工业培养基及其设计.ppt

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1、共28页 第2页目录 目录目录第一章绪论第一章绪论第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏 第三章工业培养基及其设计第三章工业培养基及其设计 第四章生物工艺过程中的无菌技术第四章生物工艺过程中的无菌技术 第五章第五章生物反应动力学生物反应动力学 第六章第六章 发酵过程原理发酵过程原理第七章第七章 生物反应器及生物工艺过程的放大生物反应器及生物工艺过程的放大第八章第八章 生物反应过程参数检测与控制生物反应过程参数检测与控制 第九章第九章 生物产品分离及纯化技术生物产品分离及纯化技术 第十章第十章 生物产品工艺学及应用生物产品工艺学及应用 共28页 第3页目录第三章

2、工业培养基及其设计第三章工业培养基及其设计3.1 工业培养基的基本要求工业培养基的基本要求 3.2 工业培养基的成分及来源工业培养基的成分及来源 3.2.1 碳源碳源 3.2.2 能源能源 3.2.3 氮源氮源 3.2.4 无机盐及微量元素无机盐及微量元素 3.2.5 生长调节物质生长调节物质 3.2.6 水水 3.3 培养基类型培养基类型 3.3.1 制备培养基的基本原则制备培养基的基本原则 3.3.2 培养基的种类及其应用培养基的种类及其应用3.4 培养基设计原理与优化方法培养基设计原理与优化方法 3.4.1 培养基的设计原理培养基的设计原理 3.4.2 培养基的优化方法培养基的优化方法

3、共28页 第4页目录共28页 第5页目录一般设计适宜于工业大规模发酵的培养基就要遵循以下一般设计适宜于工业大规模发酵的培养基就要遵循以下原则：原则：必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质的转有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质的转 化率。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。有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化。尽量减少副产物的形成

4、，便于产物的分离纯化。原料价格低廉，质量稳定，取材容易。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。的利用率，降低能耗。有利于产品的分离纯化，并尽可能减少有利于产品的分离纯化，并尽可能减少“三废三废”物质的产生。物质的产生。3.1 工业培养基的基本要求工业培养基的基本要求工业培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢工业培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的，按一定比例配制的多种营养物质的混合物。产物所需要的，按一定比例配制的多种营养物质的混合物。共28

5、页 第6页目录3.2 工业培养基的成分及来源工业培养基的成分及来源 碳源碳源 水水生长调节物质生长调节物质无机盐及微量元素无机盐及微量元素氮源氮源能源能源共28页 第7页目录不同营养类型的微生物利用不同的碳源。为数众多的异养微生物常利用某类有机化合物中的一种或几种作为它们的碳源。首先，糖类是微生物最广泛利用的碳源，尤其是葡萄糖，其次是醇、有机酸或脂肪酸等。而其余微生物或是利用CO2或碳酸盐作为唯一或主要的碳源，如蓝细菌等光能自养微生物和硝化细菌等化能自养微生物；或是利用CO2及相对低分子质量的简单有机物作为主要碳源，如紫色非硫细菌等光能异养微生物。不同微生物利用碳源物质的范围也很不相同。有的微

6、生物利用的碳源物质范围很广。例如，洋葱伯克霍尔德氏菌(Burkholdria cepacia)可以利用90多种不同类型的有机化合物作为碳源。而有些微生物所能利用的碳源物质种类极其有限。对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能的双功能营养物。3.2.1 碳源碳源共28页 第8页目录*淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备*在工业生产中，将淀粉水解为葡在工业生产中，将淀粉水解为葡萄糖（萄糖（glucoseglucose）的过程称淀粉的的过程称淀粉的糖化糖化，制得的溶液叫制得的溶液叫淀粉水解糖淀粉水解糖。共28页 第9页目录 一、淀粉水解制糖的意义一、淀粉水解制糖的意义1.1.大多数微生物不能

7、直接利用淀粉（所有的大多数微生物不能直接利用淀粉（所有的氨氨基酸基酸生产菌不能直接利用）生产菌不能直接利用）2.2.2.2.有些微生物能够有些微生物能够直接利用直接利用淀粉作原料，但淀粉作原料，但必须在微生物产生淀粉必须在微生物产生淀粉酶酶后才能进行，过程后才能进行，过程缓缓慢慢，发酵周期延长。，发酵周期延长。3.3.3.3.若直接利用淀粉作原料，灭菌过程的若直接利用淀粉作原料，灭菌过程的高温高温会导致淀粉会导致淀粉结块结块，发酵液，发酵液粘度粘度剧增。剧增。共28页 第10页目录二、淀粉水解糖的制备方法及原理二、淀粉水解糖的制备方法及原理（一）酸解法（一）酸解法（acid hydrolysi

8、s methodacid hydrolysis method）以酸为催化剂，在高温高压下使淀粉以酸为催化剂，在高温高压下使淀粉水解生成葡萄糖的方法。水解生成葡萄糖的方法。共28页 第11页目录1.1.水解过程：水解过程：总反应式：总反应式：(C(C6 6H H1010O O5 5)n n+nH+nH2 2O nCO nC6 6H H1212O O6 6过程：过程：(C(C6 6H H1010O O5 5)n n (C(C6 6H H1010O O5 5)x x C C1212H H2222O O11 11 C C6 6H H1212O O6 6 淀粉淀粉 糊精糊精 麦芽糖麦芽糖 葡萄糖葡萄糖

9、H H+对作用点无选择性，对作用点无选择性，-1,4-1,4-糖苷键和糖苷键和-1,6-1,6-糖糖苷键均被切断。苷键均被切断。共28页 第12页目录2.2.葡萄糖的复合反应和分解反应葡萄糖的复合反应和分解反应 在水解过程中，由于受到在水解过程中，由于受到酸酸和和热热的作用，的作用，一部分葡萄糖会发生一部分葡萄糖会发生复合复合反应和反应和分解分解反应。反应。共28页 第13页目录 淀粉淀粉 葡萄糖葡萄糖 复合二糖复合二糖 5 5羟甲基糠醛羟甲基糠醛 复合低聚糖复合低聚糖 有机酸、有色物质有机酸、有色物质损失葡萄糖量损失葡萄糖量 7 7 11复合反应复合反应分解反应分解反应盐酸盐酸共28页 第1

10、4页目录 不利影响：不利影响：（1 1）降低了葡萄糖的收率。）降低了葡萄糖的收率。（2 2）给产物的提取和糖化液的精制带来困难。）给产物的提取和糖化液的精制带来困难。复合反应：复合反应：生成的多数复合糖不能被微生物利用，使生成的多数复合糖不能被微生物利用，使发酵结束时残糖高。发酵结束时残糖高。分解反应分解反应：生成的：生成的5 5羟甲基糠醛是产生色素的根源，羟甲基糠醛是产生色素的根源，增加了糖化液精制脱色的困难。增加了糖化液精制脱色的困难。共28页 第15页目录如何控制分解反应和复合反应的发生？如何控制分解反应和复合反应的发生？（1 1）淀粉乳浓度）淀粉乳浓度（2 2）酸浓度）酸浓度 不能过高

11、不能过高（3 3）温度）温度共28页 第16页目录 3.3.评价评价优点：优点：工艺简单，水解时间短，生产效率高，工艺简单，水解时间短，生产效率高，设备周转快。设备周转快。缺点：缺点：（1 1）副产物多，影响糖液纯度，一般）副产物多，影响糖液纯度，一般DEDE值只有值只有9090左右。左右。（2 2）对淀粉原料要求严格，不能用粗淀粉，只）对淀粉原料要求严格，不能用粗淀粉，只能用纯度较高的精制淀粉。能用纯度较高的精制淀粉。共28页 第17页目录DEDE值：值：dextrose equivalent valuedextrose equivalent value （葡萄糖当量值）葡萄糖当量值）表示淀

12、粉糖的含糖量。表示淀粉糖的含糖量。还原糖含量（）还原糖含量（）DEDE值值 100100 干物质含量（）干物质含量（）共28页 第18页目录（二）酶解法二）酶解法（enzyme hydrolysis methodenzyme hydrolysis method）用专一性很强的用专一性很强的淀粉酶淀粉酶及及糖化酶糖化酶将淀粉将淀粉水解为葡萄糖的工艺。水解为葡萄糖的工艺。共28页 第19页目录分两步：分两步：（1 1）液化：液化：用用-淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖;（2 2）糖化：糖化：用糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将糊精用糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将糊精 和低聚糖转

13、化为葡萄糖。和低聚糖转化为葡萄糖。所以，淀粉的液化和糖化均在酶作用下进行，又所以，淀粉的液化和糖化均在酶作用下进行，又称称双酶法双酶法(double enzyme hydrolysis method)(double enzyme hydrolysis method)。共28页 第20页目录1.1.液化（液化（liquificationliquification）2.2.淀粉酶水解底物内部的淀粉酶水解底物内部的 1,41,4糖苷键，不能水解糖苷键，不能水解 1,61,6糖苷键，一般采用糖苷键，一般采用耐高温淀粉酶，使液化速度加快。耐高温淀粉酶，使液化速度加快。共28页 第21页目录 液化程度的控

14、制（液化后需糖化的原因）液化程度的控制（液化后需糖化的原因）a.a.糖液的糖液的DEDE值低（值低（-淀粉酶不能水解淀粉酶不能水解-1,6-1,6糖苷键）糖苷键）b.b.液化在较高温度下进行，液化时间加长，淀粉老化，液化在较高温度下进行，液化时间加长，淀粉老化，使糖化酶难以利用。使糖化酶难以利用。c.c.糖化酶水解的底物分子要求有一定的大小范围。糖化酶水解的底物分子要求有一定的大小范围。共28页 第22页目录 根据生产经验，根据生产经验，DEDE值在值在2020 3030之间为好，之间为好，液化终点可通过碘液判断，此时呈棕色。液化终点可通过碘液判断，此时呈棕色。共28页 第23页目录2.2.糖

15、化（糖化（saccharificationsaccharification）糖化酶从非还原性末端水解糖化酶从非还原性末端水解-1,4-1,4糖苷键糖苷键和和-1,6-1,6糖苷键。糖苷键。终点确定：终点确定：DEDE值达最高时，停止酶反应。值达最高时，停止酶反应。共28页 第24页目录3.3.评价评价 优点优点：（1 1）反应条件温和，不需高温、高压设备。）反应条件温和，不需高温、高压设备。（2 2）副反应少，水解糖液纯度高。）副反应少，水解糖液纯度高。（3 3）对原料要求粗放，可用粗原料并在较高淀粉乳浓）对原料要求粗放，可用粗原料并在较高淀粉乳浓 度下水解。度下水解。（4 4）糖液颜色浅，质

16、量高。）糖液颜色浅，质量高。共28页 第25页目录 缺点：缺点：（1 1）生产周期长，一般需要）生产周期长，一般需要4848小时。小时。（2 2）需要更多的设备，且操作严格。）需要更多的设备，且操作严格。共28页 第26页目录 （三）酸酶结合法（三）酸酶结合法 （acid-enzyme hydrolysis methodacid-enzyme hydrolysis method）集酸解法和酶解法的优点而采取的生产集酸解法和酶解法的优点而采取的生产工艺。根据原料淀粉性质分：工艺。根据原料淀粉性质分：共28页 第27页目录1.1.酸酶法：先将淀粉酸水解成糊精和低聚酸酶法：先将淀粉酸水解成糊精和低聚

17、糖，再用糖化酶将其水解为葡萄糖。糖，再用糖化酶将其水解为葡萄糖。2.2.适用：淀粉颗粒坚硬（如玉米、小麦）的原适用：淀粉颗粒坚硬（如玉米、小麦）的原料，若用料，若用-淀粉酶液化，短时间液化，反应淀粉酶液化，短时间液化，反应往往不彻底往往不彻底。共28页 第28页目录2.2.酶酸法：先用酶酸法：先用-淀粉酶液化，再用酸水解。淀粉酶液化，再用酸水解。适用：颗粒大小不一（如碎米淀粉）的淀适用：颗粒大小不一（如碎米淀粉）的淀粉原料，若用酸法，则水解不均匀。粉原料，若用酸法，则水解不均匀。共28页 第29页目录（四）不同糖化工艺的比较（四）不同糖化工艺的比较项目项目酸解法酸解法酸酶结合法酸酶结合法酶酶解

18、法解法DEDE值值919195959898羟羟甲基糠醛（）甲基糠醛（）0.30.30.0080.0080.0030.003色度色度10100.30.30.20.2淀粉转化率淀粉转化率909095959898工艺条件工艺条件高温加压高温加压高温加压高温加压常温常温过程耗能过程耗能多多多多少少副副产物产物多多中中少少生产周期生产周期短短中中长长设备规模设备规模小小中中大大防腐要求防腐要求高高较高较高低低适合发酵工艺情况适合发酵工艺情况 差差中中有利有利共28页 第30页目录能源是提供微生物生命活动所需能量的物质。极大多数微生物的能源物质是化学物质(有机化合物和无机化合物)。只有光合细菌利用光作为能

19、源。但微生物生长过程中所涉及的能量主要是ATP形式的化学能。即使是光合细菌，也要将光能转换成ATP形式的化学能后才可利用。3.2.2 能源能源共28页 第31页目录氮是微生物细胞需要量仅次于碳的元素。能提供微生物所需氮素的营养物质称为氮源。主要功能主要功能：提供细胞原生质和其他结构物质中的氮素，一般不作为能源使用。但化能自养细菌中的亚硝化细菌和硝化细菌能从NH3和NO2等还原态无机含氮化合物的氧化过程中获得其生命活动所需的能量。对于硝化细菌硝化细菌来说，NH3和NO2是兼有氮源与能源功能的双功能营养物质双功能营养物质。对于异养微生物异养微生物来说，含有C、H、O、N的有机化合物是具有碳、能源和

20、氮源三重功能的营养物三重功能的营养物。3.2.3 氮源氮源共28页 第32页目录微生物除了需要碳源、能源和氮源之外，还微生物除了需要碳源、能源和氮源之外，还需要需要P P、S S、K K、MgMg、CaCa、NaNa、FeFe、CoCo、ZnZn、MoMo、MnMn、NiNi和和W W等元素，大多是以无机盐的等元素，大多是以无机盐的形式提供的，故称为无机盐或矿物质元素。形式提供的，故称为无机盐或矿物质元素。大量元素：大量元素：需要浓度在需要浓度在1010-3-31010-4-4mol/Lmol/L范围范围内的元素，如内的元素，如P P、S S、K K、MgMg、CaCa、NaNa和和FeFe等

21、；等；微量元素：微量元素：需要浓度在需要浓度在1010-6-61010-8-8mol/Lmol/L范围范围内的元素，如内的元素，如CoCo、ZnZn、MoMo、MnMn、NiNi和和W W等。等。3.2.4 无无机盐及微量元素机盐及微量元素生理功能：生理功能：提供微生物细胞化学组成中提供微生物细胞化学组成中(除除C和和N外外)的重要元的重要元素，如素，如P核酸的重要组成元素；核酸的重要组成元素；参与并稳定微生物细胞的结构，如参与并稳定微生物细胞的结构，如P参与的磷脂双参与的磷脂双分子层构成了细胞膜的基本结构等；分子层构成了细胞膜的基本结构等；与酶的组成和活力有关。如与酶的组成和活力有关。如Fe

22、是细胞色素氧化酶的是细胞色素氧化酶的必要组分等；必要组分等；调节和维持微生物生长过程中诸如渗透压、氢离子调节和维持微生物生长过程中诸如渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等生长条件；浓度和氧化还原电位等生长条件；用作某些化能自养细菌物能源物质，如用作某些化能自养细菌物能源物质，如NO2被硝被硝化细菌用作能源；化细菌用作能源；用作呼吸链末端的氢受体，如用作呼吸链末端的氢受体，如NO3 被硝酸盐还原被硝酸盐还原细菌用作无氧呼吸时呼吸链末端的氢受体。细菌用作无氧呼吸时呼吸链末端的氢受体。共28页 第33页目录许多微生物除了需要碳源、能源、氮源与无机盐之外，还必须在培养基中补充微量的有机营养物质才能生长或

23、者生长良好，这些微生物生长所不可缺少的微量有机物质就是生长因子生长因子。生长因子有维生素、氨基酸、嘌呤碱和嘧啶碱、卟啉及其衍生物、固醇、胺类、C2C6直链或分支脂肪酸等。一些特殊的辅酶也能用作生长因子。3.2.5 生长调节物质生长调节物质 生长因子的主要功能主要功能是提供微生物细胞重要化学物质(蛋白质、核酸和脂质)、辅因子(辅酶和辅基)的组分和参与代谢。但是，有些微生物可以合成并分泌大量维生素等生长因子，因此，可用作维生素等生产菌，例如，利用阿舒假囊酵母(Eremothecium ashbyii)和棉阿舒囊霉(Ashbya gossypii)生产维生素B2，用作B12生产菌的有谢氏丙酸杆菌(P

24、ropionibacterium shermanii)、橄榄链霉菌(Strep-tomyces oliuaceus)、灰色链霉菌(S.griseus)与巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)等。共28页 第34页目录水以自由水与结合水两种形式存在。结合水没有流动性和溶解力，所以微生物不能利用它。水的可利用性常用水活度(aw)来表示：水活度以相同温度下，溶液或物质上面空气的蒸汽压与纯水蒸汽压之比表示：水活度(aw)=P溶液/P纯水纯水的aw值为1。有溶质时，水活度就低于1。水是微生物营养中不可缺少的物质，主要是因为：水是微生物营养中不可缺少的物质，主要是因为：水是微生物

25、细胞的主要化学组成；水是营养物质和代谢产物的良好溶剂，营养物质与代谢产物都是通过溶解和分散在水中而进出细胞的；水是细胞中各种生物化学反应得以进行的介质，并参与许多生物化学反应；水的比热高，汽化热高，又是热的良好导体，保证了细胞内的温度不会因代谢过程中释放的能量骤然上升；水还有利于生物大分子结构的稳定。3.2.6 水水共28页 第35页目录3.3 培养基类型培养基类型 3.3.1 制备培养基的基本原则制备培养基的基本原则 条件适宜条件适宜 微生物的生长除了取决于营养之外，还受pH、氧气、渗透压等物理化学因素的影响，而微生物的生长反过来又会影响环境条件。为使微生物良好地生长、繁殖或积累代谢产物，必

26、须创造尽可能适宜的生长条件。目标明确目标明确营养协调营养协调经济合理经济合理条件适宜条件适宜pH渗透压及其他条件 目标明确目标明确 根据培养的对象和目的，如培养何菌，获何产物，用于实验室还是大规模生产以及作种子培养用还是发酵用来制备培养基。渗透压渗透压培培养养嗜嗜盐盐微微生生物物(如如嗜嗜盐盐细细菌菌)和和嗜嗜渗渗 透透压压微微生生物物(如如高高渗渗酵酵母母)时时就就要要提提高高培培养养基基的的渗渗透透压压。培培养养嗜嗜盐盐微微生生物物常常加加适适量量NaCl，海海洋洋微微生生物物的的最最适适生生长长盐盐度度约约3.5%。培培养养嗜嗜渗渗透透压压微微生生物物时时要要加加接接近近饱和量的蔗糖。饱

27、和量的蔗糖。营养协调营养协调 培养基应含有维持微生物最适生长所必须的一切营养物质。但更重要的是，营养物质浓度与配比要合适，就是要做到培养基营养协调。pH最适pH：细菌7.08.0，放线菌7.58.5，酵母菌3.86.0，霉菌4.05.8。培养基pH可以通过加入碱性或酸性化合物NaOH和HCl来调节。通常可加入缓冲液或微溶性碳酸盐。常用由一氢与二氢磷酸盐(如K2HPO4与KH2PO4)的等摩尔溶液(pH6.8)组成的磷酸缓冲液。此外，通常还要在培养基中加入作为指示剂的染料以指示培养基的pH变化。共28页 第36页目录3.3.2.1 根据所培养微生物的类群与营养类型区分根据所培养微生物的类群与营养

28、类型区分3.3.2 培养基的种类及其应用培养基的种类及其应用3.3.2.2 根据对培养基成分的了解程度区分根据对培养基成分的了解程度区分3.3.2.3根据制备后培养基的物理状态区分根据制备后培养基的物理状态区分3.3.2.4根据培养基的功能区分根据培养基的功能区分共28页 第37页目录细菌培养基放细菌培养基酵母菌培养基霉菌培养基自养微生物培养基异养微生物培养基3.3.2.1 按培养微生物与营养类型区分按培养微生物与营养类型区分共28页 第38页目录合成培养基合成培养基 -化学成分确定3.3.2.2 按按对培养基成分的了解程度区分对培养基成分的了解程度区分 半合成培养基半合成培养基 -化学成分部

29、分确定天然培养基天然培养基 -化学成分不确定用纯化学试剂和天然物质可配制成半合成培养基半合成培养基，如培养真菌用的马铃薯蔗糖培养基。天然培养基天然培养基采用动植物组织或微生物细胞或它们的提取物或粗消化产物配制而成的。（牛肉膏蛋白胨培养基）优点：优点：所用物质取材方便，营养丰富，而且配制方便。缺点：缺点：所用物质的成分不稳定，因而营养成分难以控制，实验结果的重复性差。合成培养基合成培养基是通过顺序加入准确称量的高纯化学试剂与蒸馏水配制而成的，其所含成分(包括微量元素在内)以及它们的量都能确切地知道。（异养微生物培养基）优点：优点：化学成分确定并精确定量，实验的可重复性高；缺点：缺点：配制较烦，成

30、本较高。应用：应用：实验室中进行的营养、代谢、遗传育种、鉴定和生物测定等定量要求较高的研究。共28页 第39页目录呈液态的培养基为液体培养液体培养基基。它广泛用于微生物学实验和生产，在实验室中主要用于生理、代谢研究和获得大量菌体。在发酵生产中极大多数发酵培养基为液体培养基。固体培养基固体培养基3.3.2.3 按制备后培养基的物理状态区分按制备后培养基的物理状态区分 液体培养基液体培养基 半固体培养基半固体培养基如在液体培养基中加0.5%或更低浓度的琼脂就制成柔软的浆糊状半固体培养基，它们用于微好氧细菌的培养或细菌运动能力的确定。固体培养基固体培养基(呈固体状态的培养基)，有加凝固剂后制成的；有

31、直接用天然固体状物质制成的；还有在营养基质上覆上滤纸或滤膜等制成的。常用的固体培养基常用的固体培养基是在液体培养基中加入琼脂(约2%)或明胶(5%12%)，加热到100，然后再冷却并凝固的培养基。天然固体培养基天然固体培养基直接用某些天然固体状物质制成，如培养真菌用麸皮、大米、玉米粉和马铃薯块培养基。取材和制备都很方便，为生产所常用。共28页 第40页目录 选择培养基选择培养基 3.3.2.4 按培养基的功能区分按培养基的功能区分选择培养基选择培养基通过加入不防碍目的微生物生长而抑制非目的微生物生长的物质以达到选择的目的。常用抑制物质常用抑制物质有有染料和抗生素。如分离真菌用的马丁氏培养基中加

32、有抑制细菌生长的孟加拉红、链霉素和金霉素等。选择培养基选择培养基也可通过在培养基中加入目的微生物特别需要的营养物质而使它们加富以达到选择目的。这种选择培养基就是加富培养基加富培养基。用于加富的营养物质通常是碳源和氮源，例如富集纤维素分解菌选用的纤维素等。选择压力培养基选择压力培养基 鉴别培养基鉴别培养基 鉴别培养基鉴别培养基是一类在培养基中添加某种化学物质而将目的或对象微生物的菌落与同一平板上的其他微生物菌落区别开来的培养基。用于鉴别肠道杆菌中某些细菌的伊红美蓝培养基伊红美蓝培养基是最好的例子。现代基因克隆技术中，基因工程的载体上常带有各种遗传学标记，当这样的载体携带目的基因转入受体菌时，由于

33、标志基因所对应的遗传表型与受体菌是互补的，因此在培养基中施加合适的选择在培养基中施加合适的选择压力压力，将受体菌接入这种选择压力培养基，形成菌落的受体菌就是克隆子克隆子，即基因工程目的菌，而非克隆子则不生长。遗传学标记可以是氨苄青霉素抗性基因、四环素抗性基因、红霉素抗性基因等，相应的选择压力培养基中除了加入合适的营养成分外，再加入氨苄青霉素、四环素、红霉素等。共28页 第41页目录伊红美蓝培养基中的伊红和美蓝的作用：伊红美蓝培养基中的伊红和美蓝的作用：鉴别染色，鉴别染色，伊红是一种红色酸性染料，美蓝是一种蓝色碱性染料。大肠杆菌能强烈分解乳糖产生大量有机酸，结果与两种染料结合形成深紫色菌落。由于

34、伊红还发出略呈绿色的荧光，因此在反射光下可以看到深紫色菌落表面有绿色金属闪光。而肠道内的沙门氏菌和志贺氏菌不发酵乳糖，所以形成无色菌落。这样就可以将无害的大肠杆菌与致病的沙门氏菌和志贺氏菌区别开来。抑制某些细菌抑制某些细菌(革兰氏阳性细菌与一些难以培养的革兰氏阴性细菌)生长的作用。此外，这两种染料在pH值低时结合形成沉淀，可起产酸指示剂的作用。伊红美蓝培养基在饮用水、牛乳的细菌学检查以及遗传学研究上有着重要的用途。共28页 第42页目录3.4 培养基设计原理与优化方法培养基设计原理与优化方法 3.4.1 培养基的设计原理培养基的设计原理菌体的同化能力培养基对菌体代谢的阻遏与诱导影响碳氮比对菌体

35、代谢调节的重要性 pH值对不同菌体代谢的影响 共28页 第43页目录有些微生物由于水解酶系的缺乏只能够利用简单的物质，而有些微生物则可以利用较为复杂的物质。因而在考虑培养成分选择的时候，必须充分考虑菌种的同化能力，从而保证所选用的培养基成分是微生物能够利用的。在选取用淀粉、黄豆饼粉这类原料作为培养基时，必须考虑微生物是否具备分泌胞外淀粉酶和蛋白酶的能力。葡萄糖是几乎所有的微生物都能利用的碳源，因此在培养基选择时一般被优先考虑，但工业上如果直接选用葡萄糖作为碳源，成本相对较高，一般采用淀粉水解糖。在工业生产上，将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所得的糖液称为淀粉水解糖液。菌体的同化能力菌体

36、的同化能力共28页 第44页目录谷氨酸发酵生产中水解糖液的质量指标谷氨酸发酵生产中水解糖液的质量指标 项项 目目质量要求质量要求色泽浅黄色、杏黄色，透明糊精反应无还原糖含量18%左右葡萄糖值(DE值)90%以上透光率60%以上pH4.64.8共28页 第45页目录 不同糖化工艺所得糖液质量比较 项目项目酸法酸法酸酶法酸酶法双酶法双酶法葡萄糖(DE值)/%919598葡萄糖含量/干重/%869397灰分/%1.60.40.1蛋白质/%0.080.080.10色度/%0.300.0080.003羟甲基糠醛10.00.30.2葡萄糖收得率/%8090比酸法高5%比酸法高10%共28页 第46页目录培

37、养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响培养基对菌体代谢的阻遏与诱导的影响 碳碳 源源生物量生物量/(g/L)-淀粉酶淀粉酶活力活力/(U/mL)果胶酶活果胶酶活力力/(U/mL)葡萄糖4.200.77果糖4.1800蔗糖4.0200.66糊精3.0638.20.52淀粉3.0940.21.92 葡萄糖效应，葡萄糖效应，亦“葡萄糖分解阻遏作用”，是指当菌种利用葡萄糖时产生的分解代谢产物会阻遏或抑制某些产物合成所需的酶系的形成或酶的活性的作用。碳源对地衣芽孢杆菌和黑曲霉生长和产酶的影响 共28页 第47页目录 碳氮比对菌体代谢调节的重要性 培养基中碳氮比对微生物生长繁殖和产物合成的影响极为显著。氮源过多

38、，会使菌体生长过于旺盛，pH偏高，不利于代谢产物的积累；氮源不足，则菌体繁殖量少，从而影响产量。碳源过多则容易形成较低的pH；若碳源不足则容易引起菌体的衰老和自溶。微生物在不同的生长阶段对碳氮比的最适要求 也不一样。一般来讲，因为碳源既作为碳骨架参与菌体和产物的合成又作为生命过程中的能源，所以比例要求比氮源高。共28页 第48页目录 pH值对不同菌体代谢的影响 微生物的生长和代谢除了需要适宜的营养环境外，其他环境因子也应处于适宜的状态。其中pH就是极为重要的环境因子。合理配制培养基是保证发酵过程中pH能满足工艺要求的决定因素之一。因而在选取培养基的营养成分时，除了考虑营养的需求外，也要考虑其代

39、谢后对培养体系pH缓冲体系的贡献，从而保证整个发酵过程中pH能够处于较为适宜的状态。共28页 第49页目录确定发酵培养基的思路步骤首先必须做好调查研究工作，了解菌种的来源、生长规律、生理生化特性和一般的营养要求。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，提取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。最好先以一种较好的化学合成培养基为基础，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营养物质，在合成培养基上得出一定结果后，再做复合培养基试验；最后通过试验确定各种发酵条件和培养基的关系。共28页 第50页目录培养基设

40、计与优化过程一般要经过以下几个步骤：培养基设计与优化过程一般要经过以下几个步骤：根据以前的经验以及培养基成分确定时必须考虑的一些问题，初步确定可能的培养基组分；通过单因素优化实验确定最为适宜的各个培养基组分及其最适浓度；最后通过多因子实验，进一步优化培养基的各种成分及其最适浓度。培养基不仅影响产物的产率，而且还可能影响产物的组成和产培养基不仅影响产物的产率，而且还可能影响产物的组成和产量，因此要对培养基进行优化。量，因此要对培养基进行优化。在实际的生产中，培养基的优化通常和培养条件的优化紧密结在实际的生产中，培养基的优化通常和培养条件的优化紧密结合在一起，所以微生物发酵培养基的优化需要同时注重两个方合在一起，所以微生物发酵培养基的优化需要同时注重两个方面的内容：一是对培养基进行优化，二是对发酵的条件，如温面的内容：一是对培养基进行优化，二是对发酵的条件，如温度、度、pH、通气量、搅拌速度等发酵条件进行优化和控制。、通气量、搅拌速度等发酵条件进行优化和控制。3.4.2 培培养基的优化方法养基的优化方法共28页 第51页目录本章小结工业培养基的成分及来源培养基的不同分类培养基的设计原理与优化步骤