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生化工程 轻化学院廖问绪论 什么是生物技术 应用自然科学和工程学的原理 依靠生物体系的作用 对底物原料进行加工以提供各种产品或达到某种目的的技术 生物技术的构成及其相互关系 一 基因工程二 细胞工程三 发酵工程四 酶工程五 蛋白质工程 生物技术的上 中 下游关系 上游加工 应用杂交选育 基因工程 细胞工程等手段 获得优良的菌株 细胞系 固定化菌体等 中游加工 以生物反应器为中心的生产加工 下游加工 产物的分离提取 生化工程 研究生物反应中的共性工程技术问题 是生物工程和化学工程的纽带 作为一项工程 需要把科学原理 技术要求和经济效益综合考虑 并解决实际的问题 生物技术的发展 传统生物技术 酿酒 醋 面包 酸奶 近代生物技术时期 随着对微生物的认识不断深入 带动了生物技术的发展 建立了微生物的纯培养技术 实现了对发酵过程的人为控制 而青霉素的大规模生产标志着微生物发酵技术发展到了一个新的阶段 主要的技术进展 通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题 抗杂菌污染的纯种培养技术 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制造 意义 带动了抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术 大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础 大型发酵罐搅拌装置 现代生物技术的发展 现代生物技术的发展是以基因重组技术的建立为标志的 上个世纪50年代 结构模型的阐述和建立 奠定了现代分子生物学的基础 给生物学和人类社会带来了一场革命 采用基因工程和细胞生物学的方法 将不同来源的DNA进行体外剪切与重组 再把重组DNA转入受体细胞内 并进行繁殖和遗传下去 人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因导入微生物细胞中 从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种 使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物 细胞融合技术 基因操作技术等生物技术发展 打破了生物种间障碍 能定向地制造出新的有用的微生物 增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数 可以大幅度地提高目标产物的产量 将动 植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中 快速经济地大量生产这些产物 将具有不同性能的多种质粒植入 使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护 现代生物技术的前景 现代生物技术的发展一日千里 在农工医环境等方面都用途广泛 机遇与风险并存 其优势与缺点都很明显 并日益引起民众的关注重视 人类健康环境保护社会发展 发酵工程原理及其应用 发酵工程 fermentation 的定义 传统意义的发酵生理学意义的发酵工业发酵 借助微生物在有氧或无氧状态下的生命活动来制备微生物菌体自身 或者其初级和次级代谢产物的过程 称为发酵 是生物技术产业化的重要途径 发酵工程主要指在最适发酵条件下 在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术 发酵工程所利用的微生物主要是细菌 放线菌 酵母菌和霉菌利用微生物的特点 1 对周围环境的温度 压强 渗透压 酸碱度等条件有极大的适应能力 2 有极强的消化能力 3 有极强的繁殖能力 发酵工业的特点 条件温和 反应安全 成本低廉 可采用较廉价的原材料 甚至变废为宝 发酵所用的原料通常以淀粉或其他农副产品为主 只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应 可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新 反应专一性强 可得到较为单一的代谢产物 可对一些比较复杂的化合物进行加工修饰 不受自然条件的限制 发酵工艺方法简介 类别 根据对氧的需要区分 厌氧发酵 有氧发酵 兼性厌氧发酵根据培养基物理性状区分 固体和液体发酵根据从微生物生长特性区分 分批发酵 连续发酵和补料分批发酵 固体发酵 指没有或几乎没有自由水存在下 在有一定湿度的水下溶性固态基质中 用一种或多种微生物进行的生物反应过程 优点 培养基对菌的影响较小 操作简单 设备投资少 适应性强 原料广泛 价格低廉 通气量小 能耗低 产物提取容易 无废水或很少废水产生 缺点 工作强度较大 不易搅拌均匀 生产效率较低 不易散热 产物不纯 不易监测控制等 液体发酵 1 液体表面发酵法 劳动强度大 效率低 占地范围大 易染杂菌 2 液体厌氧发酵法 生产效率高 能耗少 操作简单 但是用途受限制 3 液体深层通气发酵法 易于自动控制 产品纯度高 质量稳定 设备利用率高 劳动强度小等 固体发酵 适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品 液体深层发酵 适合于大规模工业化生产 发酵工业的产物 微生物菌体 酵母 单细胞蛋白酶制剂 医药 食品加工 活性饲料代谢产物 初级代谢产物 氨基酸 蛋白质 核酸 脂类 次级代谢产物 抗生素等 生物转化 新型抗生素 药物合成 按发酵产品和用途分类 酿酒与食品有机溶剂抗生素酶制剂氨基酸核酸维生素菌体蛋白生理活性物质医药 生物材料 PTT纤维 PLA纤维 聚乳酸酯 微生物冶金和开采生物农药与生物肥料环境保护与废物处理生物能源 发酵的过程 1 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制 2 培养基 发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌 3 将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中 4 将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物 5 将产物抽提并进行精制 以得到合格的产品 6 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水 工业发酵的流程 菌种的选育 发酵工业菌种概述菌种的分离筛选菌种的鉴定菌种的改良菌种的保藏 发酵工业菌种概述 细菌放线菌酵母菌霉菌未培养微生物 最常用的工业微生物 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 最常用的工业微生物 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 最常用的工业微生物 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 最常用的工业微生物 放线菌链霉菌属小单孢菌属地中海诺卡氏菌米苏里游动放线菌 未培养微生物 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 研究方法模拟自然培养法 原位培养 培养条件优化 单细胞操作宏基因组分析法 菌种的分离筛选 对菌种的要求 低廉易得的培养基快速的生长周期易于控制抗污染适应性强稳定不退化非病原菌 菌种的来源根据资料直接向有科研单位 高等院校 工厂或菌种保藏部门索取或购买 从大自然中分离筛选新的微生物菌种 菌株的选择性分离 新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求 菌种的特性 采用各种筛选方法 快速 准确地把所需要的菌种挑选出来 实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌 也必须重新进行分离纯化 菌种分离的基本流程 定方案 首先要查阅资料 了解所需菌种的生长培养特性 采样 有针对性地采集样品 增殖 人为地通过控制养分或培养条件 使所需菌种增殖后 在数量上占优势 加入唯一营养源 施加选择压力等 分离 利用分离技术得到纯种 发酵性能测定 进行生产性能测定 这些特性包括形态 培养特征 营养要求 生理生化特性 发酵周期 产品品种和产量 耐受最高温度 生长和发酵最适温度 最适pH值 提取工艺等 工业菌种的分离原则 1 根据发酵条件来筛选适应菌种 2 菌的生长温度应尽量高 3 菌对环境和设备的适应性和稳定性 4 菌种的生产效率和毒性 副产物等 菌种的筛选与分离 施加选择压力 1 控制培养基成分 2 控制培养条件 3 抑制不需要的菌类利用菌种的生理活性特点 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 菌种的纯种分离 1 划线法 简单 快捷 2 稀释法 菌落单一均匀 固体培养基划线法接种法 稀释涂抹接种法 生产性能的测定 一般采用两步法 初筛 以量为主复筛 以质为主 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 菌种的选育 自然育种 利用菌种的自然突变而进行菌种筛选的过程叫自然育种 自然选育的基础是菌种的高速传代繁殖和基因具有的变异性 简单易行但效率很低 常用于菌种的纯化复壮 诱变育种 用各种物理 化学和生物的因素人工诱发基因突变 诱变剂 能够提高生物体突变频率的物质 诱变剂 物理 紫外线 快中子 化学 氮芥 亚硝基胍 诱变育种的一些问题 诱变手段的复合化与多样化诱变强度的控制正向突变与反向突变变异菌株的筛选 抗噬菌体菌株的筛选 噬菌体对发酵工业的危害与抗噬菌体菌株的意义 噬菌体的变异性 杂交育种 指将两个基因型不同的菌株接合 使遗传物质重新组合 形成具有新的遗传性质的菌株 再从中筛选分离具有有利性状的新菌种 原生质体融合 1 标记菌株的筛选2 原生质体的制备3 原生质体的融合与再生聚乙二醇 PEG 脱水剂助融剂Ca2 提高融合频率4 融合子的选择 原生质体融合的优点 1 消除了细胞壁的阻碍2 可形成多亲株的重组子3 重组频率很高4 易于与其他育种方法相结合5 筛选效率较高 DNA重组技术 1 目标DNA片段的获得2 与载体DNA分子的连接3 重组DNA分子引入宿主细胞4 从中选出所需重组DNA分