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1、生化工程生化工程轻化学院廖问陶n n生化工程：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。绪论n n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n n一、基因工程n n二、细胞工程n n三、发酵工程n n四、酶工程n n五、蛋白质工程n n生物技术的上、中、下游关系：生物技术的上、中、下游关系：n n 上游加工上游加工：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
2、等。n n 中游加工中游加工：以生物反应器为中心的生产加工。n n 下游加工下游加工：产物的分离提取。生物技术的发展n n传统生物技术：酿酒，醋，面包，酸奶。近代生物技术时期n n 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微生物的纯培养技术技术，实现了对发酵过程的人为控制，而青霉素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。n n主要的技术进展：主要的技术进展：主要的技术进展：主要的技术进展：n n通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。n n抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、抗杂菌污染的纯种培
3、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。无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。n n意义：意义：意义：意义：n n带动了抗生素工业的发展带动了抗生素工业的发展n n建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培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养方法n n推动了整个发酵工业的深入发展推动了整个发酵工业的深入发展n n为现代发酵工程奠定了基础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n n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
4、学和人类社会带来了一场革命。n n采用基因工程和细胞生物学的方法，将不同来源的DNA进行体外体外剪切与剪切与重组重组，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。n n细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打细胞融合技术、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破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物。生物。n n增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，增加微生物体内控制代谢产物产量的基
5、因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量。可以大幅度地提高目标产物的产量。n n将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入将动、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。细胞中，快速经济地大量生产这些产物。n n将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除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污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护。护。现代生物技术的前景n n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。n n人类健康n n环境
6、保护n n社会发展发酵工程原理及其应用发酵工程原理及其应用n n发酵工程（fermentation）的定义:n n 传统意义的发酵n n 生理学意义的发酵n n 工业发酵n n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。n n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。n n发酵工程所利用的微生物微生物主要是细菌、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
7、业的特点n n 条件温和，反应安全，成本低廉。n n 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。n n 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。n n不受自然条件的限制。发酵工艺方法简介n n类别：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n n固体发酵：固体发酵：n n指没有或几乎没有自由水存在下，在有
8、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。n n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。n n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。n n液体发酵液体发酵:n n1.液体表面发酵法：劳动强度大，效率低，占地范围大，易染杂菌。n n2.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。n n3.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。n n固体发酵：固体发酵：适合于传统发酵工艺
9、，生产比较简单的产品。n n液体深层发酵液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。发酵工业的产物n n微生物菌体：酵母，单细胞蛋白n n酶制剂：医药，食品加工，活性饲料n n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）n n生物转化（新型抗生素，药物合成）按发酵产品和用途分类按发酵产品和用途分类n n酿酒与食品n n有机溶剂n n抗生素n n酶制剂n n氨基酸n n核酸n n维生素n n菌体蛋白n n生理活性物质n n医药n n生物材料：PTT纤维，PLA纤维（聚乳酸酯）n n微生物冶金和开采n n生物农药与生物肥料n n环境保护与废物处理n n生物能源发酵的过程
10、(1)(1)用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制配制(2)(2)培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3)(3)将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中发酵罐中(4)(4)将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生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长并形成代谢产物(5)(5)将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品(6)(6)回收或处理发酵过程中产生的废物和废水回收或处理发酵过程中产生的废物和废水工业发酵的流
11、程菌种的选育菌种的选育n n发酵工业菌种概述n n菌种的分离筛选n n菌种的鉴定n n菌种的改良n n菌种的保藏发酵工业菌种概述n n 细菌n n放线菌n n酵母菌n n霉菌n n未培养微生物最常用的工业微生物n n细菌细菌n n醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌n n乳酸杆菌乳酸杆菌乳酸杆菌乳酸杆菌n n枯草杆菌枯草杆菌枯草杆菌枯草杆菌n n丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌n n大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌n n谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌最常
12、用的工业微生物n n酵母菌酵母菌n n酿酒酵母酿酒酵母酿酒酵母酿酒酵母n n假丝酵母属假丝酵母属假丝酵母属假丝酵母属n n产朊假丝酵母产朊假丝酵母产朊假丝酵母产朊假丝酵母n n解脂假丝酵母解脂假丝酵母解脂假丝酵母解脂假丝酵母n n热带假丝酵母热带假丝酵母热带假丝酵母热带假丝酵母n n毕赤酵母属、汉逊酵母属毕赤酵母属、汉逊酵母属毕赤酵母属、汉逊酵母属毕赤酵母属、汉逊酵母属最常用的工业微生物n n霉菌霉菌霉菌霉菌n n曲霉属曲霉属曲霉属曲霉属n n米曲霉米曲霉米曲霉米曲霉n n黑曲霉黑曲霉黑曲霉黑曲霉n n青霉属青霉属青霉属青霉属n n青霉菌：点青霉、产黄青霉青霉菌：点青霉、产黄青霉青霉菌：点青霉
13、、产黄青霉青霉菌：点青霉、产黄青霉n n桔青霉桔青霉桔青霉桔青霉n n根霉属根霉属根霉属根霉属n n德氏根霉德氏根霉德氏根霉德氏根霉n n米根霉、小麦曲根霉米根霉、小麦曲根霉米根霉、小麦曲根霉米根霉、小麦曲根霉n n红曲霉属红曲霉属红曲霉属红曲霉属n n紫红曲霉紫红曲霉紫红曲霉紫红曲霉最常用的工业微生物n n放线菌放线菌n n链霉菌属链霉菌属链霉菌属链霉菌属n n小单孢菌属小单孢菌属小单孢菌属小单孢菌属n n地中海诺卡氏菌地中海诺卡氏菌地中海诺卡氏菌地中海诺卡氏菌n n米苏里游动放线菌米苏里游动放线菌米苏里游动放线菌米苏里游动放线菌 未培养微生物未培养微生物n n定义：指迄今所采用的微生物纯培
14、养分离及培养方定义：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方定义：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方定义：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法还未获得纯培养的微生物，其在自然环境微生物法还未获得纯培养的微生物，其在自然环境微生物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，约为群落中占有非常高的比例，约为群落中占有非常高的比例，约为群落中占有非常高的比例，约为9999。n n研究方法研究方法研究方法研究方法 模拟自然培养法模拟自然培养法模拟自然培养法模拟自然培养法:原位培养、培养条件优化、原位培养、培养条件优化、原位培养、
15、培养条件优化、原位培养、培养条件优化、单细胞操作单细胞操作单细胞操作单细胞操作 宏基因组分析法宏基因组分析法宏基因组分析法宏基因组分析法 菌种的分离筛选n n对菌种的要求：n n 低廉易得的培养基n n 快速的生长周期n n 易于控制n n 抗污染n n 适应性强n n 稳定不退化n n 非病原菌菌种的来源菌种的来源n n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；n n从大自然中分离筛选新的微生物菌种。菌株的选择性分离n n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。n n实验室或生产用菌种若不慎
16、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n n定定定定方方方方案案案案：首首先先要要查查阅阅资资料料，了了解解所所需需菌菌种种的的生生长长培养特性。培养特性。n n采样：采样：采样：采样：有针对性地采集样品。有针对性地采集样品。n n增增增增殖殖殖殖：人人为为地地通通过过控控制制养养分分或或培培养养条条件件，使使所所需需菌菌种种增增殖殖后后，在在数数量量上上占占优优势势。（加加入入唯唯一一营营养养源，施加选择压力等）源，施加选择压力等）n n分离：分离：分离：分离：利用分离技术得到纯种。利用分离技术得到纯种。n n发发发发酵酵酵酵性性性性能能能能测测测测定定定定：进进行行生生产产性性能能测测定定。这这些些特特性性包包括括形形态态、培培养养特特征征、营营养养要要求求、生生理理生生化化特特性性、发发酵酵周周期期、产产品品品品种种和和产产量量、耐耐受受最最高高温温度度、生生长和发酵最适温度、长和发酵最适温度、最适最适pHpH值、提取工艺等。值、提取工艺等。工业菌种的分离原则n n1.根据发酵条件来筛选适应菌种。n n2.菌的生长温度应尽量高。n n3.菌对环境和设备的适应性和稳
