发酵工程 精品课程
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华东理工大学 ·生物工程学院
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第三章:发酵培养基
培养基, 广义上讲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。同时培养基也为微生
物培养提供除营养外的其它所必须的条件。
发酵培养基的作用:
? 满足菌体的生长
? 促进产物的形成
发酵培养基
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发酵培养基的要求
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。
发酵培养基
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第一节 培养基的类型及功能
培养基按其组成物质的纯度、状态、用途可分为三大类型
一、按纯度
合成培养基, 原料其化学成分明确、稳定
? 适合于研究菌种基本代谢和过程的物质变化规律
? 培养基营养单一,价格较高,不适合用于大规模工业
生产
天然培养基, 采用天然原料
? 原料来源丰富 (大多为农副产品 )、价格低廉、适于工业
化生产
? 原料质量等方面不加控制会影响生产稳定性
发酵培养基
?培养基的类型及功能
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M培养基 (1L),Na2HPO4 6g,KH2PO4 3g,
NaCl 0.5g,NH4Cl 1g,MgSO4.7H2O 0.5g,
CaCl2 0.011g,葡萄糖 2-10,pH 7.0
YPS培养基:酪蛋白胨(日本大五营养) 10g,酵母
提取物(英国 Oxoid) 5g,NaCl 10g,PH 7.2
培养大肠杆菌常用两种培养基
发酵培养基
?培养基的类型及功能
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二、按状态
固体培养基,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、白木耳等的生产
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 0.5%~ 0.8%,主要用于微生物的鉴定。
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,是发酵工业大规模使用的培养基。
三、按用途(从发酵生产应用考虑)
培养基按其用途可分为 孢子(斜面) 培养基,种子 培养基
和 发酵 培养基三种
发酵培养基
?培养基的类型及功能
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第二节 发酵培养基的成分及来源
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需
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
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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3、工业上常用的糖类
① 葡萄糖
?所有的微生物都能利用葡萄糖
?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
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大
发酵培养基
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② 糖蜜
糖蜜是制糖生产时的结晶母液,它是制糖工业的副产物 。
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葡萄糖蜜 。
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响
发酵培养基
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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
有害物资: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(导致异柠檬酸的生成)
预处理,→ 黄血盐
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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② 淀粉、糊精
使用条件: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 α-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、价格底
难利用,可以解除葡萄糖效应
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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例:地衣牙孢杆菌生产 α-淀粉酶
碳源对生长和产酶的影响
碳源 细胞量 α-淀粉酶
葡萄糖 4.2 0
蔗糖 4.02 0
糊精 3.06 38.2
淀粉 3.09 40.2
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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李江华,无锡轻工大学学报,2004
(半纤维素酶 )
(1.5g麸皮 )
发酵培养基
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嗜碱芽胞杆菌 (AC-2)中碳源对碱性纤维素酶分泌的影响
结果:各种碳源相差不大
推论:该菌种的碱性纤维素酶为组成型
苏勤,林业化学与工业,2004
发酵培养基
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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
种类,氨盐、硝酸盐和氨水
特点,微生物对它们的吸收快,所以也称之谓迅速利
用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起 pH的变
化如:
(NH4)2SO4 → 2NH3 + 2H2SO4
NaNO3 + 4H2 → NH3 + 2H2O + NaOH
发酵培养基
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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:
? 满足菌体生长
? 稳定和调节发酵过程中的 pH
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
毛霉产蛋白酶的研究
陈涛,中国酿造,2004
初始 pH的影响, pH偏酸比较好,中性蛋白酶影响大
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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无机氮源的影响:
硫酸铵 >硝酸铵 >硝酸钠 >尿素
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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2、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、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋
白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒
糟 。
成分复杂,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、微量元素等
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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有机氮源成分复杂可以从多个方
面对发酵过程进行影响,而另一方面
有机氮源的来源具有不稳定性。所以
在有机氮源选取时和使用过程中,必
须考虑原料的波动对发酵的影响
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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氮源使用的一些相关问题:
? 有机氮源和无机氮源应当混合使用
早期:容易利用易同化的氮源 — 无机氮源
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
? 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
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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三、无机盐的微量元素
1、作用:各种不一样
2,来源,C,N源,以盐的形式补充
3,用量:根据具体的产品,以实验决定,P104
4,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
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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例:铁离子
青霉素发酵中,铁离子的浓度要小于 20μg/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)
例, 黑曲酶 NRRL-330,生产 α-淀粉酶,P对酶活的影响
pH 酶活
不加 4.25 120分钟
加 K2HPO4 5.45 30分钟
加 KH2PO4 4.62 75分钟
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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四、生长因子、前体和产物促进剂
从广义上讲,凡是微生物生长不可缺少的微量的有机
物质,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。
1、生长因子
如以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌均为生物素缺陷
型,以生物素为生长因子,生长因子对发酵的调控起到重
要的作用 。
有机氮源是这些生长因子的重要来源,多数有机氮源
含有较多的 B簇维生素和微量元素及一些微生物生长不可
缺少的生长因子
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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前体指某些化合物加入到发酵培养基中, 能直接彼微生
物在生物合成过程中合成到 产物 物分子中去, 而其自身的结
构并没有多大变化, 但是产物的产量却因加入前体而有较大
的提高 。
2、前体
青霉素:分子量 356 苯乙酸,分子量 136
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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作用,前体有助于提高产量和组份 P107
用量,前体的用量可以按分子量衡算,具体使用有个转化
率的问题
例,6000单位 /ml的青霉素 G,需要多少苯乙酸
青霉素= 6000*0.6(微克)= 36mg/ml
苯乙酸=( 36*136) /356=13.8mg/ml=1.38%
实际使用时的转化率在 46-90%之间
例某厂单耗为,0.337( kg/10亿青霉素)
转化率为,13.8/[(0.337/0.6)*36]=68%
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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用法,前体使用时普遍采用流加的方法
前体一般都有毒性,浓度过大对菌体的生长不利
苯乙酸,一般基础料中仅仅添加 0.07%
前体相对价格较高,添加过多,容易引起挥发和氧化,
流加也有利于提高前提的转化率
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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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
非前体,但加入后却能提高产量的添加剂。
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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促进剂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;
?有些促进剂是表面活性剂,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。
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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五、水
对于发酵工厂来说,恒定的水源是至关重要的,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。
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。
发酵培养基
?发酵培养基的成分及来源
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第三节 发酵培养基的设计和优化
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、微生物学等的基本理论,参照前人所使用的较适合
某一类菌种的经验配方,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。
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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一、培养基成分选择的原则
? 菌种的同化能力
? 代谢的阻遏和诱导
? 合适的 C,N比
100∶ 0.2~ 2.0
? pH的要求
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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(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中转化率的大小
如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个
目标
二、成分含量的确定
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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例, 如在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下 ∶
葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为 ∶
C6H12O6 ─→ 2C 2H5OH + 2CO2
葡萄糖转化为酒精的理论得率为 ∶
2*46
Y = ─── = 0.57
162
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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(二)、实验设计
?培养基成分的含量最终都是通过实验获得的
?合理的实验方法
?多因子实验:均匀设计、
正交实验设计、
响应面分析等。
?多因子实验
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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③ 当培养基成分确定后,剩下的问题就是各成分最适
的浓度,由于培养基成分很多,为减少实验次数常采
用一些合理的实验设计方法。
三、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 通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分;
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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类胡萝卜素高产菌 Y11的培养基的优化
郭秒,食品与工业发酵,2004
类胡萝卜素的作用:色素、营养保健
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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原培养基,
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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? 初步确定可能的培养基成分 (以碳源为例 )
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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通过单因子实验确定适宜的培养基成分 (以碳源为例 )
考虑到成本:乙酸钠是较为合适的碳源
进一步:乙酸钠的浓度 2%比较好
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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结果:
碳源:乙酸钠 0,2%
氮源:氯化铵 0.2%
酵母膏 0.03%
无机盐, 复合无机盐 0.05%
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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? 正交设计确定优化的配方
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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改进后培养基
原培养基
第三章 发酵培养基
改进后培养基的发酵结果
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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四、摇瓶水平到反应器水平的优化配方
摇瓶、反应器培养基研究的两个层次
? 摇瓶 ——培养基设计的第一步
? 反应器 —最终的优化的基础配方
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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例,青霉素发酵
发酵摇瓶,玉米浆 4%,乳糖 10%,(NH4)SO4 0.8%
轻质碳酸钙 1%
发酵罐,葡萄糖流加控制总量 10-15%,玉米浆总量 4-8%
补加硫酸、前体等
摇瓶发酵培养基和罐的基础培养差别很大
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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摇瓶优化配方:菌种筛选,反应器研究的基础
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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发酵罐:反应器水平,
可以得出最
终优化的基
础配方
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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pH控制摇床:反应器水平上的摇瓶研究
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
pH控制摇床在 1,3-丙二醇
发酵中的应用
华东理工大学
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
1,3-丙二醇的用途:
最重要的用途是作为单体与对苯二甲酸丙二醇聚
合生产聚酯聚对苯二甲酸丙二醇酯 (PTT)
可作为增塑剂、洗涤剂、防腐剂和乳化剂等用于
食品、化妆品和制药等工业
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
PTT的
性能
PTT PET
涤纶
Nylon
尼龙、锦纶
Acrylic
亚克力
Spandex (Lycra)
莱卡、氨纶
柔韧度 ++ - + + NA
弹性 + - --- - ++
丰满度 ++ - --- + NA
磨损 + + ++ - --
抗污染力 ++ ++ - --- --
洗涤牢度 ++ ++ - --- --
日晒牢度 + + - ++ --
抗静电力 ++ ++ - --- NA
色彩密度 --- - + ++ --
成本 --- ++ - + --
PTT最目前性能最好的纤维
被誉为 21世纪的大型纤维
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
1,3-丙二醇两步发酵法

甘油
1,3-丙二醇
酵母
伯氏肺炎杆菌、丁酸梭菌等
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
伯氏肺炎杆菌 1,3-丙二醇的代谢
甘油
三羟基丙醛
1,3-丙二醇
二羟丙酮 丙酮酸
乙酸 乙醇
乳酸 丁醇
丁酸 丁二醇
2H
H2O
pH下降
厌氧过程,pH下降
2H
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
不同 pH条件对甘油消耗的影响
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
摇瓶培养基分批培养过程结果
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
补料培养过程
甘油
浓度为 3,43%,对甘油转化率为 19%
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
1,3-丙二醇的浓度 5.37%,转化率 为 40%
进一步优化培养基后过程
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
1,3-丙二醇的浓度为 6.72%,对甘油转化率为
54,7%,生产强度为 1,9g/ L.h。
进一步优化条件后
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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五、培养基设计时注意的一些相关问题
? 原料及设备的预处理
? 原材料的质量
? 发酵特性的影响
在抗生素发酵生产中往往喜欢所谓的, 稀配
方,,因为它既降低成本、灭菌容易、且使氧
传递容易而有利于目的产物的生物合成。如果
营养成分缺乏,则可通过中间补料方法予以弥
补。
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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? 灭菌
在大规模发酵中应该尽可能的采取连续灭菌的操作,
而且保证灭菌条件的稳定是保证发酵稳定的前提
有时避免营养物质在加热的条件下,相互作用,
可以将营养物质分开消毒。
有些物质由于挥发和对热非常敏感,就不能采用湿
热的灭菌方法
Na2HPO4+CaCO3→CaHPO 4+Na2CO3
发酵培养基
?发酵培养基的设计和优化
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第四节、重组产品培养基的介绍
? 大肠杆菌高密度度培养:
碳源:葡萄糖、甘油
氮源:胰蛋白胨、酵母粉
无机盐:磷、镁等
发酵培养基
?重组产品培养基的介绍
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蛋白胨、酵母粉 (OXOID)
章越,生物工程学报,2004
发酵培养基
?重组产品培养基的介绍
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? 动物细胞培养基
基础培养基, F12,DMEM等
血清 (5-10%):胎牛 (FBS),小牛 (CS),马 (HS)
水:超纯水
其它,NaHCO3( CO2)、抗生素
发酵培养基
?重组产品培养基的介绍
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GONG,J,B,B,2003
发酵培养基
?重组产品培养基的介绍
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本章小节:
? 培养基 — 菌体生长所需的营养以及其它必须的条件
? 了解发酵培养基的组成,发酵培养基常用的原料以
及其中的基本概念
? 发酵培养基的优化与设计是发酵工程的基本问题,
掌握发酵培养基优化与设计的思路、了解其中的
方法
发酵培养基
?小节
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发酵培养基
聚类分析在红霉素摇瓶培养基
无机盐分析中的应用
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发酵培养基
6971
5188
2262
3732
0
2000
4000
6000
8000
A B C D
红霉素效价
(
U
/
ml
)
A:黄豆饼粉 3%; B:棉籽饼粉 2.37%
C:酵母粉 2.74%; D:玉米浆(固体) 2.8%
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? 设计了 A— N种氮源组合(蛋白质含量相同):
? A:黄豆饼粉 3%; B:黄豆饼粉 1.5%+棉籽饼粉 1.18%; C:黄豆饼粉
1.5%+酵母抽提液 0.96%; D:黄豆饼粉 1.5%+蛋白胨(进口) 0.78%; E:
酵母粉 2.74%; F:棉籽饼粉 2.37%; G:蛋白胨(国产) 1.47%; H:蛋
白胨(进口) 1.57%; I:酵母抽提液 1.91%; J:棉籽饼粉 1.18% +酵母
粉 1.37%; K:棉籽饼粉 1.18%+蛋白胨(国产) 0.74%; L:棉籽饼粉
1.18%+蛋白胨(进口) 0.78%; M:酵母粉 1.37%+酵母抽提液 0.96%; N:
蛋白胨(国产) 0.74%+蛋白胨(进口) 0.78%。
发酵培养基
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发酵培养基

(mg/100ml)

(mg/100ml)

(mg/100ml)

(mg/100ml)

(mg/100ml)

(mg/100ml)
效价
( μg/ml)
A
B
C
48.551
41.553
52.206
7.313 0.1319 0.7882 0.0330 18.611 7099
9.944
6.874
0.1553
0.1273
0.5398
0.5649
0.0388
0.0174
22.939
31.952
6355
2883
D 24.411 4.538 0.0896 0.4215 0.0173 15.397 5806
E
F
47.668 5.610 0.1343 0.4609 0.0211 37.924 2136
34.700 12.629 0.1794 0.2927 0.0449 27.382 5323
G 23.753 0.035 0.0095 0.0266 0.0015 7.159 6170
H 0.273 1.775 0.0477 0.0552 0.0016 12.261 2100
I 55.569 6.402 0.1220 0.3398 0.0019 45.056 3036
J 41.111 9.093 0.1565 0.3762 0.0329 32.595 4274
K 29.234 6.305 0.0941 0.1591 0.0231 17.237 4607
L 17.413 7.170 0.1130 0.1732 0.0231 19.725 4853
M 51.764 6.022 0.1285 0.4012 0.0115 41.608 1890
N 12.093 0.899 0.0285 0.0408 0.0015 9.695 3766
不同有机氮源培养基中无机盐含量及对应红霉素效价
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? 本实验运用 SPSS软件中的快速聚类分析方法( K-Means
Cluster Analysis)对无机盐进行了分析,将各种无
机盐含量分成高低两类。
? 根据聚类分析结果可以将各种无机盐高低两个水平下
对应的效价分成两类。这两类效价之间是否存在显著
差别,即各种无机盐的高低两个水平对效价的影响是
否显著,本实验用两独立样本 T检验进行了分析。
发酵培养基
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发酵培养基
其中 A— N表示各种氮源组合,*号表示 T检验结果存在显著差异。
高水平类 低水平类 高水平类对应平均效价 低水平类对应平均效价 极差 显著性 P值
钾 A B C EF I J M D G HK L N 4122 4550 428 0.663
镁 A B C E FI J K L M D G H N 4244 4461 217 0.841
锌 A B C E FI J L M D G HK N 4203 4490 287 0.778
铁 A B C DE I J M F G HK L N 4182 4470 288 0.77
铜 A B F J C D E G HI K L M N 5758 3725 2033 0.04*
磷 C E FI J M A B D GH K L N 3257 5092 1835 0.042*
无机盐聚类分析结果及 T检验结果
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发酵培养基
聚类分析结果的验证
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发酵培养基
A:黄豆饼粉 3%; B:黄豆饼粉 3%+0.01%无机磷
C:黄豆饼粉 3%+0.02%无机磷
6890
2939
*
3813
*
0
2000
4000
6000
8000
A B C
红霉素效价(
μg/ml)
磷对红霉素效价的影响
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发酵培养基
A:蛋白胨(进口) 1.57%
B:蛋白胨(进口) 1.57%+0.035mg%无机铜
C:蛋白胨 (国产 )0.74%+蛋白胨 (进口 )0.78%
D:蛋白胨 (国产 )0.74%+蛋白胨 (进口 )0.78%+0.035mg%无机铜
2108 2120
3634 3688
0
1000
2000
3000
4000
A B C D
红霉素效价(
μg/ml

铜对红霉素效价的影响
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发酵培养基
通过以上铜和磷的添加实验,我们证实磷含量的变
化对红霉素效价确实存在显著影响,而铜含量的
变化对效价并无显著影响。可见聚类分析的结果
虽不是百分之百正确,但对实践还是有较高的指
导作用,通过它我们很快找到了影响红霉素效价
的关键因素。
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