增加生产菌菌丝的抗自溶能力,达到推迟菌体自溶目的, 增加链霉素和利福霉素等抗生素的累积。 ➢ 如:谷氨酸棒状杆菌生产赖氨酸的时候,加入红霉素可以提高产量25% 以上,加入表面活性剂可以增加产量30%以上。
蓝白筛选平板
多种肠道菌群用EMB培养基来鉴别
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。
• 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。
⃰ 其他糖类:蔗糖、麦芽糖、乳糖等双糖也是常用的碳源。多糖如 淀粉和纤维素。淀粉还可以克服葡萄糖代谢过快的弊病,并且价 格低廉,来源丰富。蔗糖、麦芽糖、乳糖等双糖常用于抗生素、 氨基酸、酶类的发酵。
淀
⃰ 酯类:如植物油,动物油等脂类,具备较活跃的脂肪酶的微生物 可利用脂类为碳源,但是耗氧量会增加,因此要提供更多的氧。
六、前体物质
• 前体物质指添加到培养基中的物质,并不促进微生物生长, 而是直接经微生物的生物合成过程结合到产物分子上去, 其自身结构基本不变,而产物产量却因此提高。
– 可看作是一种底物。 – 过量则对菌体有毒!方式:流加。
• 例子:最早在青霉素发酵中发现前体物质。发现添加玉米 浆可提高青霉素G的含量,深入研究发现玉米浆含有苯乙 酸,苯乙酸是青霉素G的侧链,即苯乙酸是青霉素G发酵 的前体物质。
(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。
本章主要内容
• 第一节 发酵营养基质的组成 • 第二节 工业发酵中营养基质的种类 • 第三节 培养基的确定和优化 • 第四节 原料的选择及工业发酵中
– 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。
– 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。
(2)其次,对生产菌种的培养条件,生物合成的代谢途径,代谢产物 的化学性质、分子结构、一般提炼方法和产品质量要求等也需要有 所了解,以便在选择培养基时做到心中有数。
(3)最好先选择一种较好的化学合成培养基做基础,开始时先做一些 摇瓶试验; 然后进一步做小型发酵罐培养,摸索菌种对各种主要有机碳源 和氮源的利用情况和产生代谢产物的能力。 注意培养过程中的pH变化,观察适合于菌种生长繁殖和适合于 代谢产物形成的两种不同pH,不断调整配比来适应上述各种情况。
五、生长因子
功能:生长因子为微生物必不可少的物质,一般为小分子 有机物,需求量很小。
• 包括:维生素、碱基等。维生素中需求量最大的为B族维 生素,多为生化代谢中的辅酶。
• 一般不需要单独添加。天然原料(玉米浆、糖蜜、豆饼水) 及实验室培养基(酵母膏)等都已经含有。
• 应用实例:生物素——合成生物质膜的重要辅酶,不足会 造成细胞膜不完整,细胞内容物的渗漏。添加亚适量 (5mg/L),可即使菌体生长少受抑制也可以使过多的谷 氨酸因外泄而源源不断地合成。