第四章培养基及其制备

《第四章培养基及其制备》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章培养基及其制备（141页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、11第二篇 发酵过程及相关设备22第四章培养基及其制备33本章教学内容第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节原料 原料的预处理 淀粉的水解糖的制备 糖蜜原料的处理 非粮食生物质的转化 前体物质、促进剂第一节原料一、原料的定义及选择原则 1，原料的定义： 从工艺角度来看，凡是能被生物细胞利用并 转化成所需的代谢产物或菌体的物料，都可 作为发酵工业生产的原料。442，原料选择的原则 原料价格低廉； 因地制宜，就地取材； 原料资源要丰富，容易收集； 原料要容易贮藏； 对人体无害，影响发酵过程的杂质含量因应 当极少，或者几乎不含； 适合微生物的需要和吸收利用。 对生产中除发酵以外的其他方面，如

2、通气、 搅拌、精制、废弃物的处理等所带来的困难 最少。5566在确定原料选择原则时需注意的问题 所选用的培养基与所使用的发酵罐的结构有关。 例如ICI公司因指定用甲醇和氨生产单细胞蛋白质而另行 设计新的发酵罐。 同样的理由，在一个巳设定的发酵罐中，发酵必然会受 到培养基组份改变的影响。 从实验室规模放大到实验工厂规模，以至于放大到 工业生产规模，都要考虑培养基的组份的变化。 培养基的组成，除了考虑到菌体生长和产物的形成 的需要外，还要考虑到培养基的pH变化、泡沫的 形成、氧化还原电位和微生物的形态等，而且还有 前体和代谢抑制剂的需要。77二、常用主要原料及其化学组成1，常用原料种类 薯类：甘薯

3、、马铃薯、木薯、山药等。 粮谷类：高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦 、燕麦、黍和稷等。 野生植物：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜 、金刚头、香符子等。 农产品加工副产物：米粞、米糠饼、麸皮、高粱 糠、淀粉渣等。 非粮食生物质原料：纤维素、木质素、半纤维素 等。882，常用原料的化学组成 碳水化学物：主要是单糖和双糖，发酵微生 物的碳源和能源。一些多糖则需转化为单糖 或双糖后才被利用。 蛋白质：蛋白质经蛋白酶分解后产生的多肽 或氨基酸，是糖化菌和酵母菌生长繁殖的氮 源。 脂肪：针对不同的发酵产品其作用有较大差 别 灰分：主要是P、Mg、K、S、Ca等元素，是 微生物生长和代谢所必需的。99三

4、、工业发酵培养基的设计1，为何要进行培养基的设计？ 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。 在发酵过程中，我们的目的产品是菌体或代 谢产物。而发酵培养基是否适合于菌体的生 长或积累代谢产物，对最终产品的得率具有 非常大的影响。10102，培养基设计的基本原则 培养基的组成必需满足细胞的生长和代 谢产物所需的元素，并能提供生物合成 和细胞维持活力所需要的能量。11113，如何进行培养基的设计 （1）作出细胞生长和产物形成的化学计算的平 衡碳源和能源+氮源+其他需要细胞+产物+CO2+H2O+热 量 通过计算可以获得生产一定数量的细胞时所需 的营养物的最低数量

5、。在了解一定数量的生物 体所能产生的产物数量后；就有可能计算出形 成产物时所需的底物数量。 这些培养基的组份的数量仅仅是供给细胞形成产物 ，而不包括生成细胞所需的营养。所有上述各项数 量，是不易获得其精确的数字。1212（2）组成微生物的元素包括C、H、O、 N、S、P、Mg和K（见下表），这些元 素都要在方程式中予以平衡 在培养基中有些元素的含量往往超过需要 量，如P和K。而其它元素含量则接近最低 值(如Zn，Cu等)。在许多培养基中增加磷 酸盐浓度，其用意是增加培养基的缓冲容 量，这一点，在设计培养基时要引起注意 。1313细菌、酵母和真菌的元素组成(按干重计)1414（3）有些微生物无力

6、的合成特定营养物 ，如氨基酸、维生素或核苷酸。一旦 测出其中一种是生长因子，就要在培 养基中加入适量的纯净的化合物或含 有该物质的混合物。1515（4）碳源具有生物合成的底物和能源的 双重作用，在需氧条件下，对碳源的需 要量可以从菌体对底物的产率系数(Yx/s) 推算而得。 该系数的定义是：细胞干物质的产量碳 源底物的被利用量1616下表中列出了一些Yx/s值。如以葡萄糖为底物时，其Y值为 0.5g即表示每1g葡萄糖能生成0.5g细胞干物质。为要获得 30gdm-3浓度的细胞，需要葡萄糖300.560gdm-3。在发酵过程中，适当地补充碳源是必要的。将碳源转化成 产物的观察值与理论上最大值之间

7、进行比较，才能进行深 入的研究。但由于对生物合成的知识的限制而难以作出精 密的分析。按上述方程式计算每1g葡萄糖能产生1.1g苄青霉素的理论值。 在青霉素分批发酵的一个简单模型中，用于合成细胞、维持生 命活力和转化成青霉素的葡萄糖，分别占总糖耗量的28、61和 11。在分批补料发酵时，则26的葡萄糖用于生长、70用 于维持生命、6用于合成青霉素。每克葡萄糖的最大青霉素 转化产量为0.0538，这个理论值数倍于实验值。1717Cooney(1979)以青霉素生物合成的途径为基础，通过物质和 能量平衡，计算出青霉素生物合成的理论值。总的化学计 算式为a2C6H12O6 + b2NH 3 + c2O

8、2 + d 2H 2SO4 + e2PAA n2卞青霉素 + p2CO 2 + q2H 2O方程式中的a2、b2、c2、d2、e2、nz、p2和q2都是化学计算 中的系数，PAA代表苯乙酸。解方程式得：21610O2 + H 2SO4 + C8H 8O2 C18H18O4N 2S + 2CO 2 + 9H 2OC6H12O6 + 2NH 3 +18184，发酵培养基的组成成分 水 碳源 氮源 无机盐 维生素 缓冲剂 前体和代谢调节剂 消沫剂1919影响选择碳源的因素 原料成本占生产总成本 的比例； 在某些发酵过程中，必须除去碳源中的杂质； 对碳源的选择，往往还受到政府政策的影响； 当地的法律条

9、例指定了许多饮料业所使用的底 物； 培养基的配制方法，特别是灭菌方法。2020缓冲剂 控制pH时对获得最佳生产能力是十分重要的 。在培养基中加入一种化合物作为缓冲剂或同 时可作为营养源。许多种培养基多加入碳酸钙 作为缓冲剂，以达到pH7.0左右。如果pH下降 ，则碳酸钙分解，如果是pH上升，可以自然 地校正微生物的产酸量。在许多培养基中，也 用磷酸盐作为重要的缓冲剂。 碳源和氮源的平衡，也是控制pH的一种方式 。在玉米浆中的蛋白质、肽、氨基酸等也具有 缓冲容量。滴加氨，氢氧化钠和硫酸，可以严 格地控制pH值。第二节原料的预处理一、预处理的必要性 1，发酵工厂在进行生产前，必须先将原 料中混杂的

10、小铁钉、杂草、泥快和石头 等杂质除去，保证后续工序生产的正常 和顺利进行。 2，为保证后续工序生产的正常和顺利进 行，还需对原料进行适当加工。 3，为保证生产环境的清洁，必须采用适 当的输送方式将原料从仓库运送至配料 罐或反应器。21212222二、预处理的方法（方式）1，原料除杂 筛选 风选 磁力除铁2323（1）筛选、风选 气流-筛式分离机这类分离机主要用于 谷物原料除杂用。凡 是厚度和宽度或空气 动力学性质(悬浮速 度)与所用谷物不同 的杂质，都可用气 流-筛式分离机将其 分离。2424（2）磁力除铁器 永久性磁力除铁器 电磁除铁器25252，原料的粉碎（1）粉碎的目的： 增加原料受热面

11、积 粉末状原料加水混合后容易流动输送2626 对于一些带壳的原料，如高粱、大麦，在粉碎前， 则要求先把皮壳破碎 皮壳本身毫无营养价值，在发酵过程中对微生物没有好 处，皮壳在醪液中会引起阻碍液体的流动。 皮壳在生产过程中，不发生变化，而大量皮壳汇集起来 会占据一定的有效容积，无形中降低了设备的生产能力 。 原料糖化后进行发酵时，皮壳会聚集在液面上，而引起 较厚的醪盖，醪盖的形成会妨碍热量的逸散和CO2的放 出，致使液体温度升高，细菌容易繁殖，特别是醋酸菌 ，出现这些现象，都会对发酵带来不利。 皮壳会使蒸馏塔及冷却器等设备发生阻塞。皮壳渐多， 需要停机清理，会给生产带来损失。2727（2）原料粉碎

12、的力学分析 固体物料的粉碎按其受力情况可分为： 挤压粉碎 冲击粉碎 研磨粉碎 剪切粉碎 劈裂粉碎2828（3）粉碎方法 干粉碎 湿粉碎2929干式粉碎 粗碎：原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁 后进行粗碎。粗碎后的物料应能通过610mm的 筛孔，然后再送去进行细粉碎。 粗砰常用的设 备是轴向滚筒式粗碎机，也有用锤式粉碎机进行 粗碎的例子 细碎：经过粗碎的原料进入细碎机，细碎后的原 料颗粒一般应通过1.21.5mm的筛孔。也有采用 1.82.0mm筛孔的。常用的细碎设备是锤式粉碎 机3030湿法破碎工艺流程风选送料部分破碎部分湿法除尘部分预热部分3131湿法粉碎工艺的优点 彻底消除了粉尘的危害

13、，改善了劳动条 件，降低了原料的损耗 提高了原料的粉碎细度 节省了蒸煮时所消耗的蒸气 粉碎机部件（特别是刀片）的磨损减少 设备简单，对厂房要求不高3232（4）常用的粉碎机械 锤式粉碎机（瓜干、高粱、玉米） 辊式粉碎机（麦芽、大米） 两辊式 四辊式 五辊式 六辊式3333锤式粉碎机的结构3434双辊式粉碎机结构示意图（a）结构示意（b）物料受力分析3535（1）机械的输送 皮带输送机 斗式提升机 螺旋输送机3636（2）气流输送 优点 设备简单 占地面积小 费用少 连续化自动化改善了劳动条件 输送能力和距离有较大的变动范围 在气流输送的同时，还可对物料进行加 热、冷却、干燥等操作3737原理：

14、 气流输送方法，是借助气流的动能，使 管道中的物料被悬浮输送。可见物料在 气流中的悬浮问题是很重要的。颗粒在 垂直管中和水平管中的悬浮机理及运动 状态是不一样的。3838气流输送的流程 吸引式流程（真空输送） 压送式流程（压力输送） 混合式气流输送流程（真空、压力输送 ）3939吸引（真空）输送 真空输送方式是将空气和物料吸 入输料管中，在负压下输送到指 定的地点，然后将物料从气流中 分离出来，再经过排料器将物料 卸出来。从分离器分离出来的空 气，再经过净化除尘之后，用真 空泵抽出。 真空输送设备出口装有分离器和 能封闭空气的卸料器。 由于输送系统为真空，消除了物 料的外漏，保持了室内的清洁。

15、4040压力输送流程 这种输送方式是将空气 和物料压送入输料管 中， 物料被送到指定 位置之后，经分离器物 料自动排出，分离出来 的空气净化后放空。在 加料处要用封闭较好的 加料器，防止物料反 吹，空气用鼓风机送入 系统中。4141混合流程 兼有吸引式和压送式的 特点，可以从数点吸入 物料和压送至较远、较 高的地方。4242流程的比较 吸引式流程，不需加料器，但要有封闭较好的排 料器； 压送式流程，不需排料器，但要有封闭较好的加 料器； 对相同输送量，压送式流程较吸引式流程采用较 细的管道； 从几个不同的地方，向一个卸料点时，吸引式流 程较适合；从一个加料点向几个不同地方送料时 ，压送式流程较适合； 具体到流程选择时，必须对输送物料的性质，形 状、尺寸、输送量、输送距离等进行详细了解， 结合实际综合考虑。4343采用气流输送时应注意的问题 水分含量超过16的粉末原料，特别是鲜原 料，不宜采用气流输送。 所选用风机型号一般要选择比实际需用量大1.2- 1.5倍风机，风压也要比全系统压力损失的总和 更大一些。 选择输送管道的直径时，要保证空气通气量有 110-120