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发酵工程4.ppt

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第四章 培养基及其制备,本章教学内容,第一节 原料 第二节 原料的预处理 第三节 淀粉的水解糖的制备 第四节 糖蜜原料的处理 第五节 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。,2,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,如通气、搅拌、精制、废弃物的处理等所带来的困难最少。,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器的结构有关。 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。,二、常用主要原料及其化学组成,1,常用原料种类 薯类:甘薯、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。 其它原料:石油化工产品、无机盐类等。,2,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,是微生物生长繁殖的氮源。 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。,三、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。,2,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。,3,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。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。,,(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。,细菌、酵母和真菌的元素组成(按干重%计),,,(3)有些微生物无力的合成特定营养物,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。,,(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,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30/0.5=60gdm-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。,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:,,,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。1g葡萄糖的最大青霉素转化产量为0.0538g,这个理论值数倍于实验值。,Cooney(1979)以青霉素生物合成的途径为基础,
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