第五章 发酵设备

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1、第三章 微生物培养基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。适宜于大规模发酵的培养基应该具有的共同的特点：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通气、提取、纯化及 废物处理等。一、培养基的类型及功能：1. 天然培养基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、麦芽汁和蛋白胨等）制成的。营养丰富，适合于各类异养

2、微生物生长。一般天然培养基中不需另加微最元素、维生素 等物质，培养基组成的原料来源丰富（大多为农副产品）、价格低廉，适于工业化生产；但 其成分复杂，不易重复。2. 合成培养基是用化学成分和数量完全了解的物质配制而成德。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、选育菌种及遗传分析 等定量研究工作。但一般微生物在合成培养基上生长较慢，有些微生物营养要求复杂，在合 成培养基上不能生长。合成培养基营养单一、价格较高，不适用于大规模工业生产。3. 固体培养基比较适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应用于有子实体的真菌类，如香菇、白木

3、耳等的生产。其组分常用麸皮、大米、小米、木屑、禾壳和琼脂等4半固体培养基：即在配好的液体培养基中加入少量的琼脂，一般用量为05%-08%,培养 基即成半固体状态。主要用于鉴定细菌、观察细菌运动特征及噬菌体的效价滴度等。5液体培养基：80%-90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的营养成分。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6.孢子培养基：是供菌种繁殖孢子的一种常用固体培养基。 对孢子培养基的基本配置要求：a、营养不要太丰富（特别是有机氮源），否则不宜产抱子；b、所用无机盐的浓度要适量，不然也会影响抱子量和抱子颜色；c、要注意培养基的pH和湿度。d、生产上常用的抱子培养基有：麸皮

4、培养基、小米培养基、大米培养基、玉米碎屑培养基 和用葡萄糖、蛋白胨、牛肉膏和食盐等配置的琼脂斜面培养基。7种壬培养基 种子培养基是供抱子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌丝体长得粗壮，成为活力 强的“种子”。种子培养基的特点：A 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。B.种子培养基中各种营养物质的浓度不必太高。供抱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。C最后一级的种子培养基的成分还应考虑与发酵培养基的主要成分相近。8.发酵培养基发酵培养基是供菌体生长、繁殖和合成产物之用，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

5、功与否的重要因素二、发酵培养基的营养成分及来源所有发酵培养基都必须提供微生物生长繁殖和产物合成所需的能源，包括碳源、氮源、 无机元素、生长因子、水及氧气等。对于大规模发酵生产，除考虑上述微生物的需要外，还 必须重视培养基原料的价格和来源。一）碳源1、作用：提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源.和合成菌体所必霊的碳成分.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3、工业上常用的碳源1）糖类（1）葡萄糖所有的微生物物都能利用葡萄糖，是最易利用的碳源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。（2）糖蜜糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业

6、的副产物含有较丰富的糖、氮类化合物、 无机盐和维生素等糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%75% 。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜的成糖分糖甜菜（） （w/v）甘蔗（） （w/v）蔗糖48.533.4棉子糖1.00转化糖1.021.4转化糖：以葡萄糖计的还原糖的含量。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：谷氨酸发酵有害物质：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（导致柠檬酸的生成） 预处理：黄血盐（3）淀粉、糊精使用条件

7、：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a -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。2）油和脂肪在微生物分泌的脂肪酶的作用下，油或脂肪被水解为甘油和脂肪酸，在溶解氧的参与 下，进一步氧化成水和.CQ2,并释放出大量的能量。因此用脂肪作碳源时，需比糖代谢供给 更多的氧。常用的油有豆油、菜油、葵花籽油、猪油、鱼油和棉籽油等。3）有机酸有机酸作为碳源，它氧化产生的能量能被菌体用于生长繁殖和代谢产物的合成，同时对发 酵过程的发酵液pH起调节作用。如糖酸、柠檬酸、反丁烯二酸、琥珀酸、苹果酸、丙

8、酮酸和酒石酸等。4）烃和醇类 许多石油产品作为微生物发酵的主要原材料正在深入研究和推广中。正烷烃（一般是指从 石油裂解得到的14c至18c的直链烷烃混合物）已用于氨基酸、有机酸、维生素、酶类和某 些抗生素的发酵中，均取得了较好的效果。醇类如甘露醇、甘油和低浓度的乙醇等。如嗜甲烷棒状杆菌用甲醇作碳源生产单细胞蛋白 （scp ） ，在分批发酵的最佳条件下，该菌的甲醇转化率达47.7%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。1 、 无机氮源常用的无机氮源有铵盐、硝酸盐和氨水等亠微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利

9、用的氮源。但无机氮源的迅速利用常利用常会引起 pH 的变化如：（NH4） 2SO4-2NH3+2H2SO4NaNO3+4H2 NH3+2H2O+NaOH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;.1满足菌体生长.2稳定和调节发酵过程中的.pH2、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

10、粉、 玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、醇母粉、鱼粉、 蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒槽。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 ： 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，徽 日=古A/r量元素等氮源使用的一些相关问题：1）、有机氮源和无机氮源应当混合使用2）、早期：容易利用易同化的氮源无机氮源3）、中期：菌体的代谢酶系已形成，则利用蛋白质有些产物会受氮源的诱导和阻遏 例： 蛋白酶的生产4）、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三）、无机盐及微量元素 无机盐类是微生物生命活动所不可缺

11、少的物质。主要功用是：1）构成菌体成分；2）作为酶活性基的组成部分或维持酶的活性；3）调节渗透压、 pH 值和氧化还原电位等；4）作为自养菌的能源。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青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20 u g/ml发酵罐必须进行表面处理 B.使用时注意盐的形式（pH的变化）黑曲霉NRRL330生产a -淀粉酶，PH对酶活的影响pH酶活不加 4.25 120 分钟 加 K2HPO45.4530 分钟加 KH2PO44.625 分钟四）、水水是培养基的主要组成成分 也是微生物机体的重要组成部分。对于发酵工厂来说，恒 定的水源

12、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。生 产中使用的水有：深井水、自来水和地表水。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五）生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂1、生长因子广义说，凡是微生物生长不可缺少.的微量的有机物质都称为生长因子（又称生长素.2, 包括氨基酸、嘌呤嘧啶和维生素等；狭义说，生长素仅指维生素。生长因子不是对于所有微生物都是必须的，它只是对于某些自己不能合成这些成分的微 生物才是不可少的营养物。凡是缺少合成生长素类

13、物质的微生物（即缺少了合成生长素过程中的某种酶）统称为营 养缺陷型。有机氮源是生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多的B族微生物和微量元素及一 些微生物生长不可缺少的生长因子。2、前体是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结合到产物分 子虫去，而其自身的结构并.没直多大变化，但是产物的产量却因加入.前体而有较大的提高。前体有助于提高产量和组分，在一定条件下还能控制菌体合成代谢产物的流向。 前体使用时普遍采用流加的方法前体一般都有.毒性2.浓度过大对菌体的生长.不利，.以及菌体具有将前.体氧化分解的能力。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

14、多，容易引起挥发和氧化。流加也有利于提高前体的转一化率。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，又韭前体，但加入后却能提高产 量的添加剂。促进剩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；有些促进荆是表面活性剂，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。三、发酵培养基的设计及优化目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计算出适合某一菌种的培养基配方，只 能用生物化学、细胞生物学、徽生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合某一

15、类菌种 的经验配方再结合所用菌种和产品的特性，采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备，按照一定 的实验设计和实验方法选择出较为适合的培养基。一）、培养基成分选择的原则1、菌种的同化能力2、代谢的阻遏和诱导3、合适的C、N比 100 : 0.22.04、pH 的要求pH 的具体控制方法1）可以在微生物培养过程中加入酸或碱或流加某些营养物质调节培养基pH,但更应在配制 培养基时考虑所用营养物质的组成成分，使其pH值适合该微生物生长或合成代谢产物的需 要。2）控制pH最常用的方法是在培养基中添加具有一定缓冲能力的物质作为营养物.如以磷酸 盐作为磷的成分；或者避免使用容易产生生理酸性或碱性使培养基pH波动太大的物质。二）、成分含量的确定（一）理论转化率与实际转化率理论转化率是指理想状态下根据微生物的.代谢途径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。 实际转化率是指实际发酵过-程虫转化率的大小1、培养基设计的步骤1）根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；2）