培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

發(fā)酵過(guò)程控制技術(shù)|食品生物技術(shù)/藥品生物技術(shù)|

陳珊時(shí)間：2021.5第五節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

目前還不能完全從生化反應(yīng)的基本原理來(lái)推斷和計(jì)算出適合某一菌種的培養(yǎng)基配方，只能用生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)等的基本理論，參照前人所使用的較適合某一類菌種的經(jīng)驗(yàn)配方，再結(jié)合所用菌種和產(chǎn)品的特性，采用搖瓶、玻璃罐等小型發(fā)酵設(shè)備，按照一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法選擇出較為適合的培養(yǎng)基。一、培養(yǎng)基成分選擇的原則

菌種的同化能力

代謝的阻遏和誘導(dǎo)

合適的C、N比

pH的要求

（一）、理論轉(zhuǎn)化率與實(shí)際轉(zhuǎn)化率

理論轉(zhuǎn)化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)微生物的代謝途徑進(jìn)行物料衡算，所得出的轉(zhuǎn)化率的大小。實(shí)際轉(zhuǎn)化率是指實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中轉(zhuǎn)化率的大小如何使實(shí)際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)化是發(fā)酵控制的一個(gè)目標(biāo)二、成分含量的確定例:

如在酒精生產(chǎn)中葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論轉(zhuǎn)化率計(jì)算如下∶

葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的代謝總反應(yīng)衡算式為∶

C6H12O6─→2C2H5OH+2CO2

葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論得率為∶

2*46

Y=───=0.57162（二）、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)基成分的含量最終都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的

合理的實(shí)驗(yàn)方法多因子實(shí)驗(yàn)：均勻設(shè)計(jì)、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面分析等。③當(dāng)培養(yǎng)基成分確定后，剩下的問(wèn)題就是各成分最適的濃度，由于培養(yǎng)基成分很多，為減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)常采用一些合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

三、培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的步驟①根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)基成分確定時(shí)一些必須考慮的問(wèn)題，初步確定可能的培養(yǎng)基成分；②通過(guò)單因子實(shí)驗(yàn)最終確定出最為適宜的培養(yǎng)基成分；類胡蘿卜素高產(chǎn)菌Y11的培養(yǎng)基的優(yōu)化郭秒,食品與工業(yè)發(fā)酵，2004類胡蘿卜素的作用：色素、營(yíng)養(yǎng)保健發(fā)酵生產(chǎn)谷胱甘肽的培養(yǎng)基的優(yōu)化

賀小賢，食品科技，2009原培養(yǎng)基:

初步確定可能的培養(yǎng)基成分(以碳源為例)

通過(guò)單因子實(shí)驗(yàn)確定適宜的培養(yǎng)基成分(以碳源為例)考慮到成本：乙酸鈉是較為合適的碳源進(jìn)一步：乙酸鈉的濃度2%比較好結(jié)果：碳源：乙酸鈉0.2%氮源：氯化銨0.2%

酵母膏0.03%無(wú)機(jī)鹽:復(fù)合無(wú)機(jī)鹽0.005%

正交設(shè)計(jì)確定優(yōu)化的配方改進(jìn)后培養(yǎng)基原培養(yǎng)基改進(jìn)后培養(yǎng)基的發(fā)酵結(jié)果以枯草芽孢桿菌生長(zhǎng)為例1.根據(jù)問(wèn)題的要求和客觀的條件確定因子和水平，列出因子水平表?？疾焖膫€(gè)因素（葡萄糖、酵母膏、蛋白胨和磷酸二氫鉀、碳酸鈣）每個(gè)因素取四個(gè)水平。表1水平表因素水平A葡萄糖B酵母膏C蛋白胨D磷酸二氫鉀E碳酸鈣120.03.36.73.01.0225.04.28.34.01.5330.05.010.04.52.04355.811.75.02.52.根據(jù)因子和水平數(shù)選用合適的正交表，設(shè)計(jì)正交表頭，并安排實(shí)驗(yàn)3.根據(jù)正交表給出的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。四、搖瓶水平到反應(yīng)器水平的優(yōu)化配方搖瓶、反應(yīng)器培養(yǎng)基研究的兩個(gè)層次

搖瓶——培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的第一步

反應(yīng)器—最終的優(yōu)化的基礎(chǔ)配方例：青霉素發(fā)酵發(fā)酵搖瓶：玉米漿4%，乳糖10%，(NH4)SO40.8%

輕質(zhì)碳酸鈣1%發(fā)酵罐:葡萄糖流加控制總量10-15%，玉米漿總量4-8%

補(bǔ)加硫酸、前體等搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基和罐的基礎(chǔ)培養(yǎng)差別很大搖瓶?jī)?yōu)化配方：菌種篩選，反應(yīng)器研究的基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化發(fā)酵罐：反應(yīng)器水平,

可以得出最終優(yōu)化的基礎(chǔ)配方發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化pH控制搖床：反應(yīng)器水平上的搖瓶研究發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化正交試驗(yàn)實(shí)例分析1.碳源對(duì)L-色氨酸發(fā)酵的影響2.無(wú)機(jī)氮源對(duì)L-色氨酸發(fā)酵的影響_x0001_3.有機(jī)氮源對(duì)L-色氨酸發(fā)酵的影響4.檸檬酸鈉對(duì)L-色氨酸發(fā)酵的影響檸檬酸鈉和葡萄糖聯(lián)合代謝會(huì)阻遏有機(jī)酸副產(chǎn)物的生成,抑制丙酮酸激酶的活性,減弱糖酵解途徑,強(qiáng)化HMP途徑[6],有利于L-色氨酸的合成5.正交試驗(yàn)優(yōu)化L-色氨酸發(fā)酵培養(yǎng)基結(jié)果_x0001_影響L-色氨酸發(fā)酵的因素為：葡萄糖>硫酸銨>酵母粉>檸檬酸鈉,最佳工藝條件為A2B2C3D2,即葡萄糖50.0g/L、硫酸銨15.0g/L、酵母粉1.5g/L及檸檬酸鈉2.0g/L。作驗(yàn)證試驗(yàn)并重復(fù)3次,L_x0001_色氨酸產(chǎn)量為19.0g/L。1,3-丙二醇的用途：最重要的用途是作為單體與對(duì)苯二甲酸丙二醇聚合生產(chǎn)聚酯聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)可作為增塑劑、洗滌劑、防腐劑和乳化劑等用于食品、化妝品和制藥等工業(yè)

例如：pH控制搖床在1,3-丙二醇發(fā)酵中的應(yīng)用PTT的性能PTTPET滌綸Nylon尼龍、錦綸Acrylic亞克力Spandex(Lycra)萊卡、氨綸柔韌度++-++NA彈性+-----++豐滿度++----+NA磨損++++---抗污染力++++------洗滌牢度++++------日曬牢度++-++--抗靜電力++++----NA色彩密度----+++--成本---++-+--PTT最目前性能最好的纖維被譽(yù)為21世紀(jì)的大型纖維發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化1,3-丙二醇兩步發(fā)酵法糖甘油1,3-丙二醇酵母伯氏肺炎桿菌、丁酸梭菌等發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化伯氏肺炎桿菌1,3-丙二醇的代謝甘油三羥基丙醛1,3-丙二醇二羥丙酮丙酮酸乙酸乙醇乳酸丁醇丁酸丁二醇2HH2OpH下降厭氧過(guò)程、pH下降2H發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化不同pH條件對(duì)甘油消耗的影響搖瓶培養(yǎng)基分批培養(yǎng)過(guò)程結(jié)果發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化補(bǔ)料培養(yǎng)過(guò)程甘油

濃度為3.43%，對(duì)甘油轉(zhuǎn)化率為19%

發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化搖瓶培養(yǎng)基分批培養(yǎng)過(guò)程結(jié)果補(bǔ)料培養(yǎng)過(guò)程結(jié)果

1,3-丙二醇的濃度5.37%，轉(zhuǎn)化率為40%進(jìn)一步優(yōu)化培養(yǎng)基后過(guò)程發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

1,3-丙二醇的濃度為6.72%，對(duì)甘油轉(zhuǎn)化率為

54.7%，生產(chǎn)強(qiáng)度為1.9g/L.h。進(jìn)一步優(yōu)化條件后發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化五、培養(yǎng)基設(shè)計(jì)時(shí)注意的一些相關(guān)問(wèn)題

原料及設(shè)備的預(yù)處理

原材料的質(zhì)量

發(fā)酵特性的影響

在抗生素發(fā)酵生產(chǎn)中往往喜歡所謂的“稀配方”，因?yàn)樗冉档统杀?、滅菌容易、且使氧傳遞容易而有利于目的產(chǎn)物的生物合成。如果營(yíng)養(yǎng)成分缺乏，則可通過(guò)中間補(bǔ)料方法予以彌補(bǔ)。

滅菌

在大規(guī)模發(fā)酵中應(yīng)該盡可能的采取連續(xù)滅菌的操作，而且保證滅菌條件的穩(wěn)定是保證發(fā)酵穩(wěn)定的前提

有時(shí)避免營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在加熱的條