工业用培养基
从实验室放大到中试规模，最后到工业生产，放大效应会产生各种各样的问题。比如实验室使用的培养基一般黏度较高，而在大型发酵罐中使用，由于气液传递速率降低，高黏度的培养基显然要消耗更高的搅拌功率，故要加以调整。除了能满足生长和产物形成的要求外，培养基的组成也会影响到pH值的变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态。在培养基中，有时也需要添加前体物质或代谢的抑制剂，有时需加促进剂，以促进产物的形成。1、工业上常用的碳源
在微生物发酵过程中，普遍以碳水化合物作为碳源。使用最广的碳水化合物是玉米淀粉，也可使用其他农作物，如大米、马铃薯、番薯、木薯淀粉等。淀粉可用酸法或酶法水解产生葡萄糖，满足生产使用。
蔗糖一般来自甘蔗或甜菜，在发酵培养基中常用的甜菜或甘蔗糖蜜是在糖精制过程中留下的残液。用于生产疫苗的动物细胞培养基，通常是用牛血清蛋白、牛肉汁等蛋白质作为碳源。
现在人们对诸如酒精、简单的有机酸、烷烃等含碳物质在发酵过程中作为碳源越来越感兴趣，虽然它们的价格比相等数量的粗碳水化合物要昂贵得多，但由于纯度较高，便于发酵结束后产物的回收和精制。甲烷、甲醇和烷烃已经用于微生物菌体的生产，例如将甲醇作为底物生产单细胞蛋白，用烷烃进行有机酸、维生素等的生产。工业发酵过程碳源的选择主要取决于发酵的产品，当然也会受到政府法规等因素的影响。
2、工业上常用的氮源
工业生产上所用的微生物都能利用无机或有机氮源，无机氮源包括氨水、铵盐或硝酸盐等；有机氮源包括玉米浆(corn steep liquor，CSL)、豆饼粉、花生饼粉、棉籽粉、鱼粉、酵母浸出液等。其功能是构成菌体成分，作为酶的组成分或维持酶的活性，调节渗透压、pH值、氧化还原电位等。除玉米浆外，还有其他的一些原料如豆饼粉等，它们既能作氮源又能作碳源。
无机盐
无机盐是微生物生命活动所不可缺少的物质。其主要功能是构成菌体成分、作为酶的组成部分、酶的激活剂或抑制剂、调节培养基渗透压、调节pH值和氧化还原电位等。一般微生物所需要的无机盐为硫酸盐、磷酸盐、氯化物和含钾、钠、镁、铁的化合物。还需要一些微量元素，如铜、锰、锌、钼、碘、溴等。微生物对无机盐的需要量很少，但无机盐含量对菌体生长和产物的生成影响很大。
⒈ 磷酸盐
磷是某些蛋白质和核酸的组成成分。腺二磷(ADP)、腺三磷(ATP)是重要的能量传递者，参与一系列的代谢反应。磷酸盐在培养基中还具有缓冲作用。微生物对磷的需要量一般为0.005～0.01 mol／L。工业生产上常用K3PO4·3H2O、K3PO4和Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O等磷酸盐，也可用磷酸。K3PO4·3H2O含磷13.55％，当培养基中配用1～1.5 g／L时，磷浓度为0.0044～0.0066 mol／L。Na2HPO4·12H2O含磷8.7％，当培养基中配用1.7～2.0 g／L时，磷浓度为0.0048～0.00565 mol／L。另外，玉米浆、糖蜜、淀粉水解糖等原料中还有少量的磷。磷酸(H3PO4)含磷为3.16％，当培养基中配用0.5～3.7 g／L时，磷浓度为0.005～0.007 mol／L。如果使用磷酸，应先用NaOH或KOH中和后加入。
磷含量对谷氨酸发酵影响很大。磷浓度过高时，菌体转向合成缬氨酸；但磷含量过低，菌体生长不好。
⒉ 硫酸镁
镁是某些细菌的叶绿素的组成分。虽并不参与任何细胞结构物质的组成，但它的离子状态是许多重要的酶(如己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、羧化酶等)的激活剂。如果镁离子含量太少，就影响基质的氧化。一般革兰阳性菌对Mg2+的最低要求量是25 mg／L，革兰阴性菌为4～5 mg／L。MgSO4·7H2O中含Mg2+ 9.87％，发酵培养基配用0.25～l g／L时，Mg2+浓度25～90 mg／L。
硫存在于细胞的蛋白质中，是含硫氨基酸的组成分。硫是构成一些酶的活性基。培养基中的硫已在硫酸镁中供给，不必另加。
⒊ 钾盐
钾不参与细胞结构物质的组成，它是许多酶的激活剂。谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要量高。菌体生长需钾量约为0.1 g／L(以K2SO4计，以下同)，谷氨酸生成需钾量为0.2～1.0 g／L。钾对谷氨酸发酵有影响，钾盐少长菌体，钾盐足够产谷氨酸。当培养基中配用l g／L K3PO4·3H2O时，其钾浓度约为0.38 g／L。如果采用Na2HPO4·12H2O时，应配用0.3～0.6 g／L KCl，钾浓度为0.35～0.7 g／L。
⒋ 微量元素
还有许多元素，微生物需要量十分微小，但又是不可缺少的，称为微量元素。例如锰是某些酶的激活剂，羧化反应必须有锰参与，如谷氨酸生物合成途径中，草酰琥珀脱羧生成α-酮戊二醛是在Mn2+存在下完成的。一般培养基配用2 mg／L MnSO4·4H2O。铁是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶的成分，又是若干酶的激活剂。
一般作为碳、氮源的农副产品天然原料中，本身就含有某些微量元素，不必另加。必须指出，某些金属离子，特别是汞和铜离子，具有明显的毒性，抑制菌体生长和影响谷氨酸的合成，因此，必须避免有害离子加入培养基中。
生长因子
从广义来说，凡是微生物生长不可缺少的微量有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称为生长因子。其功能是构成细胞的组成分，促进生命活动的进行。生长因子不是所有微生物都必需的，它只是对于某些自己不能合成这些成分的微生物才是必不可少的营养物。
目前以糖质原料为碳源的谷氨酸产生菌均为生物素缺陷型(biotin auxotroph)，以生物素为生长因子。有些菌株还可以硫胺素为生长因子，有些变异株油酸缺陷型以油酸为生长因子。
⒈ 生物素
生物素的作用主要影响谷氨酸产生菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。生物素浓度对菌体生长和谷氨酸积累都有影响，大量合成谷氨酸所需要的生物素浓度比菌体生长的需要量低，即为菌体生长需要的“亚适量”。谷氨酸发酵最适的生物素浓度随菌种、碳源种类和浓度以及供氧条件不同而异，一般为5 μg／L左右。如果生物素过量，就大量繁殖而不产或少产谷氨酸，而产乳酸或琥珀酸，在生产中表现为长菌快，pH值低，尿素消耗多。若生物素不足，菌体生长不好，谷氨酸产量也低，表现为长菌慢，耗糖慢，发酵周期长。当供氧不足，生物素过量时，则发酵向乳酸发酵转换。供氧充足，生物素过量，糖代谢倾向于完全氧化。
菌体从培养液中摄取生物素的速度是很快的，远远超过菌体繁殖所消耗的生物素量，因此，培养液中残留的生物素量很低，在发酵过程中菌体内生物素含量由“丰富转向贫乏”过渡。有人试验得出结果，当菌体内生物素从20 μg／g干菌体降到0.5 μg／g干菌体，菌体就停止生长，继续发酵，在适宜条件下就大量积累谷氨酸。
⒉ 维生素B1(硫胺素)
维生素B1对某些谷氨酸菌种的发酵有促进作用。其在水中的溶解度为100 g／100 mL。其1％水溶液的pH值为3.13；0.1％水溶液pH值为3.58。pH值5.5的硫胺素盐酸盐水溶液在120 ℃加热稳定，pH值5.5以上易破坏，有氧化剂或还原剂存在时易失活性。
⒊ 提供生长因子的农副产品原料
⑴ 玉米浆 玉米浆是用亚硫酸浸泡玉米而得的浸泡液的浓缩物，也是玉米淀粉生产的副产品
玉米浆的成分因玉米原料来源及处理方法而变动。每批原料变动时均需进行小型试验，以确定用量。玉米浆用量还应根据淀粉原料不同，糖浓度及发酵条件不同而异。一般用量为0.4％～0.8％。虽然玉米浆主要用作氮源，但它含有乳酸、少量还原糖和多糖，含有丰富的氨基酸、核酸、维生素、无机盐等，因此常用作为提供生长因子的物质。
⑵ 麸皮水解液 可以代替玉米浆，但蛋白质、氨基酸等营养成分比玉米浆少。用量一般为1％(干麸皮计)左右。麸皮水解条件如下：
① 以干麸皮:水: 盐酸=4.6:26:1配比混合，装入水解锅中以0．07～0．08 MPa表压加热水解70～80 min。② 以干麸皮:水=1:20，用盐酸调pH值1.0，以0.25 MPa表压加热水解20 min。然后过滤取滤液。
⑶ 糖蜜 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜均可代替玉米浆，但氨基酸等有机氮含量较低。甘蔗糖蜜用量为0.1％～0.4％。
⑷ 酵母 可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉。
前体物质和促进剂
随着原料转换，生产菌种不断更新，为了进一步大幅度提高发酵产率，在某些工业发酵过程中，发酵培养基除了碳源、氮源、无机盐、生长因子和水分等五大成分外，考虑到代谢控制方面，还需要添加某些特殊功用的物质。这些物质加入到培养基中有助于调节产物的形成，而并不促进微生物的生长。例如某些氨基酸、抗生素、核苷酸和酶制剂的发酵需要添加前体物质、促进剂、抑制剂及中间补料等。添加这些物质往往与菌种特性和生物合成产物的代谢控制有关，目的在于大幅度提高发酵产率、降低成本。
⒈ 前体物质
某些化合物加到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程结合到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但产物的量却因加入而有较大的提高，这类化合物称为前体物质。有些氨基酸、核苷酸和抗生素发酵必须添加前体物质才能获得较高的产率。例如丝氨酸、色氨酸、异亮氨酸及苏氨酸发酵时，培养基中分别添加各种氨基酸的前体物质如甘氨酸、吲哚、2-羟基-4-甲基硫代丁酸、α-氨基丁酸及高丝氨酸等，这样可避免氨基酸合成途径的反馈和抑制作用，从而获得较高的产率。目前应用添加前体物质的方法大规模发酵生产丝氨酸在日本已经实现，色氨酸和蛋氨酸的生产也可望工业化。又如5’-核苷酸可以由糖在加有化学合成的腺嘌呤为前体物质情况下，用腺嘌呤或鸟嘌呤缺陷变异菌株直接发酵生成。 ⒉ 发酵过程中的促进剂和抑制剂
在氨基酸、抗生素和酶制剂发酵生产过程中，可以在发酵培养基中加入某些对发酵起一定促进作用的物质，称为促进剂或刺激剂。例如在酶制剂发酵过程中，加入某些诱导物、表面活性剂及其他一些产酶促进剂，可以大大增加菌体的产酶量。
添加诱导物，对产诱导酶(如水解酶类)的微生物来说，可使原来很低的产酶量大幅度地提高，这在生产酶制剂新品种时尤其明显。一般的诱导物是相应酶的作用底物或一些底物类似物，这些物质可以“启动”微生物体内的产酶机构，如果没有这些物质，这种机构通常是没有活性的，产酶是受阻抑的。
在培养基中添加微量的促进剂可大大地增加某些微生物酶的产量。常用促进剂有各种表面活性剂(洗净剂、吐温80、植酸等)、二乙胺四乙酸、大豆油抽提物、黄血盐、甲醇等。如栖土曲霉3942生产蛋白酶时，在发酵2～8 h添加0.1％LS洗净剂(即脂肪酰胺磺酸钠)，就可使蛋白酶产量提高50％以上。添加占培养基0.02％～1％的植酸盐可显著地提高枯草杆菌、假单胞菌、酵母、曲霉等的产酶量。在生产葡萄糖氧化酶时，加入金属螯合剂二乙胺四乙酸(EDTA)对酶的形成有显著影响，酶活力随二乙胺四乙酸用量而递增。又如添加大豆油抽提物，米曲霉蛋白酶可提高187％的产量，脂肪酶可提高150％的产量。在酶制剂发酵过程中添加促进剂能促进产量增加的原因主要是改进了细胞膜的渗透性，同时增强了氧的传递速度，改善了菌体对氧的有效利用。
抗生素工业在发酵过程中加入某些促进剂或抑制剂(见表3-36)，常可促进抗生素的生物合成。在不同的情况下，不同的促进剂所起的作用也各不相同。有的可能起生长因子的作用，如加入微量植物刺激剂可促进某些放线菌的生长发育，缩短发酵周期或提高抗生素发酵单位；有的可推迟菌体的自溶，如巴比妥药物能增加链霉素产生菌的菌丝抗自溶能力(巴比妥主要对链霉素生物合成酶系统具有刺激作用)；有的是抑制了某些合成其他产物的途径而使之向所需产物的途径转化；有的是降低了生产菌的呼吸，使之有利于抗生素的合成，如在四环素发酵中添加硫氰化苄，可降低菌在三羧酸循环中某些酶活力，而增强戊糖代谢，使之利于四环素的合成；有的可改变发酵液的物理性质，改善通气效果，如加入聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、聚二乙胺等水溶性高分子化合物或加入某些表面活性剂后改善了通气效果，进而促进发酵单位提高；有的可与抗生素形成复盐，从而降低发酵液中抗生素的浓度和促进抗生素的合成，如在四环素发酵中加入N,N-二苄基乙烯二胺(DBED)与四环素形成复盐，促使发酵向有利于四环素合成的方向进行。
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