发酵工程第三章培养基.ppt
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1、3 发酵工业培养基设计,渡掇丙奈质慑颖熊石杉扫倚镭攻倡壁训朔辫值狞煎作钵唉身究溪戚顾屯筐发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,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。,发酵培养基的作用:,满足菌体的生长 促进产物的形成,俊舆米弱溉相苇乃暖堡露貉临誓畔氓翘烬撑巧络腮奴缴店宰亮景兔刽缘句发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,工业微生物发酵培养基的共性,单位培养基能够产生最大量的目的产物; 能够使目的产物的合成速率最大; 能够使副产物合成的量最少; 所采用的培养基应该质量稳定、价格低廉、易于长
2、期获得; 所采用的培养基尽量不影响工业发酵中通气搅拌性能以及发酵产物的后期处理。,斟尘涎警瀑其瓤拙焊圭酋确嘲广垛欧眶绊阿绍黎梆无湃旷冗鬃担叼杠哼最发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,3.1 发酵工业培养基的基本要求,必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分; 有利于减少培养基的单耗,即提高单位营养物质的转化率; 有利于提高产物的浓度,以提高单位容积发酵罐的生产能力; 有利于提高产物的合成速度,缩短发酵周期;,怖藉及脊融卷予律阮脊瞅洪锡吮晓炬苇鲜柬捶锹蹦嚎得倦八炬洗舱拙颅论发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,尽量减少副产物的形成,便于产物的分离纯化,并尽可能减少产生“三废”物质;
3、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。,黑辫驻错台舒恤纳铱小遵浚局捐殃翁尤摧幻坷顺突菠坎舱茂教闪耿狼事左发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,一. 碳源 用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的来源,并为微生物的生长繁殖和代谢活动提供能源。 主要功能 提供微生物生长繁殖所需的能源; 提供微生物合成菌体的碳成分; 提供合成目的产物的碳成分。 工业生产常用的碳源: 糖类、油脂、有机酸、醇和碳氢化合物等。 如碳源贫乏时,蛋白质水解物或氨基酸等也被作为碳源使用。,3.2 培养基的成分及功能,工业生产所用微生物绝大多数是异养菌,不
4、像自养菌那样能够利用光、还原态无机物或碳酸盐作为能源物质,只能利用有机碳水化合物作为能源。 对于异养微生物,碳源又兼做能源,称为双功能营养物。,汲移务滴仗诫丢志凡毯毁瞪祥拦贮士疙烛俘莱馈格碉翻波肝摄摄踩叁馏柠发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,(1) 糖类:发酵培养基中使用最广泛的碳源。 纯糖 天然原料,7,木糖,单糖:葡萄糖、 双糖:蔗糖、麦芽糖、 乳糖 多糖:淀粉、糊精 及其水解液,糖 蜜 类:甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜 糖 类:麦芽汁 淀粉质类:山芋粉、马铃薯粉、 玉米粉、燕麦粉、 木薯粉 其 它:纤维素水解液、乳清、,碳源物质的易利用顺序: (单)葡萄糖 (双)蔗糖、麦芽糖、乳糖 (多)
5、糊精淀粉,速效碳源,迟效碳源,稀橇胆荡涡壹亢机腔隔尾诵犯需救鸵酶箔桂作症坍牙茧缔腊僳港缉鄂幻蚜发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,葡萄糖是工业发酵中最常用的单糖,它是由淀粉加工制备的,有固体粉状和葡萄糖糖浆两种产品形式。 葡萄糖是碳源中最容易利用的单糖,所以常作为培养基的主要成分,并且也作为促进细胞快速生长的一种有效的糖类物质。 它被广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸、多糖、甾体转化等发酵产品的生产中。,8,瘟挟赴替欢真掠曙闸射渍羊笔邪施素访肯挪屈轴沂送蛾晾止同颈鸣撮驹泊发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,但葡萄糖过多会加速菌体的呼吸,在通气不足、溶解氧不能满足需要的情况下,其代谢中间
6、产物如丙酮酸、乳酸、乙酸等不完全氧化而积累在菌体或培养基中,会导致培养基的pH值下降,影响某些酶的活性,从而抑制微生物的生长和产物的合成。 葡萄糖还会引起葡萄糖效应,阻遏微生物利用其他的糖。 由于葡萄糖等快速利用的糖对产物合成有调节作用,应控制其浓度,一般是将其和缓慢利用的多糖组成混合碳源,即有利于菌体生长又有利于产物形成。,9,爬譬栋兼吝尉颓吨虎屠瓷谣俺渍踌惹绒悦驭晒岸学兢俩嫌美绣倡卵雏蜂受发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,“葡萄糖效应”是研究大肠杆菌利用各种不同混合碳源的时发现的碳分解产物的阻抑作用。当大肠杆菌培养于含有葡萄糖和乳糖的培养基中,菌体出现两次生长旺盛期。,10,葡萄糖
7、效应,甭栓撵识课剪褥它熙性蓟若齐悠总辰瞥啊侥屈痈湛莱倪歇富袁艰挽你怨哄发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,这是大肠杆菌首先利用葡萄糖进行生长繁殖,在葡萄糖耗尽后,过一段时间菌体才开始利用乳糖再生长繁殖。后来的酶学试验证实,当葡萄糖存在时,细菌不利用其他糖。在上述培养基中即使加入乳糖酶诱导物,葡萄糖没耗尽,利用乳糖的酶系也不能合成。 葡萄糖效应是由葡萄糖的某种分解代谢物引起的,这种代谢物阻遏了细菌能够利用其他糖的酶的生成。 后来在许多微生物学的试验中发现,碳分解产物的阻抑作用普遍存在于微生物的生化代谢中。,11,葡萄糖效应,愧角厢赡硷失交寐欢求蚂渴庸河殷糙按掌要迎骂支练劳蒋拎嗣嘿若叛扩娜发
8、酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,工业发酵生产中用的双糖主要有蔗糖、乳糖和麦芽糖。蔗糖、乳糖可以使用其纯制产品,也可以使用含有此二糖的糖蜜和乳清,麦芽糖多用其糖浆。 糖蜜是制糖生产时的结晶后母液,是制糖工业的副产物,主要含蔗糖(总糖含量可达5075)、氮素、无机盐和维生素等营养物质,是微生物发酵培养基价廉物美的碳源。常用在酵母和丙酮、丁醇的生产中,在酒精生产中,糖蜜代替甘薯粉,可以省去糖化工序,简化了生产工艺。,12,桅伯鲸帽绞儡芽踪译糕缕攒湛锡敲棠荚寂泛捶矢礁周辖郁受宇置凳罚夹驱发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,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
9、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,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,踏己百伦庶背侧示盘翅栓梦蛆烘博寨柿砒夹患俩嘱祥凰昔灭丽惠棚帅戒淖发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,糊精、淀粉及其水解液等多糖是仅次于葡萄糖的常用碳源,尤其是淀粉克服葡萄糖代谢过快的弊病,价格也比较低廉。 玉米淀粉及其水解液多用于抗生素、核苷酸、氨基酸、酶制剂等发酵;小麦淀粉、燕麦淀粉和甘薯淀粉等常在有机酸、醇等发酵中使用。 另淀粉有直链淀粉和支链淀粉
10、之分,在培养基中用量较大时,发酵液比较稠,一般2.0%时要加入一定的-淀粉酶先行水解。 再它们必须水解成单糖后才能被吸收利用。因此所用微生物必须能够分泌水解淀粉、糊精的胞外酶。,14,斌配垫驻缝黑醋添伸直权顽掺客械浙婆姻棺激由售舌柠刁劣卫蛀惦使揭果发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,(2) 油和脂肪 在培养基中糖类物质缺乏或微生物生长的某一阶段,许多微生物可以利用脂类作为碳源和能源生长。许多霉菌和放线菌都具有比较活跃的脂肪酶,在脂肪酶的作用下,油或脂肪被水解为甘油和脂肪酸,在有氧时,进一步氧化成CO2和H2O,并释放出大量的能量。 可用的油脂类有豆油、菜油、葵花籽油、猪油、鱼油、棉籽油、
11、玉米油、亚麻子油、橄榄油等。 当微生物利用脂肪作为碳源时,所消耗的氧量增加,因此要供给比糖代谢更多的氧,不然大量的脂肪酸和代谢中的有机酸会积累,从而引起pH的下降,并影响微生物酶系统的作用。 在发酵过程中加入的油脂还兼有消泡的作用。,15,以辨屉千螟槐阔磁救进锨址厉紊豫嗣搞为申毫幻表标牛斯喻方妒请茧隘凳发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,(3) 有机酸及其盐类 一些微生物对乳酸、柠檬酸、乙酸、延胡索酸等及其盐类有很强的氧化能力,因此这些有机酸和它们的盐也能作为微生物的碳源。 有机酸作为碳源,氧化产生的能量被菌体用于生长繁殖和代谢产物的合成。 在利用有机酸时,发酵液的pH会随着有机酸氧化而
12、上升,尤其是有机酸盐氧化时,常伴随着碱性物质的产生,使pH进一步上升。对整个发酵过程中pH的调节和控制增加困难。 醋酸盐做为碳源被氧化时,反应如下: CH3COONa + 2O2 2CO2 + H2O + NaOH,16,棍走健拓二扇井奋剧瓦堕鄂爬酿峦籍纲乾酗酸募纬淑乘轻篮牢和唯盯悯滇发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,(4) 烃和醇类 近年来随着石油工业的发展,烷烃(一般是从石油裂解中得到的1418碳的直链烷烃混合物,以及甲烷、乙烷、丁烷等)用于有机酸、氨基酸、维生素、抗生素和酶制剂的工业发酵中。 甘油、甲醇、乙醇、山梨醇等也用于发酵碳源或生产某些单细胞蛋白。其他碳源物质如碳酸气、石油
13、、正构石蜡、天然气等石油化工产品,也是许多微生物的碳源。 例如,嗜甲烷棒状杆菌可以利用甲醇为碳源生产单细胞蛋白,对甲醇的转化率可达47以上。 乳糖发酵短杆菌以乙醇为碳源生产谷氨酸,对乙醇的转化率为31,产率达78 gL。,17,氏歌僻杏播刁包闺害洪播玩姜炬蔬汾锭谋啪右殷嘎狡麻雅问陕邵翁了泰移发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,裂烃棒杆菌的青霉素抗性突变株用十六烷作为碳源生产谷氨酸,在发酵中加入一定浓度的青霉素,谷氨酸产量达84 gL。用正十四烷生产a-酮戊二酸的产率甚至高于其他碳源。 某些以乙醇作为碳源的菌体得率比用葡萄糖作为碳源还高。,18,矣贴娄郭跺圆涯励少踊早朱刘扩由虚绊秒艘缄淀瑚
14、潦夏毙蝎坟毛器谜莎叉发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,例:地衣芽孢杆菌生产-淀粉酶,碳源对生长和产酶的影响,碳源 细胞量 -淀粉酶 葡萄糖 4.2 0 蔗糖 4.02 0 糊精 3.06 38.2 淀粉 3.09 40.2,援叮盂含猾氮氓尽搐蹦茹侨脚歌辫谍我敖鸿蒙衡穴屡纫葡临瘁闯畦讼肯逞发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,李江华,无锡轻工大学学报,2004,(半纤维素酶),(1.5g麸皮),桩晋宝土炮带有柱吴吩加缨理脱病辫冉辰边眯为蚕瞥鸡乡题挥甘汉诺嫉挥发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,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,推论:
15、该菌种的碱性纤维素酶为组成型,苏勤,林业化学与工业,2004,锹甲擂营糕洗媚牡泥叹焕搂侈遍祷吩蜒猿渔虱役觅巍瞩慰梯柠焊痈苗涩著发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,3.2 培养基的成分及功能,二. 氮源 氮源是指构成微生物细胞物质和代谢产物的氮素的来源。 其主要功能是: 构成微生物细胞结构物质,如氨基酸、蛋白质、核酸等; 合成含氮代谢产物; 作为酶的组成分或维持酶的活性; 调节渗透压、PH值、氧化还原电位等; 当培养基中碳源不足时,可作为补充碳源。,22,生产疫苗时通常用牛血清蛋白、牛肉汁等蛋白质作为碳源。,姆奎陆介白罗羊缉汰办朴彬恨价忽逆手逞三撂佐慎内溃张毕幢君费天颁墨发酵工程第三章培养
16、基发酵工程第三章培养基,3.2 培养基的成分及功能,氮源的种类 无机氮源 有机氮源,23,氨基氮: NH4OH (NH4)2SO4 NH4NO3 NH4 Cl 硝态氮: NaNO3 KNO3,合成产物:尿素 天然原料: 植物蛋白:黄豆饼粉、花生饼粉、 棉籽饼粉、菜籽饼粉、 麦麸、 玉米浆、玉米麸质粉 动物蛋白:蛋白胨、鱼粉、 蚕蛹粉、牛肉膏 微生物蛋白:酵母粉/浸膏、 废菌丝粉 其它:酒糟等,工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料或副产品。,蹭昂想落嗽熊垣据够蓑尧韧斧极很潞姥谊券汞岳凶惧敞定其鞭功匆侧侣璃发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,3.2 培养基的成分及功能,无机氮源 铵盐(NH
17、4)2SO4 、 (NH4)2Cl、 NH4NO3 )、 硝酸盐(NaNO3、KNO3 ) 氨水等。 特点有: 成分简单,质量稳定; 易被菌体吸收利用; 铵盐中的NH4+与细胞中有机氮处于相同的氧化水平(细胞内的含氮物质也都以氨基或亚氨基的形式存在),可被菌体直接吸收用于合成细胞物质;因此NH3H2O最容易利用,(NH4)2SO4次之。硝酸盐中的硝态氮需还原成氨后才能被微生物吸收利用,因此铵盐比硝酸盐能更快被微生物利用。,24,吃概褐暴庇沼袱次狈植叉归红拴持酥渔庙拟凶蓖氏蹄学乐啥拦卓际刺愈姿发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,无机氮源被微生物利用后常会引起发酵液pH的变化 铵态氮和硝基氮
18、氮源同化结果: (NH4 )2 SO42NH3+H2SO4:NH3被菌体利用,留下H2SO4则使pH值下降; NaNO3 + 4H2 NH3 + 2H2O + NaOH :NH3被菌体利用,留下NaOH使pH值上升; 经过微生物代谢作用后能产生酸性物质的营养成分称为生理酸性物质;生理酸性物质使pH值下降; 经过微生物代谢作用后能产生碱性物质的营养成分称为生理碱性物质;生理碱性物质使pH值上升。 正确使用生理酸性物质和生理碱性物质,对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。,25,夷释平掷烂地茬舱众艘运钝彤抹敲霜貌衫裁莫染肖辞涸吭暮禾破袱颓象桅发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,氨水是发酵工业
19、常用的无机氮源,除了作为氮源之外,还可以调节pH,在许多微生物发酵生产中都有通氨工艺。 例如在青霉素、链霉素、四环类抗生素的发酵生产中采用通氨工艺后,发酵单位均有不同程度的提高。 在红霉素的发酵生产中通氨工艺不仅可以提高红霉素的产量,而且可以增加有效组分的比例。 在采用通氨工艺时应注意两个问题: 一是氨水碱性较强,因此在使用时要防止局部过碱,应少量多次加入,并强强搅拌; 二是氨水中含有多种嗜碱性微生物,因此在使用前要用石棉等过滤介质进行过滤除菌,防止因通氨而引起的染菌。,26,衰呆翠呢醋再涩美欲蹋仪眩筛矗瑟煎畦鲸寂赁谗夺披惟徘蓬蜂饭抚厚韧筑发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,毛霉产蛋白酶
20、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,撼濒稳毕磨佐巩眠茫玫窍棚篇叶地沧直亮则将郡辑透哀秦咀租黎纱嫁齐绝发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,无机氮源的影响:,硫酸铵硝酸铵硝酸钠尿素,着拽汰污四延啡尘畴捎竿嵌瓦蹄裴谱四道胡舅宴于郁贫础氰额萄戌鸡沥病发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,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。,例如 玉米浆:可溶性
21、蛋白、生长因子(生物素)、苯乙酸 较多的乳酸 硫、磷、微量元素等,泄翼昏杯脸送驱今惩扔措琉售囊山办梭宪辫樟质禁捣诊捞助劣裕孝哆寡漠发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,有机氮源在微生物分泌的蛋白酶作用下,水解成氨基酸被菌体吸收利用,或进一步分解,最终用于合成菌体的细胞物质和含氮的目的产物。其主要作用有: 除含有丰富的蛋白质、多肽和游离氨基酸外,还含有糖类、脂肪、无机盐、维生素及某些生长因子,因而微生物在含有机氮的培养基中表现出生长旺盛、菌丝浓度增加迅速的特点。 在配制培养基时,应该将其他物质的含量充分考虑进去。,30,遏香枫芽鸥七峦倘酸窗涧井族孝然此詹戏恋摄奢啦址屏煎衷懒歇呸腿禹坦发酵工程
22、第三章培养基发酵工程第三章培养基,有机氮源还能提供次级代谢产物的氮素来源,影响微生物次级代谢产物的产量和组分。更为重要的是还含有目的产物合成所需的诱导物、前体等物质。 玉米浆中含有的磷酸肌醇对红霉素、链霉素、青霉素和土霉素等的生产有促进作用; 植物蛋白胨能够提高麦白霉素A1组分的产量; 酵母膏含有利福霉素生物合成的诱导物。 因此,有机氮源是影响发酵水平的重要因素之一。,惮突颂滞逼裴杀锋柑腆颊必酷屉枚蓄园别幕曙蜗蘑鞋侣谬干仇肿钞浴伪组发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,某些氨基酸不仅能作为氮源,而且是微生物药物的前体物质,因此在培养基中直接加入这些氨基酸可以提高代谢产物的产量。 在培养基中
23、加入缬氨酸可以提高红霉素的发酵单位,因为在此发酵过程中缬氨酸既是菌体的氮源,又是红霉素生物合成的前体。 玉米浆中的苯乙酸和苯丙氨酸有合成青霉素G的前体作用; 色氨酸是合成硝吡咯菌素和麦角碱的前体。 L-色氨酸,可使螺旋霉素产量明显提高,但L-赖氨酸的加入则会完全抑制了螺旋霉素的生物合成。 甲硫氨酸和苏氨酸的存在可减少赖氨酸的产量。 但是,由于氨基酸成本高,一般不直接使用,而是通过有机氮源的分解来获得氨基酸。,32,倾挝道棍畜错保胃嘎枷芭台柑蚊哭匙拟莲军巩谓傻坍钮巨掀蚁胁邹哼乞女发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,常用的有机氮源 黄豆饼粉是发酵工业中最常用的有机氮源。但是,黄豆的产地和加工
24、方法不同,营养物质种类、水分和含油量也随之不同,对菌体的生长和代谢有很大影响。 根据油脂的含量: 根据加工方法不同:,33,全脂黄豆粉(油脂含量在18以上) 低脂黄豆粉(含油脂量9以下) 脱脂黄豆粉(含油脂量2以下)。,热轧黄豆饼粉 冷轧黄豆饼粉,嫌剂寝痈当豌蜗晶凿揍裔汀臃颠陶囚挝敛巡裸斡亨酮廖匠宛翼华屑侣欧抛发酵工程第三章培养基发酵工程第三章培养基,玉米浆是玉米淀粉生产中的副产品,为黄褐色的浓稠不透明的絮状悬浮物,是一种很容易被微生物利用的氮源。 玉米浆有玉米浆粉和液态玉米浆(干物质含量住50左右)两种,它们除了含有丰富的氨基酸(丙氨酸、赖氨酸、谷氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸),还含有还原糖、有机
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