长春医学高等专科学校教案 教学改革及创新 根据本节课的内容特点, 本节课的内容比较简单, 容易理解, 可以通过让学生带着问题自学, 然 后通过提问了解学生自学的情况, 在进行归纳总结, 提高学生的自学能力 教学手段和教学方法 教学方法 : 讨论式教学培养基配制的一般原则协作学习法应用在培养基的成分的

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1 长春医学高等专科学校教案 第次课 2 学时 任课教师姓名臧学丽职称副教授教龄 10 年 授课时间 3 月 13 日 1 单元月日单元月日单元月日单元月日单元 授课地点 5209 教 教学内容纲要时间分配 项目三培养基的制备任务一固体培养基的制备一 培养基条件与微生物生理学和形态学的相关性二 培养基的要素三 配制工业发酵培养基的一般要求四 培养基配制的原则任务二液体培养基的制备课内知识 能力 素质目标 知识目标 : 掌握 : 培养基的概念掌握 : 工业发酵培养基的主要成分及其作用熟悉 : 影响工业培养基质量的因素了解 : 工业发酵培养基配方的一般设计思路能力目标 : 能正确选择工业发酵培养基的原料 能够配制适合不同发酵阶段需要的培养基素质目标 : 培养学生的团队意识和严谨的学习态度 教学设计 通过复习以前学习的内容, 使学生联系实际来学习对培养基的配制的一般要求, 以及在配置培养基 时, 应注意哪些原则 教学重点及难点 教学重点 : 配制工业发酵培养基的一般要求 培养基配制的原则 教学难点 : 工业发酵培养基的配方设计

2 长春医学高等专科学校教案 教学改革及创新 根据本节课的内容特点, 本节课的内容比较简单, 容易理解, 可以通过让学生带着问题自学, 然 后通过提问了解学生自学的情况, 在进行归纳总结, 提高学生的自学能力 教学手段和教学方法 教学方法 : 讨论式教学培养基配制的一般原则协作学习法应用在培养基的成分的讲解教学手段 : 多媒体培养基配制的一般过程 本章在发酵工程中的地位获得了优良的菌种, 要想达到发酵要求的数量和质量的种子, 必须提供菌种生长的最适营养条件, 培养基就是提供菌种营养条件所必须的物质, 因此, 在发酵过程中, 是否选择菌种适当的培养基是发酵的关键 课后分析及改进措施

3 长春医学高等专科学校教案 教学过程设计 教学内容教学方法 教师活动 学生活 动 设计意图 通过讨论引导学生从 根据不同的菌种, 应选 择不同的材料配制培 养基 配制的培养基应 培养基的设 计 讲授法 讨论式 举例法 满足微生物在碳源 氮源 生长因子 水 无机盐等方面的营养要求, 并为微生物提供适 学生分析 让学生能用正 交试验设计培 养基 宜的 ph 举一个正交试验设计 培养基配方设计的实 例 影响培养基 质量的因素 讲授法 讲授学生自学相结合 学生根据 教材自学 培养学生自学 能力 发酵生产常采用 原料转换的 意义 启发式 天然成分的液体培养基 而且, 经常用野生的植物淀粉 甘蔗渣 秸秆水解物以及乙醇 醋酸等石化产品代替 学生通过自学进行并且进行总结 增强学生自学 的能力 粮食来配制培养基

4 长春医学高等专科学校教案 第三章工业发酵培养基 板书设计 第一节 概述 一 培养基条件与微生物生理学和形态学的相关性二 培养基的要素三 配制工业发酵培养基的一般要求四 培养基配制的原则 第二节 工业发酵培养基的成分 一 碳源二 氮源三 无机盐的微量元素四 生长因子 前体和产物促进剂 课后小结 1 配制工业发酵培养基的一般要求 2 工业发酵培养基的成分 参考书目 发酵工程 刘冬张学仁 高等教育出版社 第一版 发酵工艺原理 熊宗贵 中国医药科技出版社 第一版 发酵工程原理与技术应用 余龙江 化学工业出版社 第一版 发酵工程实验指导 吴根福 高等教育出版社 第一版 思考题 发酵培养基的成分有哪些? 教研室检查系部检查学校检查

5 项目三培养基的制备 教学要求 掌握 : 培养基的概念掌握 : 工业发酵培养基的主要成分及其作用熟悉 : 影响工业培养基质量的因素了解 : 工业发酵培养基配方的一般设计思路 复习提问 诱变育种菌种选育的优缺点 导入新课 微生物生长 繁殖 代谢和产物合成需要营养, 人工配制的培养基可为微生物提供必需的营养, 除此之外, 培养基还为微生物的生长提供必要的环境条件任务一固体培养基的制备培养基 : 人们提供微生物生长繁殖和生物合成各种营养物的混合物一 培养基条件与微生物生理学和形态学的相关性培养基条件条件 : 培养基组成 PH 值二价阳离子阴离子聚合物表面活性剂和固形物含量 1 微生物合成次级代谢产物能力与培养基条件密切相关, 它影响菌丝形态, 2 改变细胞表面组成而影响菌体形态 3 培养基的组成改变细胞的通透性, 改变微生物的代谢产物 二 培养基的要素

6 1 选择适宜的营养物质 2 营养物质浓度及配比合适 3 控制 PH 值条件 4 控制氧化还原电位 5 原料来源的选择 6 灭菌处理三 配制工业发酵培养基的一般要求 1 营养物组成比较丰富, 浓度适当 2 各种原材料彼此不产生化学反应, 理化性相当稳定 3 黏度适当, 渗透压稳定 4 原材料品种及浓度对代谢产物生物合成过程, 要有利于产物生物合成, 高产率维持时间长, 副产物合成率要降至最低 5 不影响发酵过程的通气和搅拌, 便于产物的分离纯化 6 原材料尽量选质优价廉, 成本低 四 培养基配制的原则 ( 一 ) 选择适宜的营养物质根据不同微生物的营养需要, 配制不同的培养基 如配制自养型微生物的培养基完全可以由简单的无机物组成 而配制异养型微生物的培养基则至少有一种有机物 例如, 培养细菌可采用牛肉膏蛋白胨培养基, 培养酵母菌用麦芽汁培养基 ( 二 ) 营养物质浓度及配比合适培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好, 营养物质浓度过低时不能满足

7 微生物正常生长所需, 浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用, 例如高浓度糖类物质 无机盐 重金属离子等不仅不能维持和促进微生物的生长, 反而起到抑菌或杀菌作用, 另外, 培养基中营养物质间的浓度配比特别是碳与氮或碳 氮 磷比要恰当 如利用微生物进行谷氨酸发酵,C:N 为 4:1 时, 菌体大量增殖 ;C:N 为 3:1 时, 菌体繁殖受抑制, 而谷氨酸大量增加 ( 三 ) 控制 ph 条件培养基的 ph 必须控制在一定的范围内 在实验室培养细菌与放线菌一般适于在 ph7~7.5 范围内生长, 酵母菌和霉菌通常在 ph4.5~6 范围内生长 由于在培养微生物的过程中会产生有机酸 CO2 和 NH3, 前两者为酸性物质, 后者为碱性物质, 它们会改变培养基的 ph 所以, 在培养基中需加入缓冲剂, 如 K2HPO4 KH2PO4 Na2CO3 NaHCO3 NaOH 等, 它们既起调节 ph 的作用, 又可在培养过程中调整 ph 的改变 任务二液体培养基的制备一 碳源凡能提供微生物营养所需的碳元素的营养源称为碳源 碳元素是构成机体中有机物分子的骨架 约占细胞干重的 50%, 同时碳元素也是大多数微生物的能源 微生物能够利用的碳源极其广泛, 从简单的无机碳源到复杂的有机碳源, 甚至高度不活跃的烃及人工合成的塑料都可被不同的微生物利用 ( 表 3-1) 但不同的微生物利用含碳物质具有选择性, 利用能力也有差异 对于异养微生物, 最适碳源为 C H O 型, 其中糖类是最广泛的, 其次是醇类 有机酸类和脂类 表 3-1 微生物利用的碳源物质

8 实验室内常用的碳源主要有葡萄糖 蔗糖 淀粉 甘露醇 有机酸等 ; 发酵工业生产实践中, 常用的碳源是农副产品和工业废弃物, 如 : 甘薯粉 玉米粉 饴糖 米糠 酒糟 造纸厂的废水等 将来, 如果能够利用人类和动物不能食用的纤维素 石油和 CO2 等作为碳源来培养大量微生物, 那会是一件很有意义的工作 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 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

9 二 氮源凡是可以被微生物用来构成细胞物质或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为氮源物质 自然界中能被微生物利用的氮源是十分广泛的, 从分子态氮到有机态氮 氮源物质常被微生物用来合成细胞中含氮物质, 少数情况下可作能源物质, 如某些厌氧微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为能源 氮的来源可分为无机氮和有机氮 从分子态氮到结构复杂的含氮化合物, 如硝酸盐 铵盐 氰化物 尿素 蛋白质及蛋白质降解产物等, 都可以被各种微生物所利用 能利用无机氮的微生物种类较多, 尤其是铵盐, 几乎所有微生物都可利用 ; 多数微生物也可利用有机氮 ( 蛋白质 核酸 尿素 氨基酸 )( 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 表 3-2 微生物利用的氮源物质 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 :

10 (NH4)2SO4 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 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 : 满足菌体生长稳定和调节发酵过程中的 ph 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

11 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 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 无机盐的微量元素无机盐主要为微生物提供除碳源 氮源以外的各种重要元素, 是必需和不可缺少的 根据微生物对化学元素需要量的大小, 又可分为大量元素 ( 生长所需浓度在 10-3~10-4M) 和微量元素 ( 生长所需浓度在 10-6~10-8M): 大量元素 :P S K Mg Ca Na Fe 等微量元素 :Cu Zn Mn Mo Co 等无机盐在微生物机体中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分 维持生物大分子和细胞结构的稳定性 ( 表 3-4); 调节并维持细胞的渗透压平衡以及控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等 在微生物的生长过程中还需要一些微量元素, 微量元素一般参与酶的组成或使酶活化, 各种微量元素的生理功能 如果微生物在生长过程中缺乏微量元素, 会导致细胞生理

12 活性降低甚至停止生长 微量元素通常混杂在天然有机营养物 无机化学试剂 自来水 蒸馏水 普通玻璃器皿中, 如果没有特殊原因, 在配制培养基时没有必要另外加入微量元素 值得注意的是, 许多微量元素是重金属, 如果它们过量, 就会对机体产生毒害作用, 而且单独一种微量元素过量产生的毒害作用更大, 因此有必要将培养基中微量元素的量控制在正常范围内, 并注意各种微量元素之间保持恰当比例 在配制细菌培养基时, 对于大量元素来说, 可以加入有关化学试剂, 其中首选 K2HPO4 及 MgSO4, 因为它们可提供四种需要量最大的元素, 对于微量元素, 一般可在化学试剂 天然水 玻璃器皿或是其他天然成分中都可得到, 故在配制培养基时不用单独加入 但在研究营养代谢时, 要根据需要加入 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, 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四 生长因子 前体和产物促进剂 1 生长因子生长因子通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小, 但微生物自身不能合成或合

13 成量不足以满足机体生长需要的有机化合物 狭义的生长因子仅指维生素, 广泛的生长因子除维生素外, 还有碱基 卟啉及其衍生物 甾醇 胺类 C4-C6 的分枝或直链脂肪酸等 根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同, 可将生长因子分为维生素 氨基酸与嘌呤和嘧啶三大类 维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢 ( 表 3-3); 有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力, 因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质, 微生物才能正常生长 ; 嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基, 以及用来合成核苷 核苷酸和核酸 在配制培养基时, 如果配制天然培养基, 可加入富含生长因子的原料, 如酵母膏 玉米浆 肝浸汁 麦芽汁 或其他新鲜的动植物组织液 如果配制的是组合培养基, 则可加入维生素溶液 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 2 前体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

14 高 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 :0.6/(0.337*36/13.8)=68% 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 3 产物促进剂

15 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 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 五 水水是微生物细胞的主要组成成分, 是微生物生存的基本条件 水在细胞中的生理功能主要有 : a. 起到溶剂与运输介质的作用, 营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成 ;b. 参与细胞内一系列化学反应 ;c. 维持蛋白质 核酸等生物大分子稳定的天然构象 ;d. 由于水的比热高, 是热的良好导体, 能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外, 从而有效地控制细胞内温度的变化 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 六 消沫剂

16 1 作用 防止逃液和杂菌, 保证生产的正常运转 2 类型 植物油脂 动物油脂 化学合成的高分子化合物 随堂练习 一 单选题 1. 下列不属于培养基配制原则的是 ( C ) A. 目的要明确 B. 营养要协调 C. 操作要简单 D. PH 值要适当 2. 碳源是构成微生物细胞和代谢产物中碳素的营养物质又是 ( B ) 的来源 A. 营养 B. 能量 C. 油脂 D. 糖类 3. 既是构成菌体细胞的主要成分, 又是一切营养物质传递的介质的是 ( C ) A. 碳源 B. 生长因子 C. 水 D. 无机盐 4. 油脂的作用是 ( C ) A. 调节 PH B. 有利于生物合成 C. 消除泡沫 D. 以上都不对 5. 下列属于速效碳源的是 ( B ) A. 糊精 B. 葡萄糖 C. 石蜡 D. 淀粉 6. 按纯度将培养基分为 ( A ) A. 合成培养基和天然培养基 B. 固体培养基和液体培养基 C. 孢子培养基和种子培养基 D. 合成培养基和固体培养基 7. 可以作为碳源的物质是 ( C )

17 A. 蛋白胨 B. 酵母粉 C. 有机酸 醇 D. 铵盐 8. 种子培养基 发酵培养基一般采用 ( C ) 配制 A. 深井水 B. 自来水 C. 地表水 D. 纯净水 9. 狭义生长因子包括 ( A ) A. 维生素 B. 氨基酸 C. 嘌呤 D. 嘧啶 二. 多选题 1. 影响培养基质量的因素有 ( ABC ) B. 原材料质量的影响 B. 水质的影响 C. 灭菌的影响 D. 湿度的影响 2. 培养基按照纯度可分为 ( AC ) A. 合成培养基 B. 孢子培养基 C. 天然培养基 D. 发酵培养基 3. 工业发酵所用培养基的基本成分包括 ( ABCD ) A. 碳源 B. 氮源 C. 水 D. 无机盐 4. 培养基的成分中, 氮源又可分为 ( AB ) A. 无机氮源 B. 有机氮源 C. 合成氮源 D. 人工氮源 5. 在培养基成分中, 可作为碳源的有 ( ABCD ) A. 糖类 B. 油脂 C. 有机酸 D. 碳氢化合物 6. 配制培养基的要求 ( ABCD ) A. 营养物要丰富, 浓度要适当 B. 理化性质稳定 C. 成本低 D. 渗透压要稳定, 黏度要适中

18 7. 培养基按用途可分为 ( ABC ) A. 孢子培养基 B. 种子培养基 C. 发酵培养基 D. 加富培养基 8. 工业生产中用的双糖主要有 ( AD ) A. 蔗糖 B. 糊精 C. 葡萄糖 D. 麦芽糖

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Microsoft PowerPoint - 第三章 发酵培养基.ppt 发酵工程 Fermentation Engineering 第三章发酵培养基 主讲人 : 郭金玲 第三章发酵培养基 教学目的 : 了解发酵培养基的要求 培养基的类型 和功能 ; 掌握发酵培养基中的碳源, 氮源, 无机盐和微量元素, 生长因子 前体和产物促进剂 ; 掌握发酵培养基的设计和优化方法 教学重点 难点 : 工业上常用的糖类及不同碳源对 发酵的影响及其选择 ; 氮源的种类及对发酵的影响 ; 无机盐使用时应注意的问题

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