生物工艺原理ppt全套教学课件

1、 第一章 绪论 生物工艺学（biotechnology)又称生物技术学、生物工程学，又是一种较难准确掌握的知识。它是一个高度跨学科与跨行业的领域,涉及诸多学科和行业。 从不同的学科和行业去理解生物技术时，总难免带有不同侧重点。所以强调准确理解生物技术就显得十分必要。 生物工艺学的概念 生物工艺学（Biotechnology）是一门既有悠久历史又有崭新内容的科学技术和生产工艺。指“应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂（biocatalyst ）的作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务”的技术。 生物工程指“人们以现代生命科学为基础，结合先进工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先

2、的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的”。 Chap 1传统的生物技术近代生物技术现代生物技术生物技术高新技术生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、能源技术、自动化技术、新材料技术、海洋技术What is a high-tech？ Chap 1绿色生物技术：农业红色生物技术：医药 白色生物技术：工业 灰色生物技术：环境蓝色生物技术：海洋生物技术Chap 1 据有关部门初步统计, 全国共有生物科学、生物技术和生物工程各类生物学专业点500多个,分布在30多个省市300多所高等学校,其中生物科学专业点200多个,约占40%左右;生物技术专业点180多个，约占37%38

3、%，生物工程专业点120多个, 在校学生人数大约2.5万左右。 生物科学 生物技术 有哪些区别和联系呢？ 生物工程 生物科学、生物技术、生物工程这三个专业是属于生物学范畴的专业，它们三个分别位于生命科学产业链的上、中、下游位置。 生物科学最侧重于理论研究，生物工程侧重于用工程学的手段来对生命科学进行实际的应用，而生物技术则是两者的有机结合，是联系实验室和生产车间的重要纽带和桥梁。Chap 1BT解决的问题 解决人类生存与发展所面临的一系列重大问题，在很大程度上将依赖于生物工程技术的发展。生物工程乃至生命科学对人类经济、科技、政治和社会发展的作用是全方位的。Chap 1 细菌利用石油降低海滩的污

4、染，喷洒营养液促使细菌生长。 利用废弃物发酵生产沼气，解决能源问题。Chap 1 一、 发展简史 (1) 传统生物技术的追溯 (2) 第一代（初期）生物技术产品的出现 1680年，荷兰人吕霍克（leeuwenhoek）制成显微镜，首先观察到了微生物(Microbe)。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望显微镜的发明打开了微观世界的大门光学显微镜透射电子显微镜扫描电子显微镜Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 19世纪60年代，法国科学家L.Pasteur首先证实酒精发酵是由酵母菌引起的，其他不同的发酵产物是由形态上不同的微生物作用而形成的，接着建立了纯粹培养技术

5、。 Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 1897年，德国的毕希纳（Buchner）进一步发现磨碎了酵母仍能使糖发酵而形成酒精，并将此具有发酵能力的物质称为酶。这样发酵现象的真相才真正被人们了解。Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 19世纪末到20世纪20-30年代，不少工业过程陆续出现，这时期的发酵产品有丙酮-丁醇（acetone-butanol）、乳酸（lactic acid）、酒精（alcohol）、面包酵母（bread yeast）、柠檬酸（citric acid）、淀粉酶（amylase）、蛋白酶（proteinase）等。 产品的特点大多是嫌气发酵

6、（anaerobic fermentation）过程的产物，产物的化学结构比起原料来更为简单属于初级代谢产物。请看短片:中国酿酒技术起源主讲人：周嘉华中国科学院自然科学史研究所研究员Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 （3） 第二代（近代）生物技术产品 近代生物技术产品出现于20世纪40年代。最初采用表面培养（surface cultures）生产，以麸皮（wheat bran）为培养基（medium），发酵效价单位（ferm. titer unit）约为40u/ml，纯度20%，收率30%，1943年，美英科学家研究出5m3的机械通风发酵罐，深层培养(submerged c

7、ultures),发酵效价为200 u/ml ，纯度60%，收率75%。Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 抗生素（antibiotic）如链霉（streptomycin）、新霉素（neomycin）相继问世，其他产品，如氨基酸（amino acid）、酶制剂（enzyme preparation）、有机酸（ organic acid）很快发展起来。 产品种类多，既有初级产物又有次级产物如抗生素、多糖(polysaccharide)等，还有生物转化，酶反应等。大多为好气发酵（aerobicfermentation），规模大，技术要求高。 Chap 1第一节 生物及其产业产业的

8、发展回顾与展望(4) 第三代（现代）生物技术产品的挑战 这一代生物技术产品的特点是运用了现代生物技术重组技术（recombinant DNA technology）和原生质体融合技术（protoplast fusion）等的成果进行生产的产品。Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 1975年英国的科勒（Kohler）及米尔斯坦（Milstein）发明了杂交瘤技术，他们用B淋巴细胞（来自脾脏，能产生抗体）与骨髓瘤细胞（能在体外无限繁殖）用原生质体融合 (protoplast fusion)技术进行细胞融合而获得既能在体外培养有能产生单一抗体的杂交细胞特称杂交瘤细胞，它们的产品是单

9、克隆抗体（Monoclonal antibody），可用作临床诊断试剂或生化治疗剂。 B淋巴细胞(B-lymph) (hybridoma) 原生质体融合 杂交瘤细胞 MAB骨髓瘤细胞(myeloma)Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 鉴定微生物病原体、“早早孕诊断试剂盒”、检测血液中的药物含量、“生物导弹”等。单克隆抗体的应用Chap 1 1969年，日本首先将固定化酶(immobilization of enzyme)（1953年由格罗勃霍佛及希利兹提出）用于DL-氨基酸的光学拆分(氨基酰化酶）。Chap 1第一节 生物

10、及其产业产业的发展回顾与展望 固定化异构酶(isomerase)生产果葡糖浆(fructose -glucose syrap)，固定化酰化酶(acylase)生产6-氨基青霉烷酸(6-amino penicillanic acid)，在临床用于诊断和治疗，也可用于制备生物传感器（biosensor）以测定酶的底物浓度。Chap 1第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 1977年波依耳首先用基因操纵(gene manipulation)手段获得了生长激素抑制因子(growth hormone inhibitor)的克隆。 1978年吉尔勃脱（Gilbert）接着获得了鼠胰岛素（mouse i

11、nsulin）的克隆。1982年第一个基因工程产品利用重组体微生物生产的人胰岛素(human insulin)终于问世了。 人们可以采用“借腹怀胎”的方法，借用大肠杆菌(E.coli)的培养生产仅人类胰脏(pancreas)才能分泌的人胰岛素。Chap 1第一例基因工程实验第一节 生物及其产业产业的发展回顾与展望 1983年，美国学者将大鼠的生长激素基因导入小鼠的受精卵里，再把受精卵移到借腹怀胎的雌鼠内，生下来的小鼠带有大鼠的生长激素基因，生长快，并可遗传给下一代。 将与动物优良品质有关的基因转移到动物体内，使动物获得新的品质。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 基因工程是按

12、人们的意志把外源（目标）基因（特定的DNA片段）在体外与载体DNA（质粒、嗜菌体等）嵌合后导入宿主细胞，使之形成能复制和表达外源基因的克隆（clone-无性繁殖系或重组体）。 可以通过这些重组体的培养而“借腹怀胎”地获得所需要的目标产品。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 DNA重组技术产品干扰素(interferons)胰岛素(insulin)生长激素(growth hormone)疫苗(vaccines)白蛋白(albumin)氨基酸(amino acid)单细胞蛋白(single cell protein)生物杀虫剂(biopesticide)降钙素（Calcitoni

13、n）降钙素素岛胰生长激素释 放因子干扰素第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望生产基因工程产品的生物反应器Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 基因工程的宿主(acceptor)： Ecoli B subtilis yeast animal cell 细菌为宿主而获得的目标产物，虽然氨基酸的顺序是正确的，但常因蛋白质的立体结构有误而不具活性，需要通过重叠后才能获得目标产物。而动物细胞进行表达时，所获得的目标产物不存在上述缺点。因此，基因工程的发展推动了动物细胞培养技术的发展。植物细胞的大规模培养历史早于动物细胞，利用植物细胞培养可以生产某些稀有植物次生代谢产物。 如生物碱（a

14、lkaloid）、甾体化合物（steroid）转基因生物反应器 将目的基因导入动物体内形成转基因生物，由于基因表达，可以从转基因动物的特定组织或器官（乳汁、血液等）获得目的基因产物。使转基因动物象一发酵罐一样来生产目的基因的产物。 从转基因羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA（组织溶解酶原激活剂）。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 过去凝血因子都是从献血的血源中提取的，全美国这方面的病人一年需求约为120g左右，这120g得从120万升的血浆中提取，以每人献血200ml计，就需要600万个献血者提供血浆。若改用转基因牛来生产，只需1.2头牛产的牛乳即可满足。 1998年2月上

15、海医学遗传研究所试验成功的转基因山羊所表达的“凝血因子”如进入工业生产也将具有惊人的产值。 芬兰科学家将人体的促红细胞生长素基因，植入乳牛的受精卵中，创造了一种能生产出促红细胞生长素的乳牛。从理论上说，这种乳牛一年可提取6080千克促红生长素，比目前全世界的使用量还多。 第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望1985年，商业化的一种生长激素获得了FDA认证。1986年，第一个治疗型单克隆抗体药物（Orthoclone OKT3）获准上市，用于防治肾移植排斥。同年上市还有第一个基因重组疫苗（乙肝疫苗，Recombivax-HB）和第一个抗肿瘤的药物-干扰素(Intron A)。1987年，第一

16、个用动物细胞（CHO）表达的基因工程产品t-PA上市。1989年，重组人促红细胞生成素（EPO-alpha）成为销售额最大的生物技术药物。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望20世纪90年代初，人源抗体制备技术建立起来，1994年第一个基因重组嵌合抗体（Reopro）上市，1997年用于肿瘤治疗的治疗性抗体问世。1998年，世界唯一的一个反义寡核苷酸药物上市，用于AIDS病人由巨细胞病毒引起的视网膜炎的治疗，同年，主要用于预防化疗后免疫力下降病人的恶性感染的药物Neupogen成为生物技术药物中的第一个重磅炸弹。2002年，治疗性人源抗体获准上市，2004年中国批准了第一个基因

17、治疗药物-重组人p53腺病毒注射液。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 Amgen的G-CSF和Roche的干扰素经聚乙二醇(PEG)修饰后，得到了能在人体内长期有效的重组蛋白药物，PEG-GCSF(Neulasta)和PEG-IFN(Pegasys)，分别在2002年和2005年得到FDA批准上市。实际证明此改进的产品更得到医生和病人的认可； 干扰素经聚乙二醇(PEG)修饰后，得到了能在人体内长期有效的重组蛋白药物，PEG-GCSF(Neulasta)和PEG-IFN(Pegasys)，分别在2002年和2005年得到FDA批准上市。实际证明此改进的产品更得到医生和病人的认

18、可； Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 2006年1月27日，辉瑞公司的鼻喷型胰岛素(Exubera)得到FDA批准上市，其开创了基因工程药物通过口鼻粘膜达到吸收药物的目的，减低了病人注射的困难； 2012年9月，旧金山一家生物技术公司MyoKardia利用新的基因组方法研发治疗心肌病的药物，寻找因为基因突变而患有此类疾病的患者，不仅计划筛选出针对某类患者的有效药物，同时还计划开启相关药物的伴随诊断测试。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 2014年9月，法国生物医药巨头赛诺菲公司投资2亿美金，进行治疗心肌疾病相关新药的早期研发工作，包括了两个关于肥厚性心

19、脏病药物研发项目和一个扩张性心脏病药物研发项目，双方计划到2018年完成这一协议研发。NGM生物制药公司（NGM Biopharmaceuticals, Inc.）成立于2008年，位于旧金山南部，是一家由私人控股的药物探索开发公司，致力于鉴定和开发革新性生物制剂，用于糖尿病、肥胖症、肌肉萎缩及其他心脏疾病的治疗、慢性病病药物开发。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 Padlock Therapeutics成立于2014年1月，是一家专门开发自身免疫疾病药物的公司，正在开发靶向蛋白精氨酸脱亚氨酶（介导蛋白瓜氨酸化的一类酶，PADs）的新颖疗法。 三石风险投资公司（Third

20、Rock Ventures）作为生物技术风险投资公司，在2015年建立了一家新公司Revolution Medicines，并投入了4500万美元进行抗真菌药物开发，并进行修饰设计这些分子，用于治疗严重疾病。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望动物克隆技术Chap 1人体器官克隆Chap 1反对克隆人的示威Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 1983年，日本利用紫草细胞培养工业化等生产紫草素，是世界上第一个利用植物细胞培养工业化生产次生代谢产物的例子。紫草宁具有多种生物活性， 能抗菌、消炎、抗肿瘤等。 1989年，72m3 的 培养罐内大规模培 养植物细胞生产

21、药 物已经成功。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 利用植物这种特性，可以从植物的根、茎、叶、果、胚乳、花药等植物器官或组织取得一定量的细胞，在试管中培养这些细胞，使之生长成为所谓的愈伤组织；愈伤组织有很强的繁殖能力，可在试管内大量繁殖。第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望转基因植物获得了新的症状Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望artificialseedtransgenic plant Seedless watermelonChap 1 基因工程产品难投产的原因： （1）目的产物较难提取和纯化； （2）目标产物在培养基中的含量非常低,有的 在细胞中；

22、 （3）在重组菌的培养中，为了尽量获得重组体，往往需要采用高密度培养（high density culture），但得不到高密度的目的产物。因为重组菌不稳定，导入的嵌有外源基因的质粒（plasmid）容易从宿主细胞脱落而使外源基因不能表达。 两个问题：1.提高外源基因在宿主中的稳定性，增加表达量。 2.研究提高稳定性的培养工艺条件。 基因工程产品比常规产品更严格的药品或食品的安全实验的审批手续。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 重要生物工程技术的建立 1.纯培养技术：19世纪末至20世纪初 2.通风搅拌发酵技术：20世纪40年代 3.代谢控制发酵技术：20世纪60年代 4.

23、基因工程等多技术引入发酵：20世纪70年代 5.生物反应器放大技术以及过程控制技术 参阅：夏焕章，发酵工艺学，中国医药科学出版社，2015.8Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 二、 世界生物技术发展趋势 (1) 生命科学基础研究进一步深入。 （HGP计划以及后基因组计划-功能基因组研究，探索基因表达、调控和不同基因相互作用等生命活动的基本规律） (2) 多学科的交叉渗透进一步发展，新兴技术不断涌现。 （生物信息学、生物芯片技术和传感器技术，成为功能基因分析，药物筛选的重要手段，生物材料在组织工程中作用）。 第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望Chap 1 二、世界生物技

24、术发展趋势 （3）生物技术产业的投入不断增加： 全球生物工程与医药产业进入结构调整期。美国每年基因工程药物的研究经费不少于100亿美元，120余种药物上市，尚有近400种处于各期临床研究阶段，约2000种处于临床前研究开发阶段。 美国重视“生物制造技术”，2020 年制造技术挑战的11 个主要方向之一，预期到2030 年以生物制造替代25% 有机化学品和20% 石油燃料。 纤维素燃料乙醇全球战略制高点和必争点。 欧洲、日本等发达国家对其霸主地位提出了挑战。韩国、印度成立了生物技术部，全面协调生物技术的研究、开发与产业化。 Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望二、 世界生物技术发

25、展趋势 （4）生物技术产业正在成为新的经济增长点： 医药领域作为发展生物技术产业的突破口，美国的Amgen公司，基因工程药物、疫苗、全新的基因疗法、诊断技术主要方向，新药研究和创制的重要支柱技术。 RNA干扰技术，被认为是生物技术新药的下一个热点。重组激素、重组溶血栓物质如重组链激酶（R-streptokinase，r-SK）、重组组织型纤溶酶激活剂（r tissue type plasminogen activator，rt-PA）等。 世界新一轮发展竞争的焦点。农业生物技术；环境生物技术；生物制造和生物处理工艺及能源研究；海洋生物技术研究。 Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与

26、展望三、 工业生物技术发展趋势对我国的启示（1）工业生物技术发展的重要性：生物炼制技术、细胞工厂 （2）工业生物技术发展面临的挑战 工业生物技术的工业属性和学科交叉特点，存在一些问题： * 细胞水平（代谢组学）、分子水平（基因组）、反应器水平、过程控制等。 * 关键技术 相关政策：国外关注生物燃料多，而生物基化学品和生物材料少。 “三高”的特点，政策和资金、专业力量的支持。 纤维素乙醇代表发展的主流方向。 问题：加快研发力度，突破技术瓶径，降低生产成本，加快商业化生产的速度。第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 （3）我国工业生物技术产业发展对策 Q: 查阅资料，了解我国生物技术产业的发展

27、情况 工业生物技术列为重点研究领域： 加强微生物资源的挖掘，突破关键技术，加强微生物代谢工 程领域的基础研究。 改善相关政策，采取有效措施促进工业生物技术发展。 鼓励促进学术界与产业界的合作，加强宏观层面的统筹协调 和管理。 优化商业环境，提高公众对工业生物技术产业重要性的认知度。Chap 1第一节 生物技术及其产业的发展回顾与展望 第二节 生物反应过程 及特点 生物反应过程的实质是利用生物催化剂进行生物产品的生产过程。 酶（enzyme） 游离酶/固定化酶酶反应过程 生物催化剂 细胞（cell）固定化细胞/游离细胞-发酵过程Chap 1动、植物细胞（组织）培养过程污水生化处理过程 生物反应过

28、程 从天然物质(biomass)中提取有效成分Chap 1第二节 生物反应过程 及特点 细胞(cell) 酶 (enzyme) 除菌 检测 空气 控制 生物催化剂 热能(heat) (biocatalyst) (bioreactor) 产品(product) 生物反应器 extract 副产品(by product)(raw material) 残渣(lee/residue) 原材料 预处理 底物 灭菌 (sterilizing)营养物) (nutrient) 经加工的培养基(medium) 原材料(processed material) 生物反应过程示意图Chap 1第二节 生物反应过程 及

29、特点 一、生物反应过程包括的内容： 一般可分为四个部分： （1）原料的预处理及培养基的制备 发酵原料有薯类、谷类等，通常需要将它们进行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供给微生物利用。 另外还有废糖蜜、工农业的下脚料等。 发酵前根据微生物的需求，配制成一定组分培养基，并进行灭菌。 Q: 纤维素原料利用目前存在的问题？（）生物催化剂的制备 细胞：进行初步的扩大培养，满足发酵罐的要求 酶：确定酶制剂的添加量以及要求的条件Chap 1第二节 生物反应过程 及特点 （）生物反应器及反应条件的选择第二节 生物反应过程 及特点 膜过滤分离离心分离Q:下游技术还有哪些？ （）产品的分离与纯化（下游技术,downst

30、eamprocessing）Chap 1第二节 生物反应过程 及特点 培养基原料培养基配制培养基灭菌 储备菌种摇瓶（种子培养）种子罐培养发酵罐培养 空气 空气处理系统 无菌空气 (胞内产品)细胞等固型物 细胞分离 培养液 (胞外产品)无细胞清液 产品抽提 产品精制 产品包装 典型发酵过程示意图Chap 1二、生物反应过程的特点生产过程温和，原料无毒生产反应过程自动调节反应容易进行 能够高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原等生产产品的微生物本身也是产物，富含多种营养。通过改变生物体生产性能，提高产量Chap 1第二节 生物反应过程 及特点 一、 微生物菌体制造传统的菌体发酵工

31、业：Bread yeastChap 1 第三节 微生物代谢产品的类型免疫制品疫苗Chap 1冬虫夏草，与天麻共生的密环菌，多孔菌科的茯苓菌名贵中药茯苓和担子菌的灵芝等药用菌。新的菌体发酵-药用真菌Chap 1 第三节 微生物代谢产品的类型 生物防治剂（如苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌，其细胞中的伴孢晶体(parasporal )可毒杀鳞翅目，双翅目的害虫丝状真菌的白僵菌，绿僵菌可防止松毛虫菌。 活性乳酸菌制剂？ 细胞的生长与产物的积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。发酵特点 二、微生物酶制剂发酵生产 amylase ， s

32、acchariflyingenzyme， sucrase ， cellulase， proteinase, pectinase，lipase， pharmaceuticals enzyme, catalase。 Cholesterol oxidase , glucose oxidase，amino acylase, 胞内酶 endoenzyme 胞外酶 exoenzyme Q: 为什么微生物能够生产酶？Chap 1qu-koji传统黄酒传统白酒请看流媒体资料酒曲的发明.wmv主讲人：周嘉华，中国科学院自然科学史研究所研究员Chap 1 第三节 微生物代谢产品的类型 primary metabo

33、lite三、微生物代谢产物Chap 1 第三节 微生物代谢产品的类型secondary metaboliteChap 1 第三节 微生物代谢产品的类型四、微生物的生物转化 利用微生物细胞的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位（基团），使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物的生化反应。 生物转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物某一特定部位，进行化学反应而形成。 细胞的作用仅仅相当于生物催化剂，反应最显著的特点是特异性强（反应特异性强、结构位置特异性和立体特异性）。 Chap 1 第三节 微生物代谢产品的类型 固定化细胞或固定化酶

34、进行生物转化，可提高转化效率，降低成本。 最古老的生物转化，就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。 生物转化还可用于将甘油转化成二羟基丙酮、葡萄糖转化成葡萄糖酸，将山梨醇转化成L-山梨糖等。此外，微生物转化发酵还包括甾类转化和抗生素的生物转化。固定化酵母Chap 1 第三节 微生物代谢产品的类型微生物特殊机能消除环境污染：保持生态平衡金属浸沥回收基因工程菌株开拓发酵工程新领域Chap 1 第三节 微生物代谢产品的类型微生物特殊机能Q: 举例说明微生物如何利用自身的特殊机能，造福人类？Chap 1 第三节 微生物代谢产品的类型对于废渣矿、贫矿、废矿、尾矿，一般的开采技术已无能为力。唯有利用细菌

35、的浸矿技术才能对这类矿石进行提炼。如：氧化亚铁硫杆菌 硫化物矿石主要成分：硫和金属 细菌将矿石小颗粒吞下，硫被排出体外，金属则留在体内，收集菌体，提取金属。可浸提的金属有金、银、铜、锌、铀、钡等10多种贵重金属和稀有金属。 提高石油的开采率：深层石油由于吸附在岩石空隙间，难以开采，加入能分解蜡质的微生物后，利用微生物分解蜡质使石油流动性增加而获取石油，称之为三次开采。如生物固氮：将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围的微生物体内，希望由这些微生物进行固氮，减少化肥的使用量。 DNA重组改造遗传特性提高繁殖和适应能力基因工程菌 富集金属的基因转移到其他微生物中 作为培养基成分的碳源、氮

36、源、微量元素及生长因子等，并确定培养基中各成分的含量及比例合理设计一级、二级乃之三级种子培养系统，各级培养时间以及种子培养系统有与生产过程合理配套；合理控制不同阶段的环境条件，保证细胞正常生长和所需产物的形成 ，最低的消耗获得最大的得率；生产过程需要防止杂菌污染，保证生产正常进行；选择合适的分离方法，使之高效率、低成本地从细胞或培养液中提取、分离、纯化和精致所需产品； 生物生产过程的共性 生物工艺原理课是一门利用生物代谢过程，并借助于对代谢过程的控制，获得生物产品的过程共性为研究对象的学科。探讨生物产品生产过程的共性为目的 ，从工艺角度阐明细胞的生长和代谢产物与细胞的培养条件之间的相互关系，为

37、生产过程的优化提供理论基础。Chap 1第四节 生物工艺原理课的定义、内容和任务课程内容包括微生物菌种的特性和选育、培养基的配制、培养基和空气的灭菌、发酵的方法、发酵的机理、氧的传递、生产工艺的控制、杂菌的防止、动植物细胞的培养及清洁生产等内容。任务是使学生在已学过课程的基础上，进一步深化和提高所学的基本知识，深入理解生产过程的工艺原理，懂得如何应用上述基本理论去分析和解决生产过程中的具体问题，改造原有的不合理的生产过程，使之更符合客观规律。Chap 1第四节 生物工艺原理课的定义、内容和任务Thank you !食品与生物工程院第二章 生物工业菌种与种子扩大培养生物工艺原理（第三版）一、 工

38、业生产常用的微生物* 从自然界中分离出来就能被利用； 对野生菌株进行人工诱变，得到突变株才能被利用。 目前育种总趋势 从野生菌转向变异菌 自然选育转向代谢育种 从诱发基因突变转向基因重组的定向育种。 在工业生产中常用的微生物主要有细菌、酵母菌、霉菌和放线菌。第一节 工业生产常用的微生物Chap 2 由于发酵工程本身的发展以及遗传工程的介入，藻类（alga）、病毒（virus）等也正在逐步地变为工业生产用的生物。 目前人们对微生物的认识还是十分不够的。已经初步研究的不超过自然界微生物总量的10%左右。 微生物的代谢产物据统计已超过一千三百多种，而大规模生产的不超过一百多种； 微生物酶过千种，而在

39、工业上利用的不过几十种。可见潜力是很大的。*微生物有哪些特点？为什么微生物能获得广泛的应用？ Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 细菌（bacteria）： 属于单细胞原核生物（ unicellular prokaryote），以典型的二分分裂(binary)方式繁殖。 细胞生长时，环状染色体（chromosome）被复制，细胞内的蛋白质等组分同时增加一倍，然后在细胞中部产生一横段间隔，染色体被分开，继而间隔分裂形成两个相同的子细胞。 如间隔不完全分裂就形成链状细胞。Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 工业生产常用的细菌： 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) 乳酸杆

40、菌(Lactobacillus lactics) 醋酸杆菌(Acetobacter) 棒状杆菌(Corynebacterium) 短杆菌(Brevibacterium) 用于生产： 生产淀粉酶(amylase） 蛋白酶（proteinase） 乳酸(lactic acid) 醋酸(acetic acid) 氨基酸(amino acid) 肌苷酸(inosinic acid)Chap 2第一节 工业生产常用的微生物Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 微生物名称 产物 用途 短杆菌 味精、谷氨酸、肌苷酸 食用、医药 淀粉酶 酒精浓醪发酵、啤酒酿造、葡 枯草芽孢杆菌 萄糖、糊精、糖浆制造、纺织

41、 蛋白酶 品退浆、铜版纸加工等 梭状杆菌 丙酮、丁醇 工业有机溶剂巨大芽孢杆菌 葡萄糖异构酶 由葡萄糖制造果糖 大肠杆菌 酰胺酶 制造新型青霉素 节杆菌 强的松 医药蜡状芽孢杆菌 青霉素酶 青霉素鉴定、抵抗青霉素过敏症工业生产常用的细菌及产物和用途 酵母菌（yeast） 酵母菌为单细胞真核生物（ unicellular eukaryote），在自然界 中普遍存在，主要分布于含糖质较多的的酸性环境中，如水果、蔬菜、花蜜（nectar）和植物叶子上，以及果园土壤中。石油酵母（petroleum yeast）较多地分布在油田周围的土壤中。Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 酵母菌以单个细胞存在

42、，以发芽形式进行繁殖，母细胞体积长到一定程度时就开始发芽，芽长大的同时母细胞缩小，在母子细胞间形成隔膜，最后形成同样大小的母细胞。如果子芽不与母细胞脱离就形成链状细胞，称为假菌丝(pseudomycelium)。 工业上用的酵母菌： 啤酒酵母( Saccharomyces cerevisiae)、 假丝酵母(Candida)、 类酵母(Saccharomycodes)Chap 2第一节 工业生产常用的微生物用途：酿酒(Brewing)、制造面包、制造低凝固点石油、生产脂肪酶（lipase），以及生产可食用、药用和饲料用酵母菌体蛋白等。Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 微生物名称 产物

43、用途 酿酒酵母 酒精 食用、医药 石油蛋白 制造低凝固点石油及酵母蛋白 假丝酵母 环烷酸 化工 甘油酵母 甘油 医药、军工 啤酒酵母 细胞素色C、辅酶Q10、 医药、食品工业 酵母片、凝血素等 类酵母 脂肪酶 医药、编织脱蜡、洗衣业 节杆菌 强的松 医药阿氏假囊酵母 核黄素 医药 脆壁酵母 乳糖酶 食品工业工业生产常用的酵母菌及产物和用途 霉菌（mould） 凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌(fungi)统称为霉菌。 霉菌在自然界分布很广，大量存在于土壤、空气、水和生物体内外等处。它喜欢偏酸性环境，大多数为好氧性(aerobiotic)，多腐生，少数寄生。 霉菌的繁殖能力很强

44、，它以无性孢子和有性孢子进行繁殖。Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 生长方式:末端的伸长和顶端分支，彼此交错呈网状。菌丝或呈分散生长，或呈菌丝团状生长。 长度:受遗传和环境影响，其分支数量取决于环境条件。 工业上常用的霉菌有： 藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉，子囊菌纲的红曲霉，半知菌类的曲霉、青霉等； 产品：enzyme preparation、antibiotic、organic acid 、 steroid hormone.Chap 2第一节 工业生产常用的微生物Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 微生物名称 产物 用途 栖土曲霉 蛋白酶 水解蛋白、饲料、丝绸脱胶、脱毛等 柠檬

45、酸 制造低凝固点石油及酵母蛋白 柚苷酶 柑橘罐头脱去苦味 黑曲霉 酸性蛋白酶 啤酒除浊剂、消化剂、饲料 单宁酶 分解单宁，制造没食子酸 糖化酶 分解淀粉制糖 根霉 糖化酶、甾体激素 制糖工业、医药 土曲霉 甲丁二酸 化工 赤曲霉 赤霉素 农业、植物生长调节剂 梨头霉 甾体激素 医药 灰黄霉 灰黄霉素 医药红曲霉、木霉 糖化酶 、纤维素酶 红曲生产、淀粉糖化、纤维素分解工业生产常用的霉菌及产物和用途 放线菌主要以无性孢子进行繁殖，也可借菌丝片段进行繁殖。后一种繁殖方式见于液体沉没培养（submerged cultures）中。 生长方式是菌丝末端伸长和分支，彼此交错成网状结构，成为菌丝体。菌丝长

46、度即受遗传性的控制，又与环境相关。 放线菌(Actinomycetes)Chap 2第一节 工业生产常用的微生物链 霉 菌 示意图 放线菌最大经济价值在于能产生多种抗生素（antibiotics）。 从微生物中发现的抗生素，有60%以上是放线菌产生的，如链霉素、红霉素、金霉素、庆大霉素等。 常用的放线菌主要来自以下几个属：链霉菌属、小单孢菌属和诺卡氏菌属等。 第一节 工业生产常用的微生物Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 微生物名称 产物 用途 古细菌 甲烷 制造生物燃料 工业生产常用的放线菌及产物和用途 微生物名称 产物 用途灰色放线菌 蛋白酶 水解蛋白、饲料、丝绸脱胶、酱油制造、 脱

47、毛、明胶制造、胶卷回收银等 各种放线菌 链霉素、氯霉素 土霉素、金霉素 红霉素、新生霉素 医药 卡那霉素、庆大霉素 甾体激素 担子菌（Basidiomycetes ）： 所谓的担子菌就是人们通常所说的菇类(mushroom)生物。 多糖(polysaccharide) 抗癌(anticancer)药物 国外一些科学家对香菇的抗癌作用进行了深入的研究，发现香菇中的“1，2-葡萄糖苷酶”及两种糖类物质具有抗癌作用。Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 病毒(virus) 形体微小，体积比细菌小的多。 没有细胞结构，是一种独特分子的生物，主要由核酸和蛋白质构成。 营寄生生活，由于缺乏独立代谢的酶

48、体系，不能脱离寄主而自行生长繁殖，有专一性。 人类免疫缺陷病毒 （ human immunodeficiency virus ，HIV ）获得性免疫缺陷综合症（acquired immunodeficiency syndrome， AIDS ）Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 噬菌体（phage）是病毒的一种。 ：烈性噬菌体和温和噬菌体概念与区别。 噬菌体在寄主细胞中的生长繁殖过程可分为吸附、浸入、增殖、成熟和释放。Chap 2藻类（alga） 培养螺旋藻，按干重计算每公顷可收获60吨，而种植大豆每公顷才可获4吨；从蛋白质产率来看是大豆28倍，珊列藻是小麦的20-35倍。Chap 2第

49、一节 工业生产常用的微生物及要求 培植单胞藻，每年每公顷地培植的单胞藻暗5%干物质为碳水化合物（石油）计算，可得60吨石油燃料。 可通过藻类将CO转变为石油，培养单胞藻或其他藻类而获得的石油，可占细胞干重得5%-50%, 合成的油与重油相同，加工后可转变汽油、煤油、和其他产品。 国外还有人从“藻类农场”获取氢能的报道，大量培养藻类，利用其光合放氢作用来取得氢能。Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 二、 微生物工业对菌种的要求 目前，随着微生物工业原料的转换和新产品的不断出现，势必要求开拓更多新品种。尽管微生物工业用的菌种多种多样，但作为大规模生产，选择菌种的原则： (1)廉价原料、生长迅

50、速、目的产物产量高。 (2)易于控制培养条件，酶活性高；发酵周期较短。 (3)抗杂菌和嗜菌体的能力强。 (4) 菌种纯，不易变异和退化，不产生任何有害的生物活性物质和毒素，保证安全生产。Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 在筛选所需的菌种时应考滤的一些重要的指标： （1） 菌种的营养特征： （2） 菌种的生长温度： （3） 菌种对所采用的设备及生产过程的适应性： （4） 菌种的稳定性： （5） 产物的得率和产物的浓度： （6） 产物容易回收： 能满足（3）（6），则有希望成为效益较高的生产菌种。Chap 2第一节 工业生产常用的微生物 一、微生物菌种衰退的原因 1. 原因 (1) 菌种保

51、藏不妥; (2) 菌种生长的要求没有得到满足，或是遇到不利的条件，或是失去某些需要的条件； (3) 经诱变获得的新菌株发生回复突变，从而丧失新的特征的情况。 (4) 传代次数过多。第二节 菌种的衰退、复壮与保藏Chap 22. 菌种性能的改变菌种衰退的表现 (1) 菌种的外在特征改变 异核现象导致微生物群体发生变异 自发突变导致菌种遗传性能改变 回复突变 (2) 菌种的生理状况改变 生理生化特征改变 营养需求改变 衰退菌株的特点：个体或群体特征发生变化；生产能力降低；代谢能力降低；发酵周期延长；抗不良环境能力降低。第二节 菌种的衰退、复壮与保藏Chap 23.防止菌种衰退的措施 菌种的分离:

52、因为在菌种发生衰退的同时，并不是所有的菌体都衰退，其中未衰退的菌体往往是经过环境条件考验的，具有更强生命力。 采用单细胞菌株分离的措施，即用稀释平板法或用平板划线法， 以取得单细胞所长成的菌落（colony），再通过菌落和菌体的特征分 析和性能测定，就可获得具有原来形状的菌株，甚至性能更好的菌株strain）。 如果菌种已经发生退化，产量下降，则要进行分离复壮。第二节 菌种的衰退、复壮与保藏Chap 2 如对芽孢杆菌(Bacillus)，可先将菌液用沸水处理几分钟，再用平板进行分离，从所剩下的孢子中挑选出最优的菌体。 如果遇到某些菌株即使进行单细胞分离，仍不能达到复壮的效果，则可改变培养条件，

53、达到复壮的目的，如AT3.942栖土曲霉(Aspergillus terricola)的产孢子能力下降，可适当提高培养温度，恢复其能力。 同时通过实验选择一种有利于高产菌株而不利于低产菌株的培养条件。 ：如何分离单细胞菌株（strain）？第二节 菌种的衰退、复壮与保藏Chap 2提供良好的环境条件使用优良的保存方法定期纯化菌种通过分离达到复壮: 在琼脂平板划线、涂布或与琼脂培养基混合培养再分离，达到菌落纯。 采用单细胞或单孢子分离法达到细胞纯。通过寄主体达到复壮: 将菌株接种到寄主细胞进行繁殖达到复壮。第二节 菌种的衰退、复壮与保藏Chap 2二、菌种的复壮三、菌种保藏（strain pre

54、servation） 基本原理： 根据菌种的生理、生化特点，人工地创造条件，使菌种的代谢活动处于不活波状态。 要求： 维持菌种的存活和减少菌种的变异，尽量使菌种保持原来优良的生产性能。 保藏时首先选择优良纯菌种，最好是它们的休眠体如孢子（ spore）、芽孢 (gemma)等；要创造一个有利于休眠的环境条件，如低温、干燥、缺氧和缺乏营养物质的，即可达到降低其代谢活动，延长其保存期的目的。第二节 菌种的衰退、复壮与保藏Chap 2 保存方法： 应能较长期地保存原有菌种的优良性能，使菌种稳定，同时也要考虑到方法本身的经济简便。不同的菌种有不同的保存方法，以便长期保藏。 酵母菌：定期移植斜面低温保藏

55、法，也可采用石蜡油封保藏法。霉菌：沙土管保藏法。 细菌和放线菌：甘油管保藏、冷冻干燥保藏法为佳。 放线菌可用沙土或冷冻保藏法保藏。 Pay attention to： 菌体状态：休眠体 基质：营养贫乏 操作过程：不应对细胞造成伤害 藏第二节 菌种的衰退、复壮与保Chap 2 工业生产中微生物育种的基本方法包括自然选育、诱变育种、抗性菌种选育、代谢控制育种及基因重组定向育种等。 就是要改善菌种的特性，使能提高产量、改进质量、降低成本、改进工艺、方便管理及综合利用等。 代谢控制育种主要有两个方面： 改变代谢通路的育种 改变代谢自动调节系统的育种第三节 工业微生物菌种的选育Chap 2 采样 增殖培

56、养 第一次平板分离第一次原种斜面 第二次平板分离第二次原种斜面 第三次平板分离第三次原种斜面 第四次平板分离第四次原种斜面 初步工艺条件摸索 复筛种子培养 较优菌株13株保藏及进一步做生产性能试验 某些必要试验和或作为育种的出发菌株 毒性试验等一、自然选育第三节 工业微生物菌种的选育Chap 2课外作业题Q: 1. 试设计一个-淀粉酶生产菌株的选育方案。 2. 试设计一个谷氨酸生产菌株的选育方案。Chap 2 二、诱变育种 按照生产的要求，根据生物的遗转和变异的理论，用人工的方法造成菌种变异，再经过筛选、而达到菌种选育的目的。 诱变育种一般采用物理、化学诱变因素使微生物DNA的碱基排列发生变化

57、，以使排列错误DNA模板形成异常的遗转信息，造成某些蛋白结构变异，而使细胞功能发生改变。第三节 工业微生物菌种的选育Chap 2 原种（出发菌株）纯化斜面培养完全培养基同步培养离心洗涤玻璃珠震荡分散 过滤 单细胞或孢子悬浮液 自然分离活菌计数 诱变处理 诱变处理预备实验 处理液活菌计数 平板分离 形态变异并计算其变异率 斜面培养 初筛、复筛、分离、筛选 保藏及扩大试验Chap 2第三节 工业微生物菌种的选育诱变育种方案设计 野生型出发菌株的选择 自发突变获得的高产菌株 物理法诱变方法的选择 化学法 诱变处理（制备菌悬液、前培养、诱变） 随机筛选（琼脂块、摇瓶、筛选工具） 突变株的筛选 理性筛选

58、突变株的性能测定以及发酵试验Q: 微生物菌种可以进行太空育种吗？Chap 2第三节 工业微生物菌种的选育不同菌株的理性筛选1. 细胞膜渗透性改变的突变株：如生物素；2. 结构类似物（抗代谢物）抗性突变株：如产物结构类似物3. 抗生素生产菌（生物图谱法）4. 药理活性化合物生产菌：一种化合物如果能在体外抑制人体某种关键的酶，它就可能在体内具有药理作用。若将体外筛选出的活性化合物，再用动物作试验，可筛选出新的药理活性化合物生产菌。 Q4: 什么是高通量筛选？Chap 2第三节 工业微生物菌种的选育 高通量筛选(High throughput screening，HTS)技术是指以分子水平和细胞水平

59、的实验方法为基础，以微孔板形式作为实验工具载体，以自动化操作系统执行试验过程，以 灵敏快速的检测仪器采集实验结果 数据，以计算机分析处理实验数据， 在同一时间检测数以千万的样品， 并以得到的相应数据库支持运转的 技术体系，它具有微量、快速、灵 敏和准确等特点。 简言之就是可以通过一次实验获 得大量的信息，并从中找到有价值的信息。 Chap 2第三节 工业微生物菌种的选育标记菌株的筛选：对两亲株要进行标记，以提高筛选率。原生质体的制备：用相应的酶脱去菌体的细胞壁，制得完整的原生质体。原生质体的融合与再生：两原生质体在促融因子的存在下，发生融合，重建细胞壁，形成新的细胞。融合子的选择：在选择培养基

60、上，通过两个亲本的遗传标记互补而选择融合子。 Q:该技术的优点有哪些？如何制备原生质体？一、原生质体融合技术第四节 生产菌株的改良Chap 2第四节 生产菌株的改良Chap 2 原生质体的形成率和再生率的计算第四节 生产菌株的改良Chap 2 1 用酶处理前的菌体经无菌水稀释，涂布于完全培养基平板上培养，计出原菌数，设该数值为A。 2酶处理后得到原生质体： （1）用无菌水适当稀释，在完全培养基平板上培养计数，由于原生质体在低渗条件下会破裂失活，所以生长出的菌落数为未形成原生质体的原菌数，设该值为B。 （2）用高渗液适当稀释，在再生培养基平板上培养计数，生长出的菌落数为原生质体再生的菌数和未形成