《发酵工程全套》PPT课件.ppt

发酵工程 FermentationEngineering 考核方式 闭卷考试占70 高水平科技文献阅读翻译占15 平时课堂提问 作业与考勤占15 第一章绪论 本章内容 一 发酵工程定义及在生物技术中的地位二 发酵工程发展简史三 发酵工业的特点及其应用范围四 工业发酵的类型与典型过程五 发酵工程前沿及应用前景 何谓发酵 微生物的发酵现象 请看下面现象 对发酵现象的不同理解 两种角度 能量 产物 生物化学家 侧重能量代谢 1 能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行 有氧呼吸 糖酵解 厌氧呼吸 兼性微生物 1 有氧呼吸 氧供应充分 有机物氧化彻底 产生大量能量 2 糖酵解 暂时缺氧 有机物氧化不彻底 产生少量能量 2 无氧呼吸 特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢 指有机物经彻底或不彻底氧化 所脱下来的电子最后传给外源的无机氧化物 个别是有机氧化物 并释放较少能量 根据最终电子受体不同 无氧呼吸分为 硝酸盐呼吸 硫酸盐呼吸 硫呼吸 碳酸盐呼吸及延胡索酸呼吸等 对发酵现象的不同理解 两种角度 能量 产物 发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量的过程 厌氧发酵是厌氧菌借助氧化 还原反应释放能量的过程 发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程 需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不完全氧化释放能量的过程 生物化学家 生物化学家看待微生物发酵过程 工业微生物学家 利用生物细胞 包括动 植物细胞 培养来生产产物的所有过程 需氧过程 细胞工程 发酵是利用微生物培养来生产产物的无氧或需氧的任何过程 侧重产品的生产 发酵现象的本质 显微镜观察 微生物著名的巴斯德实验 微生物作用著名的毕希纳实验 酵素 酶 的作用 2 发酵工程概念 微生物细胞加工技术过程优化与放大 传统发酵工程 利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系 该技术体系主要包括菌种选育与保藏 菌种扩大生产 代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成 现代发酵工程 是将DNA重组及细胞融合技术 酶工程技术 组学及代谢网络调控技术 过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵工程融合 大大提高传统发酵技术水平 拓展传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业生物技术体系 新一代工业生物技术 强调现代生物技术 控制技术和装备技术在传统与现代发酵工业领域的集成应用 传统发酵工业 酿造及食品业 抗生素 氨基酸 核苷酸 有机酸 饲料添加剂 微生态制剂 生物农药 生物肥料等 现代发酵工业 基因工程药物 细胞工程药物 疫苗 替代石油工业的大宗量的生物基化学品等 以及传统发酵工业升级 现代发酵工业的中央控制 3 发酵工程在生物技术中的地位 生物技术 应用自然科学和工程学的原理 依靠生物及其细胞的催化作用 将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术 发酵工程是生物技术的应用基础 是生物技术产业的核心 广义发酵工程对生物学和工程学的要求 上中下游相互关联 生物技术体系 生化工程 酶工程 细胞工程 发酵工程 产物 产品 产品 基因工程 产品 强调过程优化与控制 一 发酵工程发展简史 1900以前自然发酵阶段1900 1940纯培养技术的建立1940 1950通气搅拌纯培养发酵技术的建立1950 1960诱变技术与代谢控制发酵技术的建立1960 1970开拓发酵原料时期 石油发酵时期 1970年以后进入基因工程菌发酵时期 以及细胞大规模培养技术的全面发展 近年来 以现代生物技术和过程工程技术为基础的现代发酵工业突飞猛进 自然发酵阶段 主要是酿造工业主要产品 酒 酒精 醋 啤酒 干酪 酸乳等17世纪 能在容量为1500桶 一桶约136升 的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造1757年应用温度计 1801使用原始热交换器主要特点 嫌气发酵 非纯种培养 产品质量不稳定 纯培养技术的建立 Koch首先发明固体培养基 建立细菌的纯粹培养Petri创造一种培养皿 petridish 用于微生物平板分离Winograsky和Beijerink发明富集培养法 分离特定的微生物主要产品 酵母 甘油 乳酸 丙酮丁醇等 第一次世界大战 Weizmann发明了丙酮丁醇发酵 建立了真正的无杂菌发酵 在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术主要特点 纯培养为主 嫌氧发酵 产品产量质量控制水平大大提高 纯培养技术的建立 通气搅拌发酵技术的建立 标志 纯种培养深层发酵生产青霉素主要技术进展 通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题 无菌空气 培养基灭菌 无污染接种 大型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧发酵中的杂菌污染问题 主要特点 耗氧发酵实现规模化纯培养发酵 一系列过程工程技术创新意义 推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展建立了完整的好氧发酵放大技术及装备奠定了现代发酵工业的理论和实践基础 通气搅拌发酵技术的建立 代谢控制发酵技术的建立 基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵 代谢控制发酵技术 应用生物化学的代谢知识和遗传学理论 选育微生物突变株 从而调控微生物代谢 大量积累目标发酵产物 主要应用 氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物的发酵生产 以及有机酸 抗生素等 开拓新的发酵原料时期 目的 以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源技术进步 发展了高压喷射式 强制循环式等多种发酵罐及其发酵技术计算机和自动控制技术的运用 灭菌和发酵过程自动控制 促进发酵工业朝连续化 自动化方向发展 特点 解决发酵原料及人畜争粮问题 规模和自动化程度显著提高 能耗过大 开拓新的发酵原料时期 基因工程阶段 现代发酵工业新阶段 主要标志基因工程产品生产以及基因工程技术应用世界上已批准上市的基因工程药物有几十种 如 胰岛素 人生长激素等 主要特点基因工程技术 细胞工程技术 酶工程技术以及发酵过程优化及放大技术的全面进步高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因工程菌构建及产品的发酵生产主导碳氧经济发展 碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起 基因工程阶段 现代发酵工业新阶段 人胰岛素人生长激素 GH 表皮生长因子 EGF 肿瘤坏死因子白细胞介素 2 IL 2 尿激酶原猪生长激素 PGH 牛生长激素 BGH 纤维素酶 干扰素乙型肝炎疫苗集落刺激因子 CSF 促红细胞生成素 EPO 抗血友病因子组织溶纤原激活剂 t PA 部分利用基因工程技术研制的产品 发酵工程的主要前沿进展 原料拓展 可再生资源的加工和综合利用 如纤维素原料 过程优化技术多尺度生物反应器优化控制技术生物炼制 高产量 微生物生理 遗传 营养及环境因素 高转化率 微生物代谢途径和过程条件 高效率 微生物反应动力学和系统优化 以高产量 高转化率和高效率及低成本为目标的发酵过程优化技术 低成本 技术综合及产业化技术集成 环境友好 开发清洁生产技术 发酵过程优化技术 一 发酵工业的特点 发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应 反应安全 要求条件较简单 可用较廉价原料生产较高价值产品 反应专一性强 能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位的生物转化修饰 发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要 菌种是关键 发酵生产不受地理 气候 季节等自然条件限制 一 发酵工业的特点 二 发酵工业的范围 微生物菌体酶制剂代谢产物生物转化微生物特殊机能的利用利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域 微生物菌体 传统菌体发酵工业现代菌体发酵工业 酵母发酵 菌体蛋白 单细胞蛋白 发酵 杀虫剂 苏云金杆菌 蜡样芽孢杆菌 侧孢芽孢杆菌 白僵菌 绿僵菌 疫苗 新的菌体发酵产品 药用功能菌体茯苓菌 茯苓担子真菌 灵芝 香菇类虫草头孢菌密环菌 微生物菌体 面包酵母 藻类 芽孢杆菌和伴孢晶体 虫草头孢菌发酵生产虫草 酶制剂 广泛用于医药工业 食品和轻工业 石油化工酶试剂盒 医用诊断试剂盒 工业分析试剂盒等药用酶制剂 胆固醇氧化酶 葡萄糖氧化酶等食品工业用酶制剂 果胶酶 淀粉酶等基因重组技术用酶制剂 核酸酶 nuclease 包括DNA RNA的内切酶 外切酶 DNA限制性内切酶 DNA连接酶等 饲料酶制剂 木聚糖酶 葡聚糖酶 纤维素酶等 微生物转化 在用维生素C一步和二步发酵法生产中 起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物 D 山梨醇或L 山梨糖 的分子结构进行特异性改变 一 工业发酵的类型 固体发酵 厌氧发酵需氧发酵兼性厌氧发酵液体发酵 包括液体深层发酵 按培养基的物理性状浅盘固体发酵深层固体发酵 机械通风制曲 按微生物对氧的不同需求 一 工业发酵的类型 按菌的种类 单菌种发酵 多菌种混合发酵 混合菌发酵 新发展的微生物培养方法 载体培养微载体以细小的颗粒作为细胞载体 通过搅拌悬浮在培养液内 使细胞在载体表面繁殖成单层的一种细胞培养技术 两步法液体深层培养菌体生长和产酶条件不同 先提供合适的生长条件 收集到大量菌体 再移入发酵培养基中进行产物发酵 二 发酵工业的基本生产过程 1 用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制 2 培养基 发酵罐及其附属设备的消毒灭菌 3 扩大培养出有活性的适量纯种 以一定比例接种入发酵罐中 4 控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物 5 将产物提取并精制 以得到合格的产品 6 回收或处理发酵过程中所产生的三废物质 二 发酵工业的基本生产过程 二 发酵工业的典型过程 深层发酵过程 发酵工业发展趋向及应用前景 基因工程的发展为发酵工程带来新的活力 采用发酵技术进行高等动植物细胞培养 具有诱人前景 不断开发和采用大型节能高效的发酵装置 计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段 强调代谢机理与调控研究 使微生物的机能得到进一步开发 生态型发酵工业的兴起 清洁生产 再生资源的利用 混合菌发酵强调微生物群落与功能研究 提高发酵效率 发酵工业发展趋向及应用前景 清洁生产 按照联合国环境规划署 UNEP 的定义 清洁生产是一种新的创造性的思想 该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程 产品和服务中 以增加生态效益和减少人类及环境的风险 对生产过程 要求节约原材料和能源 淘汰有毒原材料 减降所有废弃物的数量和毒性 对产品 要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响 对服务 要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中 混合菌发酵的应用 传统酿造和食品发酵工业 白酒 酱油 醋 豆豉有机废弃物 工业 城市和农业 的发酵处理与转化 生物能源 生物制氢 生物制沼气生物饲料生物肥料 课程内容 第一章绪论第二章发酵工业菌种第三章发酵工业培养基设计 讨论课 第四章发酵工业的无菌技术第五章发酵工业的种子制备 讨论课 第六章发酵动力学第七章发酵工业中氧的供需第八章发酵罐放大与设计第九章发酵过程优化与控制第十章发酵经济学 讨论课 结合实践自学 发酵产物分离纯化以及产品制备发酵工业的洁净生产技术 学习重点 基本过程过程优化过程控制过程放大一条主线 两个重点 三个层次 四个目标 发酵工艺过程 过程优化放大 反应器细胞 分子 高转化率高产量高效率低成本 发酵工程是连接生物科学 生物技术和生物工程的桥梁 生物科学与技术成果的推广应用离不开发酵工程 Thankyouforyourattention 过量运动后肌肉会有酸痛感 就是因为肌体在缺氧状态下进行糖酵解产生了乳酸等 高等生物 动物 植物和好气性微生物 长期进行糖酵解 发酵 危害很大 由于能量不足加速了底物的利用导致能量物质枯竭产生大量有毒的底物不完全氧化的中间体 酒精 乳酸等甚至导致局部细胞坏死或整体死亡人类脑缺氧非常危险 长期剧烈运动有损健康 提倡有氧运动 本章内容 一 常用的工业微生物二 发酵工业菌种筛选三 发酵工业菌种改良 发酵工业菌种 第二章 一 常用的工业微生物p13 1 细菌醋杆菌属的醋化醋杆菌 弱氧化醋杆菌乳酸杆菌枯草杆菌丙酮丁醇梭菌大肠杆菌谷氨酸棒状杆菌 2 酵母菌酿酒酵母假丝酵母属产朊假丝酵母解脂假丝酵母热带假丝酵母毕赤酵母属 汉逊酵母属 一 常用的工业微生物 3 霉菌曲霉属米曲霉黑曲霉青霉属青霉菌 点青霉 产黄青霉桔青霉根霉属德氏根霉米根霉 小麦曲根霉红曲霉属紫红曲霉 一 常用的工业微生物 4 放线菌链霉菌属小单孢菌属地中海诺卡氏菌 一 常用的工业微生物 5 未培养微生物p14 定义 指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的微生物 其在自然环境微生物群落中占有非常高的比例 约为99 一 常用的工业微生物 二 发酵工业菌种分离筛选 菌株分离 将混杂着各种微生物的样品按照实际需要和菌株的特性采取迅速 准确 有效的方法对它们进行分离 筛选 进而得到所需微生物的过程 1 菌种选择的总趋势 野生菌 变异菌自然选育 代谢控制育种诱发基因突变 基因重组的定向育种 一 发酵工业菌种筛选的总趋势与要求 2 菌种选择的要求p15 能在廉价原料制成的培养基上迅速生长 且生成的目的产物产量高 易于回收 生长速度和反应速度较快 发酵周期较短 培养条件易于控制 抗噬菌体及杂菌污染的能力强 2 菌种选择的要求 续 p15 菌种不易变异退化 对放大设备的适应性强 菌种不是病原菌 不产生任何有害的生物活性物质和毒素 二 分离筛选原理与技术 1 筛选的指导思想2 分离筛选工作在实际中应用的几个方面3 新种分离筛选原理与技术 1 筛选的两种指导思想 先分离纯化 再结合工艺要求进行筛选 分离纯化同时富于筛选条件 一步得出所需菌株 结果有两种可能 获得适于工业发酵菌株只获得选育所需的出发菌株 2 分离筛选工作在实际中应用的几个方面 从被污染的生产及科研用菌中分离目的菌 生产中长期使用的菌种的定期分离筛选 从各种育种方法处理的微生物材料中分离筛选适于工业目的的优良菌株 从保藏机构获取菌种从已知菌种和大自然中分离新菌株寻找新的发酵产品的产生菌 寻找老产品的新的优良菌株 3 新种分离与筛选的步骤p15 调查研究 包括资料查阅 试验方案设计含微生物样品的采集 如何使样品中含所需微生物的可能性大 样品预处理 如何在后续的操作中使这种可能性实现 菌种分离 根据目的菌株及其产物特点分选择性分离方法随机分离方法 定向筛选 选择压力 用筛选方案 检测系统进行间接分离 富集液体培养固体培养基条件培养 初筛 菌种纯化复筛 菌种纯化初步工艺条件摸索再复筛生产性能测试较优菌株1 3株保藏及进一步做生产试验某些必要试验和或作为育种的出发菌株毒性试验等 1 含微生物样品的采集p16 1 采样时应注意的问题 土壤微生物的分布土壤的有机质含量和通风情况土壤植被情况采样季节土壤的酸碱度2 对于分离筛选新菌种 还存在另两个选择标准 土壤来源广泛在已适应相当苛刻环境压力的微生物类群中寻找新菌种 2 样品的预处理p16 目的 提高分离效率方法 物理方法 热处理 膜过滤法 离心法化学方法 化学成分增加特定微生物的数量诱饵法 富集目的菌 3 分离方法的选择 根据目的菌有无选择性特征来选择分离方法菌种的营养特征独特生长特征独特无选择性特征根据产物的特征进行随机分离 选择性分离 A 选择性分离原理和技术 1 生长条件的选择与控制原理控制营养成分控制培养基酸碱度添加抑制剂控制培养温度控制通气条件 2 选择性分离技术富集液体培养技术固体培养技术 施加选择压力 进行定向筛选 A 选择性分离原理和技术 富集液体培养p17 增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术技术特点 给混合菌群提供一些有利于目的菌株生长或不利于目的菌以外的其他菌型生长的条件 培养方式分批培养方式 以最大比生长速率 max 筛选 存在选择压力的控制 移种时间和次数等问题连续培养方式 以比生长速率 筛选 A B S0 基质浓度对A B两种菌的比生长速率 的影响当SS0时 富集什么菌株 连续培养方式 以比生长速率 筛选 连续富集培养技术分离菌株的优点 分离的菌株特别适合连续发酵生产过程有利于分离具有某种工业生产特性的菌株可以筛选出能共生的稳定混合培养物 固体培养技术 常用于分离某些酶产生菌选择压力 在选择培养基中加入所需酶的基质如 淀粉酶的分离 B 随机分离原理与技术 从产物入手 通过设计高产培养基和建立快速灵敏专一的筛选方法 从随机分离的菌落中筛选出所需的目的菌 技术关键 产物合成条件的选择与控制及相应筛选方法的确定 随机分离技术举例抗生素产生菌的筛选生长因子产生菌的筛选 抗生素产生菌的筛选 筛选模型 试验菌筛选方法 铺菌法复印平板法液体培养筛选抗药性筛选筛选模型 氨苄青霉素和 内酰胺酶产生菌 克雷白氏菌 协同III无试样时 不含棒酸时 I对II菌作用不大有试样时 含棒酸时 I对II菌恢复药效 棒酸抑制水解酶活性 固体培养筛选 试验菌代表微生物类型金黄色葡萄球菌209p革兰氏阳性球菌枯草杆菌6633革兰氏阳性杆菌大肠杆菌革兰氏阴性肠道细菌耻垢分枝杆菌607结核杆菌白色念珠菌酵母状真菌青霉菌丝状真菌 生长因子产生菌的筛选 筛选模型 营养缺陷型试验菌筛选方法 利用被分离的微生物产物能否促进营养缺陷型试验菌生长 氨基酸产生菌的筛选 样品预处理初筛 除真菌 在分离平板上生长获得多个单菌落复印平板 copy法 平板培养 其中有产生氨基酸的菌落分泌氨基酸对应到copy前相应u v线杀死长好的菌落位置 找到目的菌落再铺上一层含营养缺陷型试验菌的琼脂培养后产氨基酸菌落周围有生长圈 目的菌落进行液体培养 对产物进行定量测定 筛选产物含量高的菌株 4 几种典型微生物的分离筛选方法举例 细菌放线菌真菌 细菌分离 以乳酸菌为例 取未成熟的酱醪样品1g至无菌磨口瓶中加麦芽汁至瓶口处 封塞 25 培养24 48h培养基中长出绢丝状波动物 镜检杆状 阳性染色初步断定乳酸菌用选择性培养基分批富集培养2 3代稀释分离法分离单菌落 培养基为含麦芽汁 CaCO3的琼脂培养基根据透明圈挑选菌落性能测定 镜检杆状 染色阳性 乳酸纸层析鉴定 Rf值定性 有机酸呈黄斑点 乳酸生成量测定 滴定法 放线菌的分离 以产链霉素菌种的分离为例 从退化菌种中筛选 取工业发酵液 含孢子 样品1环放入带玻璃珠的装有10ml无菌水的小三角瓶中 摇匀采用稀释法制平板 获取单菌落斜面保藏高产菌恢复根据高产菌的特点 选择目的菌落放大培养 发酵液性能测试 筛选模型 形态依据 真菌的分离筛选 以啤酒酵母的分离为例 取发酵液少许以10倍稀释成10 1 10 7稀释分离法取0 1ml加入固体培养基铺平皿 2 在麦芽汁固体培养基上 25 培养48 72h形态筛选根据正常株特点进行挑选 接种斜面备用纯化 采用平板分离法进一步纯化 至少反复三次 生成子囊孢子速度测定 发酵力测定性能测定 热死温度测定 凝集力测定 双乙酰含量测定 菌种选育改良的具体目标p23 提高目标产物的产量提高目标产物的纯度 减少副产物改良菌种性状 改善发酵过程改变生物合成途径 以获得高产的新产品 三 发酵工业菌种改良 发酵工业菌种改良方法p25 常规育种 诱变育种 细胞工程育种基于代谢调节的育种技术基因工程育种蛋白质工程育种代谢工程育种 出发菌株的选择 工业上用来进行诱变处理的菌株 称为出发菌株 parentstrain 一般有三种 菌悬液的制备 诱变 变异菌株的分离和筛选 一 诱变选育的程序 前培养 从自然界分离得到的野生型菌株 通过生产选育 即由自发突变经筛选获得的高产菌株 已经诱变过的菌株 二 诱变育种方案设计 1 出发菌株的选择 纯种 排除异核体或异质体的影响 有利于合成发酵产物 不仅选产量高的 还要考虑其他因素 如产孢子早而多 色素多或少 生长速度快等 对诱变剂敏感且变异幅度广 可以提高变异频率 而且高产突变株的出现率也大 2 诱变剂的种类和选择 各种射线 如紫外线 焦耳 X射线 库仑 千克 射线 射线 射线和超声波等 甲基磺酸乙酯 EMS 亚硝基胍 亚硝酸 氮芥等 一般正突变较多出现在偏低剂量中 而负突变则较多出现于偏高剂量中 对于经过多次诱变而提高了产量的菌株 在较高剂量负突变率更高 目前处理剂量采用的死亡率为70 80 各种化学诱变剂常用的剂量和处理时间 3 突变的诱发 A 诱变剂接触DNA分子B DNA损伤的修复C 从突变到突变型 光复活作用切补修复重组修复SOS修复系统DNA多聚酶的校正作用 表型延迟 诱变剂一般只作用于DNA双链中的某一条单链 故某一突变还是无法反映在当代的表型上 只有当经过DNA的复制和细胞分裂后 这一变异才会在表型上表达出来 于是出现了不纯菌落 菌种改良 诱变育种 上节知识回顾 出发菌株的选择 菌悬液的制备 诱变 变异菌株的分离和筛选 前培养 4 筛选 A 制定筛选方案 方案设计的中心内容是确定诱变筛选流程 B 营养缺陷型的筛选方法 一般经诱变后 再经中间培养 淘汰野生型 检出营养缺陷型 确定生长谱等 淘汰野生型菌株的方法有 抗生素法 菌丝过滤法 差别杀菌法和饥饿法等 营养缺陷型菌株的检出方法有 逐个测定法 夹层平板法 限量营养法和影印接种法等 与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基 基本培养基 MM 凡是能满足野生型菌株营养要求的最低成分的合成培养基 完全培养基 CM 满足一切营养缺陷型菌株生长的天然或半合成培养基 补充培养基 SM 在MM中有针对性地加入一或几种营养成分以满足相应营养缺陷型菌株生长的合成培养基 补充培养基的符号可根据加入的是A或B等代谢物 而分别用 A 或 B 等来表示 1 抗生素法 1 青霉素法 主要适用于细菌 淘汰野生型菌株 含青霉素的基本培养基 极少的野生型生长 大部淘汰 浓缩缺陷型 2 制霉菌素法 适于真菌 淘汰野生型菌株 含制霉菌素的基本培养基 极少的的野生型 大部淘汰 浓缩缺陷型 2 菌丝过滤法 适用于丝状生长的真菌或放线菌 野生型菌丝 基本培养基 擦镜纸等过滤 浓缩的缺陷型 夹层培养法 检出营养缺陷型菌株 无菌基本培养基 无菌基本培养基 含诱变菌基本培养基 完全培养基 培养后 标记出现的菌落 第二次培养后的小菌落多为缺陷型 限量补充培养法 限量基本培养基 野生型 缺陷型 逐个检出法 基本培养基 完全培养基 营养缺陷型 三 诱变育种应考虑的因素P25 1 选择合适的出发菌株合适的出发菌株就是通过育种能有效地提高目标产物产量的菌株 出发菌株最好已具备一些有利的性状 如生长速度快 营养要求低和产孢子早而多的菌株 2 复合诱变剂的使用复合处理可以将两种或多种诱变剂分先后或同时使用 也可用同一诱变剂重复使用 诱变剂复合处理的效果往往好于单独处理 3 诱变剂剂量的选择 仅仅采用诱变剂的理化指标控制诱变剂的用量常会造成偏差 不利于重复操作 不同种类和不同生长阶段的微生物对诱变剂的敏感程度不同就一般微生物而言 突变率随剂量的增大而增高 但达到一定剂量后 再加大剂量反而会使突变率下降 4 变异菌株的筛选一般要经过初筛和复筛两个阶段 如 青霉素产生菌高产突变菌种的筛选 初筛 诱变后 稀释 涂布平板 培养 挑单个菌落到斜面 培养 将斜面上的菌落逐个接种到摇瓶 振荡培养 测抗生素效价 超过对照效价10 以上的菌种 进行复筛 复筛 过程与初筛基本相同 不同的是一般将斜面上的单个菌落接种到三个摇瓶中 得出平均效价 复筛可进行1 3次 由此筛选出的高产稳定菌种还要经过小型甚至中型试验 才能用到发酵生产中 1 工业上对菌种选择有何要求 2 诱变育种应注意哪些问题 作业 1 单位培养基能产生最大量的目的产物2 能使目的产物的合成速率最大3 副产物合成的量最少4 质量稳定 价格低廉 易于长期获得5 尽量不影响后处理 发酵工业培养基的要求P41 第三章发酵工业培养基设计 本章内容 1培养基的类型及功能 2培养基的设计及优化 发酵培养基的成分及来源 培养基的类型和用途 1培养基的类型及功能 一 培养基的类型和用途 根据来源分 根据主要成分或使用目的分 根据用途分 营养不能太丰富 尤其是有机氮源 无机盐浓度要适量 否则会影响孢子量和孢子颜色 注意pH和湿度 营养要求比较丰富和完全 氮源和维生素含量也要高一些 除含有菌体生长所必须的营养物外 还要有产物所需的特定元素 前体物质和促进剂等 生理代谢菌种筛选 种子培养 发酵培养 谷氨酸发酵种子培养基和发酵培养基配方 不同的发酵产物 不同的菌种所选择的发酵培养基是不同的 白酒 chinesespirit 发酵 固体发酵培养基 果酒 fruitspirit 发酵 果汁 啤酒 beer 发酵 麦芽汁液体培养基 酒精 alcohol 发酵 淀粉糖化醪 氨基酸 aminoacid 发酵 水解糖液加其他营养成分 柠檬酸 citricacid 发酵 淀粉液化醪 乳酸 lacticacid 发酵 淀粉糖化醪 甲烷 methane 发酵 复杂的有机废物发酵 抗生素 antibiotic 发酵 淀粉糖化醪 豆饼粉 麸皮粉 二 发酵培养基的成分及来源P42 碳源氮源无机盐和微量元素水生长调节物质 一 碳源 碳源功能 为微生物菌种的生长繁殖提供能源和合成菌体所必需的碳成分为合成目的产物提供所需的碳成分 在微生物发酵过程中 普遍以碳水化合物作为碳源 生产疫苗时通常用牛血清蛋白 牛肉汁等蛋白质作为碳源 酒精 简单的有机酸 烷烃等含碳物质也可作为碳源 甲醇作为底物生产单细胞蛋白 SCP 用烷烃进行有机酸 维生素等的生产 葡萄糖 最容易利用 但过多会加快呼吸 导致溶氧不足 pH下降 抑制生长与产物合成糖蜜 含糖 蔗糖 氮类化合物 无机盐 维生素等 常用于丙酮丁醇生产淀粉糊精 需经胞外酶水解后才能利用 可克服葡萄糖代谢过快的弊端 价格低廉 常用玉米淀粉 小麦淀粉 甘薯淀粉 不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大 不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响 2 油和脂肪 油 脂肪 甘油 脂肪酸 CO2 H2O ATP 脂肪酶 氧气 供氧要充足 否则会使有机酸积累 引起pH下降 常用豆油 菜油 葵花籽油 猪油 鱼油 棉籽油 3 有机酸会使pH上升CH3COONa O2 CO2 H2O NaOH常用 乳酸 柠檬酸 乙酸4 烃和醇类正烷烃 C14 18 乙醇 二 氮源 功能 构成菌体细胞物质和含氮代谢物 氮源种类 1 有机氮源种类 花生饼粉 黄豆饼粉 棉籽饼粉 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 酒糟等 特点 菌体生长旺盛 菌丝浓度增长迅速 2 无机氮源种类 铵盐 硝酸盐 氨水等可引起pH变化 功能 生理活性物质的组成或生理活性作用的调节物 三 无机盐及微量元素 磷酸盐硫酸镁钾盐微量元素 磷是某些蛋白质和核酸的组成成分 磷酸盐在培养基中还具有缓冲作用 工业上常用K3PO4 3H2O K3PO4和Na2HPO4 12H2O NaH2PO4 2H2O等磷酸盐 也可用磷酸 除了组成某些细胞的叶绿素成分外 并不参与任何细胞物质的合成 处于离子状态时 是许多重要的酶 己糖磷酸化酶 柠檬酸脱氢酶 羧化酶等 的激活剂 不但影响基质的氧化 还影响蛋白质的合成 钾离子与细胞渗透压和透性有关 是许多酶的激活剂 促进糖代谢 四 水 发酵工厂要求恒定水源 Zn Co Mn Cu等元素大部分作为酶的辅基和激活剂 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 特例 VB12的生产 由于钴是其组成成分 Co的需要量随产物的增加而增加 因此在培养基中需加入氯化钴以补充钴 五 生长调节物质 1 生长因子广义说 凡是微生物生长不可缺少的微量有机物质都称为生长因子 又称生长素 包括氨基酸 嘌呤 嘧啶 维生素等 狭义说 生长素仅指维生素 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 又如目前所使用的赖氨酸产生菌几乎都是谷氨酸产生菌的各种突变株 均为生物素缺陷型 同时也是某些氨基酸如高丝氨酸的缺陷型 需要生物素和某些氨基酸作为生长因子 不是所有微生物都必需的 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质 提供生长因子的农副产品原料 1 玉米浆 cornsteepliquor CSL 用亚硫酸浸泡玉米而得的浸泡液的浓缩液 也是玉米淀粉生产的副产品 虽然主要用作氮源 但它含有丰富的氨基酸 核酸 维生素 无机盐等 常用作为提供生长因子的物质 2 麸皮水解液 可代替玉米浆 蛋白质 氨基酸等营养成分比玉米浆少 用量一般为1 以干麸皮计 左右 水解条件 以干麸皮 水 HCl 4 6 26 1配比混合 装入水解锅中以0 07 0 08MPa表压加热水解70 80min 以干麸皮 水 1 20 用盐酸调pH值1 0 以0 25MPa表压加热水解20min 然后过滤取滤液 3 糖蜜 molasses 甘蔗糖蜜 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 4 酵母 酵母膏 酵母浸出液 酵母粉 5 其他 牛肉膏 蛋白胨 动物心 肝等组织浸液等都含有丰富的生长因子 2 前体P47 是指加到发酵培养基中的某些化合物 能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去 而其自身的结构并没有多大变化 但是产物的产量却因其加入而有较大的提高 发现 最早是从青霉素的生产中被发现的 加入玉米浆后 青霉素单位可从20U ml增加到100U ml 玉米浆中含有苯乙胺 它能被优先合成到青霉素分子中 从而提高青霉素G的产量 发酵过程中所用的一些前体物质 3 产物合成促进剂促进剂 细胞生长非必需 但加入后却能提高产量的添加剂 称为促进剂 常用促进剂 表面活性剂 洗净剂 脂肪酰胺磺酸钠 吐温80 聚氧乙烯山梨醇酐脂肪酸酯 植酸等二乙胺四乙酸 EDTA 大豆油抽提物黄血盐 三水亚铁氰化钾 K4 Fe CN 6 3H2O 甲醇 促进剂能促进产量增加的原因 主要是改进了细胞的渗透性 增强了氧的传递速度 改善了菌体对氧的有效利用 1 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 2 抗生素工业在发酵过程中加入某些促进剂或抑制剂 常可促进抗生素的生物合成 2 抗生素工业在发酵过程中加入某些促进剂或抑制剂 常可促进抗生素的生物合成 如 巴比妥能够增加链霉素产生菌的抗自溶能力 达到推迟菌体自溶的目的 聚乙烯醇可以改变发酵液的物理条件 达到改善通气效果 增加细胞渗透性的目的 酵母厌氧发酵中加入亚硫酸盐或碱类 可以促进酒精发酵转入甘油发酵 上节知识回顾 培养基的分类 孢子培养基 种子培养基 发酵培养基培养基的组成 前体 2培养基的设计原理及优化方法 培养基成分选择的原则培养基的优化培养基设计时应注意的问题 一 培养基成分选择的原则 1 做好调查研究工作2 对生产菌种要了解3 做好预实验4 先作单因子试验 后作多因子试验5 注意中间补料控制6 根据生产和科学研究的需要选择培养基7 根据经济效益选择培养基原料 一 培养基确定方法 二 培养基成分选择的原则P49 1 菌体的同化能力即一些微生物由于不能分泌一些水解酶而无法利用某些大分子物质 而只能利用小分子物质 尤其碳源 氮源选择时要注意 以酿酒酵母为例 一般不含淀粉酶 不能利用 不 可溶性淀粉 细胞内缺乏将硝酸根离子还原为铵离子的所需催化酶 所以做培养基优化时 我们用氮源时考虑各种氨盐等而少考虑各种硝酸盐类 2 代谢的阻遏和诱导碳氮源要注意速效和迟效的相互搭配 1 C源葡萄糖 分解代谢物会组遏或抑制某些产物合成所需的酶系的形成或酶的活性诱导酶制剂生产 易利用的碳源 葡萄糖 果糖 不利于产酶 难利用碳源 淀粉 糊精 对产酶有利 2 N源微生物利用N源的能力随菌种 菌龄而已 多数能分泌胞外蛋白酶的菌株在有机氮源上可良好生长 同一微生物处于不同生长阶段对氮源的利用能力不同 生长早期易利用铵盐 氨基氮 生长中期利用蛋白质的能力强 蛋白酶生产受蛋白质或多肽的诱导 铵盐 硝酸盐的阻遏 3 合适的C N比 1 N源 过多 菌体生长旺盛 pH偏高 不利于代谢物积累过少 菌体繁殖量少 影响产量 2 C源 过多 易造成较低的pH过少 易引起菌体的衰老和自溶 一般工业发酵培养基的C N 100 0 2 2 0 谷氨酸发酵C N 100 15 21 4 合适的pH 利用营养物质后 酸碱物质积累或代谢酸碱物质的形成会造成培养体系pH变化 配制培养基时要充分考虑 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 二 培养基的优化 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 原培养基 初步确定可能的培养基成分 以碳源为例 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 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 正交设计确定优化的配方 改进后培养基 原培养基 改进后培养基的发酵结果 正交试验设计 Orthogonalexperimentaldesign 均匀分散 齐整可比是一种高效率 快速 经济的实验设计方法日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格 称为正交表 1 正交表的记号及含义 如 表示 表示各因素的水平数为2 做8次试验 最多考虑7个因素 含交互作用 的正交表 根据正交表的数据结构看出 正交表是一个n行c列的表 其中第j列由数码1 2 Sj组成 这些数码均各出现N S次 例如表11中 第二列的数码个数为3 S 3 即由1 2 3组成 各数码均出现3次 正交表的特点 1 正交表中任意一列中 不同的数字出现的次数相等 表示 在试验安排中 所挑选出来的水平组合是均匀分布的 每个因素的各水平出现的次数相同 均衡分散性 2 正交表中任意两列 把同行的两个数字看成有序数对时 所有可能的数对出现的次数相同 表示 任意两因素的各种水平的搭配在所选试验中出现的次数相等 整齐可比性 以上是设计正交试验表的基本准则 2 正交实验的表头设计 表头设计是正交设计的关键 它承担着将各因素及交互作用合理安排到正交表的各列中的重要任务 因此一个表头设计就是一个设计方案 表头设计的主要步骤 1 确定列数 2 确定各因素的水平数 3 选定正交表 4 表头安排 5 组织实施方案 整个设计过程一句话归纳为 因素顺序上列水平对号入座实验横着作 方法1直观分析 极差分析 1 计算极差 确定因素的主次顺序 第j列的极差 极差越大 说明这个因素的水平改变对试验结果的影响越大 极差最大的那个因素 就是最主要的因素 3 结果统计方法 方法2方差分析法 基本思想与双因素方差分析方法一致 将总的离差平方和分解成各因素及各交互作用的离差平方和 构造F统计量 对各因素是否对试验指标具有显著影响 作F检验 确定赖氨酸产生菌FB31发酵培养基成分玉米浆 豆饼水解液 硫酸铵适宜浓度及其对发酵的影响 例题 表1正交表因子水平表 第一步 确定因子和水平 列出因子水平表 第二步 根据因子和水平数选用合适的正交表 设计表头 安排试验 第三步 实验结果及分析 极差分析 表2正交实验结果 本实验的适宜配比为 硫酸铵4 豆饼水解液1 玉米浆3 5 影响试验的因素主次为 玉米浆 豆饼水解液 硫酸铵 从直观分析图可知 进一步提高玉米浆的浓度 可能提高产酸 直观分析图 作业 1 某培养基影响因素与水平如下 试问应采用哪种正交表进行实验 如果根据正交表进行实验 结果如下 19 20 18 24 30 22 18 26 31 试对该结果进行分析 2 前体3 培养基成分在进行选择时应遵循什么原则 4 孢子培养基 种子培养基 发酵培养基有何不同 为什么要灭菌 P57 杂菌污染 使生物化学反应的基质或产物消耗 造成产率下降 杂菌产生的某些代谢产物 或染菌后发酵液的某些理化性质的改变 使产物的提取变得困难 造成收得率降低或使产品质量下降 杂菌可能会分解产物而使生产失败 杂菌大量繁殖 会改变反应介质的pH 从而使生化反应发生异常变化 发生噬菌体污染 微生物细胞被裂解而使生产失败 第四章发酵工业的无菌技术 怎样保证纯种培养 生产设备灭菌并保证无泄漏 所用培养基必须灭菌 通入的气体应经除菌处理 种子无污染 培养过程中加入的物料经灭菌处理 并在加入过程中确保无污染 连续培养 灭菌方法P64 干热灭菌法火焰灭菌法电磁波 射线灭菌法湿热灭菌法 主要是高压蒸汽灭菌 化学药剂灭菌法过滤除菌法 进行干热灭菌时 微生物细胞发生氧化 微生物体内蛋白质变性和电解质浓缩引起中毒等作用 氧化作用导致微生物死亡是主要依据 由于微生物对于热的耐受力比对湿热强得多 故干热灭菌所需的温度要高 时间要长 一般160 170 1 1 5h 实际应用时 对一些要求保持干燥的实验器具和材料可以采用干热灭菌法 利用火焰直接杀死微生物的灭菌法称为火焰灭菌法 该法方法简单 灭菌彻底 但使用范围有限 仅适用于接种针 玻璃棒 三角瓶口等的灭菌 利用电磁波 紫外线 X射线 射线或放射性物质产生的高能粒子进行灭菌 以紫外线最常用 紫外线对芽胞和营养细胞都能起作用 但细菌芽胞和霉菌孢子对紫外线的抵抗力强 紫外线的穿透力低 仅适用于表面灭菌和无菌室 培养室等空间的灭菌 对固体物料灭菌不彻底 也不能用于液体物料的灭菌 250 270nm之间杀菌效率高 以波长在260nm左右灭菌效率最高 除紫外线外 X射线和 射线也可进行灭菌 利用饱和蒸汽进行灭菌原理 水的沸点随水蒸气压力的增加而上升 高压情况下可获得高温的水蒸汽 借助蒸汽的高温和蒸汽释放的潜热使微生物细胞中的蛋白质 酶和核酸分子内部的化学键 特别是氢键受到破坏 引起不可逆的变性 使微生物死亡从灭菌效果来看 由于蒸汽有很强的穿透能力 湿热灭菌对耐热芽胞杆菌来说 温度升高10 时 灭菌速度常数可增加8 10倍 对营养细胞更高 另外蒸汽冷凝为水时还要释放出潜热 因此温度可进一步提高蒸汽来源方便 价格低廉 灭菌效果可靠湿热灭菌法是目前最常用的灭菌方法 一般的湿热灭菌条件为121 30min 某些化学药剂能与微生物发生反应而具有杀菌的作用 化学药剂适用于生产车间环境的灭菌 接种操作前小型器具的灭菌等 化学药品的灭菌使用方法 根据灭菌对象的不同有浸泡 添加 擦拭 喷洒 气态熏蒸等 上节知识回顾 灭菌方法 湿热灭菌 培养基过滤除菌 空气 1培养基的灭菌P65 培养基的湿热灭菌原理培养基的分批灭菌培养基的连续灭菌 本节内容 湿热灭菌原理 灭菌不利方面 由于蒸汽具有很强的穿透能力 而且在冷凝时会放出大量的冷凝热 很容易使蛋白质凝固而杀死各种微生物 会破坏培养基中的营养成分 甚至会产生不利于菌体生长的物质 因此 在工业培养过程中 除了尽可能杀死培养基中的杂菌外 还要尽可能减少培养基中营养成分的损失 一 湿热灭菌的原理P65 微生物对热的抵抗力常用 热阻 表示 热阻 微生物在某一特定条件下 主要是温度和加热方式 下的致死时间 相对热阻 某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值 1 微生物的热阻P65 致死时间 在致死温度下 杀死全部微生物所需的时间 致死温度 杀死微生物的极限温度 2 对数残留定律P65 对数残留定律 在一定温度下 微生物受热死亡的速率与任何瞬间残留的活菌数成正比 N 培养基中残留活菌数 个 t 受热时间 min k 反应速率常数 或比死亡速率常数 min 1 反应速率常数k随微生物种类和加热温度而变化 N0 开始灭菌时原菌数 个Nt 经时间t后残留菌数 个 一般考虑产芽胞细菌和细菌的芽胞之和作为计算依据 在设计时常采用Nt 0 001 即1000次灭菌中有一次失败的机会 反应速率常数k是微生物耐热性的一种特征 它随微生物的种类和灭菌温度而异 例 有一发酵罐内装40m3培养基 在121 下进行实罐灭菌 原污染程度为每1mL有2 105个耐热细菌芽孢 121 时灭菌速度常数为1 8min 1 求灭菌失败机率为0 001时所需要的灭菌时间 解 N0 40 106 2 105 8 1012 个 Nt 0 001 个 K 1 8min 1 3 培养基灭菌温度的选择 结论1 当灭菌温度上升时 微生物杀死速率的提高要超过培养基成分的破坏速率的增加 结论2 在灭菌时选择较高的温度 较短的时间 这样便既可达到需要的灭菌程度 同时又可减少营养物质的损失 杂菌的种类与数量灭菌温度与时间培养基成分pH值培养基中的颗粒泡沫 二 影响培养基灭菌的因素p68 油脂 糖类及一定浓度的蛋白质增加微生物的耐热性在固形物含量高的情况下 灭菌温度可高些 培养基成分 pH值对微生物的耐热性影响很大 pH值愈低 灭菌所需的时间愈短 pH值6 0 8 0 微生物最耐热 pH值 6 0 氢离子易渗入微生物细胞内 从而改变细胞的生理反应促使其死亡 pH值 培养基中的颗粒小 灭菌容易 颗粒大 灭菌难 一般含有 1mm的颗粒对培养基灭菌影响不大 但颗粒大时 影响灭菌效果 应过滤除去 培养基中的颗粒 泡沫中的空气形成隔热层 使传热困难 热难穿透过去杀灭微生物 对易产生泡沫的培养基在灭菌时 可加入少量消泡剂 泡沫 液膜 空气 空气 空气排除情况 三 培养基的分批灭菌P69 定义 将配制好的培养基放在发酵罐或其他容器中 通入蒸汽将培养基和所用设备一起灭菌的过程 也称为实罐灭菌 常用 分空气过滤器灭菌并用空气吹干 夹套或蛇管排冷水 开启排气管阀 空气管通蒸汽 也可夹套内通蒸汽 达70 左右 取样管 放料管 通蒸汽 120 1 105pa 保温 保温阶段 凡液面以下各管道都应通蒸汽 液面上其余各管道则应排蒸汽 不留死角 维持压力 温度恒定 罐压接近空气压力 向罐内通无菌空气 保温结束 依次关闭各排汽 进汽阀门 夹套或蛇管中通冷水培养基降温到所需温度 1 灭菌工艺过程 2 灭菌时间的计算 以理论灭菌时间做适当延长或缩短 若仅考虑保温时段的灭菌作用 理论灭菌时间 240 160 120 80 时间 min 0 50 100 150 温度 升温 冷却 保温 培养基间歇灭菌过程中的温度变化情况 过程包括 升温 保温和冷却三阶段 各阶段对灭菌的贡献 20 75 5 例1 有一发酵罐内装40m3培养基 在1210C温度下实罐灭菌 原污染程度为每1ml有2 105个耐热细菌芽孢 已知1210C时灭菌速度常数k 1 8min 1 求灭菌失败机率为0 001时所需时间 解 N0 40 106 2 105 8 1012 个 Nt 0 001 个 k 1 8 min 1 Nt N0 ktt 2 303 k lg N0 Nt 2 303 1 8 lg 8 1015 20 34 min 由于升温阶段就有部分菌被杀灭 特别是当培养基加热至1000C以上 这个作用较为显著 故实际保温阶段时间比计算值要短 例1 有一发酵罐内装40m3培养基 在1210C温度下实罐灭菌 原污染程度为每1ml有2 105个耐热细菌芽孢 已知1210C时灭菌速度常数k 1 8min 1 求灭菌失败机率为0 001时所需时间 解 N0 40 106 2 105 8 1012 个 Nt 0 001 个 k 1 8 min 1 Nt N0 ktt 2 303 k lg N0 Nt 2 303 1 8 lg 8 1015 20 34 min 由于升温阶段就有部分菌被杀灭 特别是当培养基加热至1000C以上 这个作用较为显著 故实际保温阶段时间比计算值要短 发酵罐 蒸汽 蒸汽 冷却水 无菌培养基 配料罐 泵 加热塔 维持罐 冷却管 四 培养基的连续灭菌P70 将配制好的培养基向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热 保温和冷却等灭菌操作过程 也称连消 1 连续灭菌的设备 1 配料预热罐