生化生产生化生产工艺学工艺学湖南中医药大学湖南中医药大学药学院药学院 第三章第三章 培养基设计培养基设计和淀粉制糖工艺和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室微生物微生物工业生产的一般流程工业生产的一般流程种子扩大培养种子扩大培养培养基培养基配制配制空气除菌空气除菌培养基灭菌培养基灭菌发酵生产发酵生产下游处理下游处理发酵设备发酵设备2培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室培养基培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物细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养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。的条件。 发酵培养基的作用：发酵培养基的作用： 满足菌体的生长满足菌体的生长 促进产物的形成促进产物的形成3培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室葡萄糖或糖蜜 总量的10% 玉米浆 4%-5%苯乙酸 0.5%-0.8% 猪油或植物油、消泡剂 0.5%其余水生产青霉生产青霉素工艺培素工艺培养基养基(甘蔗或甜菜糖厂生产后的副产物，桔水）4培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则最佳培养基组成的确定最佳培养基组成的确定用于工业发酵的培养基用于工业发酵的培养基淀粉制糖工艺淀粉制糖工艺本章提纲本章提纲5培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物v微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物一、微生物细胞的化学组成一、微生物细胞的化学组成 营养物质的确定，主要依据细胞的化学组成及所代谢物的化学组营养物质的确定，主要依据细胞的化学组成及所代谢物的化学组成。因此，分析微生物细胞的化学组成是了解微生物营养的基础。成。因此，分析微生物细胞的化学组成是了解微生物营养的基础。 微生物成分细菌（%）酵母菌（%）霉菌（%）水分75-8570-8085-90蛋白质50-80（干重）72-7514-15碳水化合物12-2827-637-40脂肪5-202-154-40核酸10-206-81无机元素2-303.8-76-12由表可知，微物细胞含有物细胞含有80%左右的水分和左右的水分和20%左右的干左右的干物质，它主要物质，它主要是由是由C、H、O和和N等元素组等元素组成，约占全部成，约占全部干物质的干物质的90%至至97%，此外，此外还含有各种无还含有各种无机矿物质，依机矿物质，依次为：次为：PKMgCaSNa及微量及微量元素。元素。6培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物v微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物二、微生物二、微生物胞外代谢产物胞外代谢产物 微生物在生长过程中，除利用外源营养物质合成新的细微生物在生长过程中，除利用外源营养物质合成新的细胞外，还会产生一些有机化合物分泌到微生物的体外，这些胞外，还会产生一些有机化合物分泌到微生物的体外，这些胞外代谢产物的种类繁多，且因微生物的种类而异。因此，胞外代谢产物的种类繁多，且因微生物的种类而异。因此，了解这些代谢产物的化学组成，极有助于微生物培养时的了解这些代谢产物的化学组成，极有助于微生物培养时的营营养物质的选择养物质的选择和和代谢产物的积累代谢产物的积累。一般来说，微生物的胞外。一般来说，微生物的胞外代谢产物的主要包括下面四个部分：代谢产物的主要包括下面四个部分： 代谢副产物代谢副产物 中间代谢产物中间代谢产物 次级代谢产物次级代谢产物 胞外水解酶类胞外水解酶类7培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物v微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物二、微生物二、微生物胞外代谢产物胞外代谢产物1）代谢副产物）代谢副产物 这类产物主要是指伴随微生物细胞正常代谢作用所产生的一些小分子化合物。 如：CO2、H2、CH4等气体和乙醇、丙酮、丁醇、丙酸、乳酸等低分子量的醇类、脂肪酸类和酮类，其中许多物质是重要的化工原料。 产物名称用途主要生产菌甲烷能源奥式甲烷杆菌乙醇、异丙醇医药、化工原料、饮料等酵母菌异丙醇、丙酮、丁醇防冻剂、火胶溶剂、树胶等丁酸梭菌丙酮、丁醇、甘油重要的有机溶剂丙酮丁醇梭菌甘油、甘露醇溶剂、润滑剂、化妆品、硝化甘油炸药醇母菌甘露醇、乙酸合成树脂、增韧剂等曲霉菌乙酸食醋、化工原料产醋酸杆菌草酸印染、漂洗皮革、制造塑料和染料曲霉菌和青霉菌乳酸食品乳酸医药和化工原料乳酸菌8培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物v微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物二、微生物二、微生物胞外代谢产物胞外代谢产物2）中间代谢产物）中间代谢产物 指细胞在代谢途径中产生的用于合成蛋白质、核酸、类脂和多糖等细胞物质的一些小分子物质。 如氨基酸、核苷酸、有机酸和单糖的衍生物。中间代谢产物一般不分泌到微生物体外，而只有当微生物细胞生物合成受阻或外源碳源浓度较高的情况下，才会有大量的积累和外流。不少中间代谢产物也是重要的食品和化工原料。9培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物v微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物二、微生物二、微生物胞外代谢产物胞外代谢产物产物名称用途主要产生菌延胡索酸抗氧剂、合成树脂、染料黑根霉琥珀酸制漆、染料根霉菌苹果酸食品黑曲霉柠檬酸饮料、化工原料黑曲霉核黄素医药棉病囊霉谷氨酸味精谷氨酸棒杆菌肌苷酸调味品产氨短杆菌2）中间代谢产物）中间代谢产物10培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第一节 微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物v微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物微生物细胞的化学组成及胞外代谢产物二、微生物二、微生物胞外代谢产物胞外代谢产物3）次级代谢产物）次级代谢产物 这类代谢产物是指由微生物细胞合成的，分子比较复杂的一些化合物，它既不参与细胞的组成，又不是酶的活性基团，也不是细胞的储存物质，它们中的大多数分泌于微生物的体外。 如抗生素、毒素、激素和色素等。 4）胞外水解酶类胞外水解酶类 许多微生物可产生胞外水解酶类。这类水解酶包括淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶等。可用于食品、酿造、纺织、制革、医药和生化试剂等各个领域。 11培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质 构成细胞物质和代谢产物有关的营养物质构成细胞物质和代谢产物有关的营养物质 提供能量来源的营养物质提供能量来源的营养物质（用于生化合成反应、维持细胞结（用于生化合成反应、维持细胞结 构、建立细胞与环境间浓度梯度及分子的主动运输等）构、建立细胞与环境间浓度梯度及分子的主动运输等）定义：定义：能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质称为微生物的营养物质。需要的物质称为微生物的营养物质。（包括组成细胞的各种（包括组成细胞的各种化学元素、以及参与细胞组成、构成酶的活性成分与物质运输系统、化学元素、以及参与细胞组成、构成酶的活性成分与物质运输系统、提供机体进行各种生理活动所需的能量；同时也只有提供必须的水提供机体进行各种生理活动所需的能量；同时也只有提供必须的水分和充足的养分，才能有效地积累代谢产物）分和充足的养分，才能有效地积累代谢产物） 包括水分、碳源、氮源、无机元素、生长辅助物质包括水分、碳源、氮源、无机元素、生长辅助物质12培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质1）水分）水分 水既是为微生物细胞的重要组成成分（占细胞总量的80%90%），又是细胞进行生物化学反应的介质。微生物细胞对营养物质的吸收和代谢产品的分泌都必须借助水的溶解才能通过细胞膜，同时一定量的水分是维持细胞渗透压的必要条件。此外由于水的比热高，又是热的良好导体，它能够有效地调节细胞的温度。13培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关重要的，因为在对于发酵工厂来说，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。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水源质量的主要考虑参数包括pH值、溶解氧、可溶值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。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对于常规发酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清洁的水。水。第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质14培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质15培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室v啤酒酿造用水是指糖化用水、洗糟用水、啤酒稀释用水。可以使用地表水和地下水，其水质必须符合酿造用水质量要求。v一、酿造用水质量要求通常，软水适于酿造淡色啤酒，碳酸盐含量高的硬水适于酿制浓色啤酒。淡色啤酒用水要求为： 无色，无臭，透明，无浮游物，味纯正，无生物污染； 硬度低； 铁、锰含量低（含量高对啤酒的色、味有害，而且能引起喷涌现象）； 不含亚硝酸盐。16培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室17培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质2）碳源物质碳源物质 凡可构成微生物细胞和代谢产物中碳素骨架的营养物质凡可构成微生物细胞和代谢产物中碳素骨架的营养物质称为碳源。称为碳源。 微生物细胞中碳素含量一般占干物质的微生物细胞中碳素含量一般占干物质的50%，为生命活，为生命活动提供能源。动提供能源。（一）糖类：葡萄糖、糖蜜、玉米淀粉（一）糖类：葡萄糖、糖蜜、玉米淀粉（二）脂肪（二）脂肪（三）有机酸、醇（三）有机酸、醇（四）碳氢化合物（四）碳氢化合物18培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室v葡萄糖：是最常用的单糖v糖蜜：甜菜废糖蜜、甘蔗废糖蜜，内含生物素v淀粉：玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉等v易被菌体迅速利用的糖类对许多产物合成有调节作用，应控制其浓度，或与多糖组成混合碳源，有利于产物的形成。19培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 葡萄糖葡萄糖 所有的微生物都能利用葡萄糖所有的微生物都能利用葡萄糖但是会引起葡萄糖效应但是会引起葡萄糖效应q 工业上常用淀粉水解糖工业上常用淀粉水解糖,但是糖液必须达到一定的质但是糖液必须达到一定的质 量指标量指标第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质20培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 糖蜜糖蜜糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物。 糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%75%。一般糖蜜分。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。21培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质22培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室糖蜜使用的注意点：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。许多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。例：谷氨酸发酵例：谷氨酸发酵有害物质：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶）有害物质：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶） 生物素（发酵控制）生物素（发酵控制）预处理：澄清预处理：澄清脱钙脱钙脱除生物素脱除生物素例：柠檬酸发酵例：柠檬酸发酵有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成）有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成）预处理：预处理：黄血盐黄血盐23培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室淀粉、糊精淀粉、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、缺点：难利用、发酵液比较稠、一般发酵液比较稠、一般2.0%时加入一定的时加入一定的-淀粉酶淀粉酶成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。优点：来源广泛、价格底优点：来源广泛、价格底 难利用，可以解除葡萄糖效应难利用，可以解除葡萄糖效应24培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室例：地衣牙孢杆菌生产例：地衣牙孢杆菌生产-淀粉酶淀粉酶碳源对生长和产酶的影响碳源对生长和产酶的影响碳源碳源细胞量细胞量-淀粉酶淀粉酶葡萄糖葡萄糖4.20蔗糖蔗糖4.020糊精糊精3.0638.2淀粉淀粉3.0940.225培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室嗜碱芽胞杆菌(AC-2)中碳源对碱性纤维素酶分泌的影响结果：各种碳源相差不大结果：各种碳源相差不大推论：该菌种的碱性纤维素酶为组成型推论：该菌种的碱性纤维素酶为组成型26培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室脂肪脂肪v动、植物油，如豆油、玉米油、棉子油、猪油等v起消沫和补充碳源的双重作用v必须充分供氧v贮藏过程中易酸败27培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 有机酸 v可作碳源，还有调节pH值的作用 醇 v乙醇， 甘油，山梨醇 碳氢化合物 v石油产物，甲烷，乙烷，丁烷，十六烷烃28培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 工业上主要作为碳源的基质工业上主要作为碳源的基质 （1）糖类：如蔗糖、红糖或褐糖、糖蜜等；（2）麦芽汁（大麦小麦等糖化所得）；（3）淀粉（甘薯淀粉、玉米淀粉、大米淀粉等）。v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）。29培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质3）氮源物质）氮源物质 凡是能被微生物用来构成细胞物质中或代谢产物中凡是能被微生物用来构成细胞物质中或代谢产物中氮素来源的营养物质通常称为氮源。氮素来源的营养物质通常称为氮源。不同种类微生物对各种氮源的利用能力是不同的。固氮微生物能利用自然界中游离的分子态氮分子态氮，而更多的微生物则是利用无机含氮化合物无机含氮化合物，如铵盐和尿素，某些种类的放线菌、细菌和真菌能分解复杂的有机含氮化合物有机含氮化合物。此外，还有少数的细菌，如硝化细菌，能利用硝酸盐硝酸盐作为氮源和能源。30培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室v构成微生物细胞和代谢产物中氮素来源的营养物质，可补充碳源，是发酵的主要原料之一。（牛肉膏蛋白胨培养基）（牛肉膏蛋白胨培养基）v分无机氮源和有机氮源两大类31培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室1、无机氮源、无机氮源种类种类：氨盐、硝酸盐和氨水氨盐、硝酸盐和氨水特点：特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变的变化如：化如： (NH4)2SO42NH3+2H2SO4 NaNO3+4H2NH3+2H2O+NaOH 第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质3）氮源物质）氮源物质 32培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸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性物质的无机氮源叫生理酸性物质生理酸性物质，如硫酸胺，若菌体代谢，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后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质生理碱性物质，如，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的pH有积极作用。有积极作用。所以选择合适的无机氮源有两层意义：所以选择合适的无机氮源有两层意义： q 满足菌体生长满足菌体生长q 稳定和调节发酵过程中的稳定和调节发酵过程中的pH3）氮源物质）氮源物质 33培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室毛霉产蛋白酶的研究毛霉产蛋白酶的研究陈涛，中国酿造，2004初始pH的影响:pH偏酸比较好，中性蛋白酶影响大34培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室无机氮源的影响：硫酸铵硝酸铵硝酸钠尿素35培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室无机氮源的特点无机氮源的特点无机氮源的特点无机氮源的特点 1、成分单一，质量较稳定2、易被菌体吸收利用利用铵盐和硝酸盐能力强，铵离子被细胞吸收后还可直接利用，因而硫酸铵等铵盐被称为速效氮源。铵离子对多数产物合成有调节作用，应控制加入的浓度。3、改变培养液的pH值：生理酸性物质：代谢后能产生酸性物质的营养成分，如硫酸铵。生理碱性物质：代谢后能产生碱性物质的营养成分，如硝酸钠、乙酸钠等。36培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室2、有机氮源、有机氮源来源来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，花生饼花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋粉、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、废菌丝体和酒白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟糟。成分复杂成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还提供大量的无机：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。盐及生长因子。例例 玉米浆：玉米浆： 可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸 较多的乳酸较多的乳酸 硫、磷、微量元素等硫、磷、微量元素等37培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 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。38培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室氮源使用的一些相关问题：q 有机氮源和无机氮源应当混合使用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早期：容易利用易同化的氮源无机氮源无机氮源中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质q 有些产物会受氮源的诱导和阻遏有些产物会受氮源的诱导和阻遏例：例： 蛋白酶的生产蛋白酶的生产q 有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力q 开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣 的课题的课题39培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室有机氮源的特点有机氮源的特点 1、 成分比较复杂2、被菌体利用的速度不同玉米浆中氮源物质以蛋白质降解产物形式存在，易吸收和利用，为速效氮源速效氮源。黄豆饼和花生饼中氮原物质以大分子蛋白质形式存在，需进一步降解才能吸收利用，为迟效氮源迟效氮源。3、微生物对氨基酸的利用有选择性可直接利用，用于合成蛋白质和其他物质4、是引起发酵水平波动的主要因素产地不同，加工方法不同，质量不稳定，常引起发酵水平波动40培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室工业上主要作为氮源的基质工业上主要作为氮源的基质 （1）玉米浆：是由玉米生产淀粉或糖时得到的一种副产品。大约含4的氮，含有多种氨基酸，糖含量约为3.5，乳酸含量约为12；（2）大豆饼：是大豆榨油后的残渣，含氮约812，含碳水化合物约30，另外还含有多种矿物质和少量的油。（3）鱼粉：是鱼类下脚料加工而成的粉状物；41培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室工业上主要作为氮源的基质工业上主要作为氮源的基质（4）棉籽饼粉：由棉籽榨油后制成的粉末，含约56的蛋白质，24的碳水化合物，5的油和5灰分；（5）酵母浸出物：由酵母浸出而成，主要用于微生物的前培养。（6）蛋白质水解物：如牛肉膏、蛋白胨等，价格较贵主要用于斜面培养基。（7）发酵残液；有未被利用的氮源及大量微量元素，加糖后可再利用。42培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质4）无机元素）无机元素 无机元素也是微生物生长和代谢不可缺少的营养物质，主要作用主要作用是构成细胞的组织成分、作为酶的组成成分或维持酶的活性、调节细胞的渗透压、氢离子浓度、氧化还原电位等。某些自养微生物还可利用无机盐作为能源。 根据微生物对无机元素的需要量大小，可以分成主要无机元素和微量无机元主要无机元素和微量无机元素素。 主要无机元素包括磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等主要无机元素包括磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等，其中磷、硫的需要量较大，是构成细胞物质的重要成分，钾、钠、镁主要是调节和控制原生质的胶体状态、维持膜的透性并激发某些酶的活性。 微量无机元素包括钼、锌、钴、铜、硼、碘、溴等微量无机元素包括钼、锌、钴、铜、硼、碘、溴等，虽极微量地存在于微生物体内，但往往会强烈刺激微生物的生长发育。43培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室v铁 是菌体的细胞色素，细胞色素氧化酶和过氧化物酶的组成元素，是菌体生命活动的必需元素之一v镁，锌，钴 是某些酶的辅酶v钾 影响细胞膜的通透性v钠 具有维持细胞的渗透压的功能v钙 调节细胞的透性的作用，调节培养液中磷酸盐的含量44培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室1、作用：各种不一样、作用：各种不一样2、来源：来源：C、N源，以盐的形式补充源，以盐的形式补充3、用量：根据具体的产品，以实验决定用量：根据具体的产品，以实验决定4、使用注意点使用注意点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微量元素在发酵过程中必须加以考虑无机盐的微量元素无机盐的微量元素45培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室例：铁离子例：铁离子青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20g/ml发酵罐必须进行表面处理发酵罐必须进行表面处理B、使用时注意盐的形式（、使用时注意盐的形式（pH的变化）的变化）例例：黑曲酶黑曲酶NRRL-330,生产生产-淀粉酶，淀粉酶，pH对酶活的影响对酶活的影响pH酶活酶活不加不加4.25120分钟分钟加加K2HPO45.4530分钟分钟加加KH2PO44.6275分钟分钟无机盐的微量元素无机盐的微量元素46培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质5）生长辅助物质）生长辅助物质 生长辅助物质是在微生物生长发育过程中不可缺少而需生长辅助物质是在微生物生长发育过程中不可缺少而需要量又极少的一类特殊营养物质要量又极少的一类特殊营养物质，包括维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶类碱基等，这些营养物质是辅酶和核酸的组成成分。因此缺少生长辅助物质，微生物的新陈代谢就不能正常进行。在自然界中，自养细菌和许多腐生细菌、霉菌都能自己合成各种生长辅助物质，而不需要另外供给。但许多微生物却缺少合成一种或几种生长辅助物质的能力，必须另外添加才能维持正常的生长和发育。营养物质中的酵母浸出物和麦芽浸酵母浸出物和麦芽浸出物出物等都含有丰富的生长辅助物质。47培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机从广义上讲，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。物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。 1、生长因子、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型，以生物素为生长因子, ,生长因子对发酵的调控起到重生长因子对发酵的调控起到重要的作用要的作用 。 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少的生长因子48培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 前前体体指指某某些些化化合合物物加加入入到到发发酵酵培培养养基基中中，能能直直接接彼彼微微生生物物在在生生物物合合成成过过程程中中合合成成到到产物物物物分分子子中中去去，而而其其自自身身的的结结构构并并没没有有多多大大变变化化，但但是是产产物物的的产产量量却却因因加加入入前前体体而而有有较较大大的提高。的提高。2、前体、前体青霉素：分子量青霉素：分子量356苯乙酸苯乙酸:分子量分子量13649培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室用法用法：前体使用时普遍采用流加的方法：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，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。流加也有利于提高前体的转化率。作用作用：前体有助于提高产量和组份：前体有助于提高产量和组份50培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室3、产物促进剂、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。非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。51培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方面的。面的。有些促进剂本身是酶的诱导物；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；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；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。有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。52培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室消泡剂消泡剂 v消除发酵中产生的泡沫，防止逃液和染菌，保证消除发酵中产生的泡沫，防止逃液和染菌，保证生产的正常运转。生产的正常运转。v常用：植物油脂、动物油脂和一些化学合成的高常用：植物油脂、动物油脂和一些化学合成的高分子化合物。分子化合物。第二节 微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质53培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室54培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型一、微生物的营养物质一、微生物的营养物质6）气体）气体 与微生物生长有关的主要气体是氧气和二氧化碳。此外有些细菌还能利用空气中的氮气。根据微生物对氧的需求，可分为三类。 A.专性好氧微生物专性好氧微生物 包括全部的霉菌、大部分的放线菌及部分的细菌。B.专性厌氧微生物专性厌氧微生物 只能在没有空气或无氧的条件下才能生长，包括部分细菌、放线菌。C.兼性微生物兼性微生物 既能在有空气或有氧的条件下生长，又能在没有空气或无氧的条件下生长，包括酵母菌及部分细菌。55培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型二、微生物的营养类型二、微生物的营养类型 根据微生物对碳源和能源需求的不同，可将微生物分成光能自养、光能异养、光能自养、光能异养、化能自养和化能异养化能自养和化能异养四种类型。 1）光能自养微生物）光能自养微生物 细胞内含有光和色素，能进行光合作用的，以光作为能源，以某些无机物做氢受体还原二氧化碳来合成有机化合物的一类微生物属于光能自养型微生物，如藻类、蓝细菌、绿色细菌和紫色硫细菌等。2）光能异养微生物）光能异养微生物 以光作为能源，利用有机物作为碳源的一类微生物称为光能异养微生物，这类微生物大多需要外源的生长辅助因素才能维持正常的生长发育。例如，红螺细红螺细菌菌利用异丙醇作为氢受体进行光合作用，并积累丙酮。56培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第二节 微生物的营养物质和营养类型v微生物的营养物质和营养类型微生物的营养物质和营养类型二、微生物的营养类型二、微生物的营养类型3）化能自养微生物）化能自养微生物 以无机物氧化所产生的化学能作为能源，以二氧化碳作为碳源合成有机物的一类微生物称作化能异养微生物。能生长在完全的无机物环境中，分别氧化各自适宜的还原态无机物质，获取还原二氧化碳所需的能量，如硝化细菌、硫化细菌、亚硝化细菌、铁细菌和氢细菌等。4）化能异养微生物）化能异养微生物 以有机物作为能源和碳源的微生物称为化能异养微生物。大多数细菌、全部放线菌、真菌和原生动物都属于这类微生物。目前在发酵生产中应用的微生物大多属于这一营养类型。 当然，上述对微生物营养类型的分类也不是绝对的上述对微生物营养类型的分类也不是绝对的。许多微生物因其生长环境条件的改变而使营养需求发生变化。例如，氢细菌既能在完全无机环境中利用氢细菌既能在完全无机环境中利用氢的氧化所释放的能量将二氧化碳还原成有机物，又能在有机物存在的环境下异氢的氧化所释放的能量将二氧化碳还原成有机物，又能在有机物存在的环境下异养生活。养生活。57培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则一、培养基的分类一、培养基的分类1）根据营养物质的来源不同）根据营养物质的来源不同 天然培养基天然培养基是指用于天然有机物配制而成的一类培养基，具有营养丰富、制营养丰富、制备容易、来源广泛及适合于大规模培养微生物备容易、来源广泛及适合于大规模培养微生物等特点。不足之处是营养成分不够营养成分不够清楚、稳定性差清楚、稳定性差。牛肉膏、蛋白胨、玉米浆、麦芽汁和马铃薯等均属于此类培养基。 合成培养基合成培养基是指用化学成分完全清楚的物质配制而成的一类培养基。其特点是营养成分完全清楚，缺点是配制较为复杂，微生物生长比较缓慢。合成培养基不适宜用于大规模生产，而主要用于鉴定微生物的生理生化特性及定量分析某些营养物质。 半合成培养半合成培养基则是指以一部分天然物质作为碳源、氮源及生长辅助物质的来源，再适当补充少量的盐，经人工配制而成的一类培养基。这类培养基能适合很多微生物的正常生长，来源广泛，价格也比较便宜，已被广泛用于微生物的大规模培养过程中。58培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则一、培养基的分类一、培养基的分类M培养基培养基(1L)：Na2HPO46g，KH2PO43g，NaCl0.5g，NH4Cl1g，MgSO47H2O0.5g，CaCl20.011g，葡萄糖，葡萄糖2-10g,pH7.0YPS培养基：酪蛋白胨（日本大五营养）培养基：酪蛋白胨（日本大五营养）10g，酵母，酵母提取物（英国提取物（英国Oxoid）5g,NaCl10g，PH7.2 培养大肠杆菌常用两种培养基：培养大肠杆菌常用两种培养基：59培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则一、培养基的分类一、培养基的分类2）根据培养基状态不同）根据培养基状态不同 液体培养基液体培养基是指将微生物所需的营养物质用水溶解并混合在一起，再经调节适宜的酸碱度后制成为液体状态的培养基质。微生物可在这类培养基中很好地与营养物质接触，极利于微生物的生长和代谢产物的积累，因此已被广泛应用于微生物的大规模培养或科学研究中。 在配制好的液体培养基中加入一定量的凝固剂（如1.5%2%的琼脂），经煮沸溶解并冷却后制成的培养基就是固体培养基固体培养基。加入少量的凝固剂（如0.5%的琼脂）于液体培养基中，经煮沸溶解并冷却后制成的培养基就是半固体培养基半固体培养基。固体培养基、半固体培养基可制成试管斜面或平板，用于对微生物形态、培养特征、菌落计数的研究及观察菌体的运动等。60培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则一、培养基的分类一、培养基的分类61培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则一、培养基的分类一、培养基的分类3）根据培养基的用途不同）根据培养基的用途不同 按某种微生物的营养特性在培养基中加入有利于该微生物生长、繁殖的营养物质，以提高对该微生物的分离效率。这些在微生物增殖过程中加入的营养物质就称为增殖培养基增殖培养基。 培养基中添加一些对某种微生物有抑制作用而对所需微生物又无影响的物质，从而使这类培养基对某种微生物有严格的选择性，这类培养基就称为选择培养基选择培养基。 鉴别培养基鉴别培养基是指添加有某种指示剂的培养基，使不易于区别的多种微生物经培养后，由于代谢的不同而对指示剂反应呈现出明显的差异，从而有助于鉴别不同的微生物。 另一种分类：斜面培养基、种子培养基、发酵培养基62培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室63培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则二、培养基的选择二、培养基的选择1）从微生物的特点来选择培养基）从微生物的特点来选择培养基 细菌、酵母菌、霉菌、放线菌2）液体和固体培养基的选择）液体和固体培养基的选择 液体培养基营养物质完全溶解于水中，这样微生物可以充分接触和利用营养物质，有利于微生物的生长和更好地积累代谢产物。工业上利用液体培养基进行工业上利用液体培养基进行的深层发酵具有发酵效率高、操作方便，便于机械化、自动化、降低劳动强度、的深层发酵具有发酵效率高、操作方便，便于机械化、自动化、降低劳动强度、占地面积小、产量高等优点，占地面积小、产量高等优点，所以发酵工业大多数采用液体培养基培养种子和进行发酵，并根据微生物对氧气的需求，分别做静止或通风培养。 固体培养基则常用于微生物菌种的保藏、分离、菌落特性鉴定、活细胞数测固体培养基则常用于微生物菌种的保藏、分离、菌落特性鉴定、活细胞数测定等方面定等方面，此外工业上也常用一些固体原料，如小米、大米、麸皮、马铃薯等直接制作成斜面或茄子瓶来培养霉菌、放线菌。64培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则二、培养基的选择二、培养基的选择3）从生产实践和科学试验的不同要求选择）从生产实践和科学试验的不同要求选择 生产过程中，从菌种的保藏、种子的扩大培养到发酵生产等各个阶段的目的和要求是不同的，因此，所选择的培养基也应该有区别。一般来说，种子培养基种子培养基主要是供微生物菌体的生长和大量增殖。主要是供微生物菌体的生长和大量增殖。为了在较短的时间内获得数量较多的强壮的种子，种子培养基要求营养丰富、完全，氮源、维生素的比例应较高，所用的原料也应易于微生物菌体的吸收和利用，常用葡萄糖、硫酸铵、尿素、玉米浆、蛋白胨、酵母膏、麦芽汁、米曲酶等作为原料配制培养基。而发酵培养基发酵培养基除需要维持微生物菌体的正常生长外，主要是要求合成发酵产物，所以发酵培养基中碳主要是要求合成发酵产物，所以发酵培养基中碳源物质的含量往往要高于种子培养基。源物质的含量往往要高于种子培养基。当然，发酵培养基还应考虑便于发酵操作，以及不影响产物的提取分离和产品的质量。65培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则二、培养基的选择二、培养基的选择4）从经济效益选择生产原料）从经济效益选择生产原料 从科学研究的角度出发，培养基的经济性通常是不被那么重视，而对于生产过程来讲，由于配制发酵培养基的原料大多是粮食、油脂、蛋白质等，且工业发酵消耗原料量大，因此，在工业发酵中选择培养基原料时，除了必须考虑容易被微生物利用并满足生产工艺的要求外，还应考虑到经济效益应考虑到经济效益，以物美价廉、运输方便、就地取材及没有毒性等为原则选择配制培养基。66培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则三、培养基的配制原则三、培养基的配制原则1）根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基）根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基 不同的微生物所需要的培养基成分是不同的，要确定一个合适的培养基，就需要了解生产用菌种的来源、生活习惯、生理生化特性和一般的营养要求，根据不同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等确定针对性强的培养基配方。67培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则三、培养基的配制原则三、培养基的配制原则2）营养成分的恰当配比）营养成分的恰当配比 实践证明，只有培养基营养物质浓度合适时，微生物细胞才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足正常生长的需要，而浓度过高时则可能对细胞生长起抑制作用，因此微生物所需的营养物质之间应有适当的比例，培养基中的碳和氮的比例（C/N）在发酵工业中尤其重要。如培养基中氮源过多，会引起微生物生长氮源过多，会引起微生物生长过于旺盛，而不利于产物的积累；氮源不足，则微生物菌体生长过于缓慢。当培过于旺盛，而不利于产物的积累；氮源不足，则微生物菌体生长过于缓慢。当培养基中的碳源供应不足时，容易引起微生物菌体的衰老和自溶。养基中的碳源供应不足时，容易引起微生物菌体的衰老和自溶。培养基的碳氮比不仅会影响微生物菌体的生长，同时也会影响到发酵的代谢途径。不同的微生物菌种、不同的发酵产物所要求的碳氮比是不同的，即使是同一微生物在不同的培养阶段，对培养基的碳氮比的要求也是不一样的。68培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则三、培养基的配制原则三、培养基的配制原则3）渗透压）渗透压 营养物质浓度太低，不仅不能满足微生物生长对营养物质的需求，而且也不利于提高发酵产物的产量和提高设备的利用率。但是，培养基中营养物质的浓度也不能过高，当营养物质浓度过高时，由于培养基溶液的渗透压太大，会抑制微生物的生长。 在发酵生产过程中，在不影响微生物的生理特性和代谢转化率的情况下，通常趋向在较高浓度下进行发酵，以提高产物产量，并尽可能选育耐高渗透压的生产菌株。 4）pH 霉菌和酵母菌比较适于微酸性环境，放线菌和细菌适于中性或微碱性环境。 5）氧化还原电位）氧化还原电位69培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第三节 培养基的分类、选择和配制原则v培养基的分类、选择和配制原则培养基的分类、选择和配制原则三、培养基的配制原则三、培养基的配制原则 在配制培养基时，除注意以上几条原则外，还要考虑到营养成分的加入顺序。考虑到营养成分的加入顺序。为了避免生产沉淀而造成营养成分的损失，加入的顺序一般为先加入缓冲化合物，溶解后加入主要元素，然后是微量元素，最后加入维生素等生长素类物质。 如甲醇酵母的基础发酵培养基甲醇酵母的基础发酵培养基：磷酸、硫酸钙、硫酸钾、硫酸镁、氢氧化钾、甘油。70培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第四节 最佳培养基组成的确定v最佳培养基组成的确定最佳培养基组成的确定 培养基的组成必须符合微生物细胞的生长、繁殖和产物生成的各种要求，需要从营养物质的种类、浓度、比例及缓营养物质的种类、浓度、比例及缓冲能力、黏度、杂质含量冲能力、黏度、杂质含量等方面加以确定。能否设计出一个好的发酵培养基，是一个发酵产品工业能否设计出一个好的发酵培养基，是一个发酵产品工业化成功中非常关键的一环。化成功中非常关键的一环。 对发酵培养基进行科学的设计，包括两个方面的内容：对发酵培养基进行科学的设计，包括两个方面的内容： 对发酵培养基的成分及原辅料材料的特性有较为详细的了解；对发酵培养基的成分及原辅料材料的特性有较为详细的了解； 在此基础上结合具体微生物和发酵产品的代谢特点及对培养基的成在此基础上结合具体微生物和发酵产品的代谢特点及对培养基的成分进行合理的选择和优化。分进行合理的选择和优化。71培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室 培养基的设计和优化过程一般需要经过培养基组分初步确定（结合先前的经验及必须考虑的初步确定（结合先前的经验及必须考虑的一些问题）、培养基组分及其最适浓度的确定一些问题）、培养基组分及其最适浓度的确定（单因子优化），以及培养基组分及其合适浓度（单因子优化），以及培养基组分及其合适浓度的优化（多因子优化、正交、响应面）的优化（多因子优化、正交、响应面）三个步骤。第四节 最佳培养基组成的确定v最佳培养基组成的确定最佳培养基组成的确定72培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第四节 最佳培养基组成的确定v最佳培养基组成的确定最佳培养基组成的确定一旦确定了培养基的化学组成后，还需要根据各种情况一旦确定了培养基的化学组成后，还需要根据各种情况确定原料的组成，使确定的培养基能符合经济效益要求。这确定原料的组成，使确定的培养基能符合经济效益要求。这些情况主要有：些情况主要有：1.根据原料成分调整培养基配比；根据原料成分调整培养基配比；2.根据原料的的物理特性调整培养基配比；根据原料的的物理特性调整培养基配比；3.根据原料的来源、储运、取材、价格等调整培养基配比；根据原料的来源、储运、取材、价格等调整培养基配比；4.根据生产设备要求调整培养基配比；根据生产设备要求调整培养基配比；5.根据生产工艺需要调整培养基配比；根据生产工艺需要调整培养基配比；6.根据所要培养的微生物细胞特性调整培养基配比；根据所要培养的微生物细胞特性调整培养基配比；7.根据非营养作用的特殊要求调整培养基配比。根据非营养作用的特殊要求调整培养基配比。73培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室生产青生产青霉素工霉素工艺培养艺培养基基葡萄糖或糖蜜 总量的10% 玉米浆 4%-5%苯乙酸 0.5%-0.8% 猪油或植物油、消泡剂 0.5%其余水从微生物的营养要求来看，所有的微生物都需要水、能源、碳源、无机元素及生长辅助物质，如果是好氧微生物则还需要氧气。在实验室规模上配制含有纯化合物的培养基是相当简单的，虽然它能满足微生物的生长要求，但在大规模生产上往往是不适合的。 在发酵工业中，必须使用廉价的原料来配制培养基，尽可能地满足下列条件：在发酵工业中，必须使用廉价的原料来配制培养基，尽可能地满足下列条件：每克消耗的底物将产生最大的菌体得率或产物得率；能产生最高的产品或菌体的浓度；能得到产物形成的最大速率；副产品的得率最小；价廉并具有稳定的质量；来源丰富且供应充足；在通气和搅拌、提取、纯化、废物处理及生产工艺过程都比较容易。第五节第五节 用于工业发酵的培养基用于工业发酵的培养基74培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第五节 用于工业发酵的培养基v用于工业发酵的培养基用于工业发酵的培养基 培养基的选择还会影响培养基的选择还会影响到发酵罐的设计。到发酵罐的设计。 例如用甲醇和氨生产单例如用甲醇和氨生产单细胞蛋白是用气提式反应细胞蛋白是用气提式反应器代替普通的机械通用搅器代替普通的机械通用搅拌罐，从而克服了由于高拌罐，从而克服了由于高速通气和高速搅拌所产生速通气和高速搅拌所产生的热量问题，并节约了能的热量问题，并节约了能源，同样如果发酵罐是现源，同样如果发酵罐是现成的，将很明显限制了培成的，将很明显限制了培养基的选择。养基的选择。 75培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室76培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第五节 用于工业发酵的培养基v用于工业发酵的培养基用于工业发酵的培养基 一个过程从实验室放大到中试规模，最后到工业生产由于放大效应还会产生各种各样的问题。比如实验室使用的培养比如实验室使用的培养基在大型的发酵罐中，由于此时基在大型的发酵罐中，由于此时气液传递速率降低气液传递速率降低不是最理不是最理想的，想的，高粘度的培养基高粘度的培养基显然要消耗更高的搅拌功率。除了能显然要消耗更高的搅拌功率。除了能满足生长和产品形成的要求外，培养基也会影响到满足生长和产品形成的要求外，培养基也会影响到PH的变的变化化、泡沫的形成泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态氧化还原电位和微生物的形态。在培养基。在培养基中，有时也需要添加前体物质或代谢的抑制剂，以促进产物中，有时也需要添加前体物质或代谢的抑制剂，以促进产物的形成。的形成。 77培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第五节 用于工业发酵的培养基v用于工业发酵的培养基用于工业发酵的培养基一、工业上经常使用的碳源一、工业上经常使用的碳源 在微生物发酵过程中，普遍以碳水化合物作为碳源。使用最广的碳水化合物是玉玉米米淀淀粉粉，也可使用来自其其他他谷谷物物、马马铃铃薯薯、木木薯薯的的淀淀粉粉。淀粉可用称酸和酶快速水解产生不同的葡萄糖制备物，用酸水解得到的葡萄糖产物会含少量有毒物质酸水解得到的葡萄糖产物会含少量有毒物质。 蔗蔗糖糖一一般般来来自自甘甘蔗蔗或或甜甜菜菜，在在发发酵酵培培养养基基中中常常用用甜甜菜菜或或甘甘蔗蔗糖糖蜜蜜，它它们们是是在在糖糖精制过程中留下的残液。玉米浆是玉米提取玉米淀粉后留下的副产品。精制过程中留下的残液。玉米浆是玉米提取玉米淀粉后留下的副产品。 碳源碳源 来源来源 葡萄糖葡萄糖 纯葡萄糖、水解淀粉纯葡萄糖、水解淀粉 乳糖乳糖 纯乳糖、乳清粉纯乳糖、乳清粉 淀粉淀粉 大麦、花生粉、燕麦、黑麦粉、大豆粉等大麦、花生粉、燕麦、黑麦粉、大豆粉等 蔗糖蔗糖 甜菜糖蜜、甘蔗糖蜜、粗红糖、精白糖等甜菜糖蜜、甘蔗糖蜜、粗红糖、精白糖等 78培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第五节 用于工业发酵的培养基v用于工业发酵的培养基用于工业发酵的培养基二、工业上经常使用的氮源二、工业上经常使用的氮源 工业生产上所用的微生物都能利用无无机机或或有有机机氮氮源源，无机氮源包括了氮气、铵盐或硝酸盐等。有机氮源包括了玉米浆、豆饼为、花生饼粉、棉籽粉、酒精干燥可溶物、酪蛋白水解液、屠场废物、鱼粉、酵母浸出液等。一般来讲，有有机机氮氮源源更更有利于微生物生长。有利于微生物生长。 工业上常用的氮源及含量工业上常用的氮源及含量79培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第五节 用于工业发酵的培养基v用于工业发酵的培养基用于工业发酵的培养基三、工业上常用的无机元素三、工业上常用的无机元素 工业生产上，常使用合成培养基，因此需要添加诸如镁、磷、钾、硫、钙、钴、铜等无机元素。常用无机元素的浓度范围如下表所示。无机元素的常用添加浓度范围（单位：无机元素的常用添加浓度范围（单位：g/L）80培养基设计和淀粉制糖工艺培养基设计和淀粉制糖工艺湖南中医药大学药学院湖南中医药大学药学院 生物工程教研室生物工程教研室第五节 用于工业发酵的培养基v用于工业发酵的培养基用于工业发酵的培养基四、添加前体物质和代谢调节物质四、添加前体物质和代谢调节物质 工业发酵过程中通常要添加一些有助于产物的形成，而对菌体生长影响不大的前体物质、抑制剂或诱导剂等代谢调节物质。 常用的辅助生长因子及来源常用的辅助生长因子及来源81