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(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
•2.发酵工程有哪几部分组成?
各部分研究目标是什么?
从广义上讲,发酵工程由三部分组成:
是上游工程,中游工程和下游工程。
其中上游工程包括优良种株的选育,最适发酵条件(pH、温度、溶氧和营养组成)的确定,培养基的制备与灭菌,解决大规模种子培养或固定化生物催化剂的制备以及如何将其在无菌状态下接入生物反应器中等问题。
中游工程通过对发酵罐的发酵条件的控制来实现发酵产量的最大化。
这里要有严格的无菌生长环境,包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术;
在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术;
在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术;
还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。
下游工程包括产品的分离纯化、分析,废弃物的处理,产品的回收。
从发酵液中分离和纯化产品:
包括固液分离技术(离心分离,过滤分离,沉淀分离等工艺),细胞破壁技术(超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等),蛋白质纯化技术(沉淀法、色谱分离法和超滤法等),最后还有产品的包装处理技术(真空干燥和冰冻干事燥等)。
•3.实现发酵产品的基本条件是什么?
适宜的微生物
保证或控制微生物进行代谢的各种条件
进行微生物发酵的设备
精制成产品的方法的设备
•4.微生物工程的发展趋势是什么?
A.提高现有微生物发酵工业水平
B.利用重组DNA技术
C.开拓极端酶
利用遗传工程等先进技术,人工选育和改良菌种
采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养
固定化等技术运用(多菌种发酵、耦合技术等)
开发和采用大型节能高效的发酵装置,自动控制将成为发酵生产控制的主要手段
应用代谢控制技术,发酵生产氨基酸(高效)
将生物技术拓展(用于环境工程等)
•5.微生物菌种选育的方法?
1.自然选育;
不经过人工处理,利用微生物的自然突变进行菌种选育的过程。
2.诱变选育;
以诱发突变为基础的育种,是迄今为止国内外提高菌种产量、性能的主要手段。
主要包括:
染色体畸变、基因突变(点突变)
3.杂交育种;
--细菌、放线菌、霉菌、酵母,主要是将不同菌株的优良性状集中在重组体中
4.原生质体融合育种;
主要有原生质体融合、原生质体转化技术,此外尚有原生质体诱变育种等。
5.基因工程育种是运用体外DNA各种操作或修改手法获得目的基因,再借助于病毒、细菌质粒或其他载体,将目的基因转移至新的宿主细胞并使其在新的宿主细胞系统内进行复制和表达,或者通过细胞间的相互作用,使一个细胞的优秀性状经其间遗传物质的交换而转移给另—个细胞的方法。
自然选育
在生产过程中,不经过人工处理,利用菌种的自发突变,从而选育出优良菌种的过程,叫做自然选育。
菌种的自发突变往往存在两种可能性:
一种是菌种衰退,生产性能下降;
另一种是代谢更加旺盛,生产性能提高。
具有实践经验和善于观察的工作人员,就能利用自发突变而出现的菌种性状的变化,选育出优良菌种。
例如,在谷氨酸发酵过程中,人们从被噬菌体污染的发酵液中分离出了抗噬菌体的菌种。
又如,在抗生素发酵生产中,从某一批次高产的发酵液取样进行分离,往往能够得到较稳定的高产菌株。
但自发突变的频率较低,出现优良性状的可能较小,需坚持相当长的时间才能收到效果。
诱变育种
诱变育种是指用人工的方法处理微生物,使它们发生突变,再从中筛选出符合要求的突变菌株,供生产和科学实验用。
诱变育种与其他育种方法相比,具有操作简便、速度快和收效大的优点,至今仍是一种重要的、广泛应用的微生物育种方法。
诱变育种包括出发菌种选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。
•6.自然选育的主要步骤有哪些?
将菌种制成菌悬液,用稀释法在固体平板上分离单菌落,再分别测定单菌落的生产能力,从中选出高水平菌种。
•7.微生物采样要注意什么?
采样应根据筛选的目的、微生物分布情况、菌种的主要特征及其生态关系等因素,确定具体的时间、环境和目标物。
土壤是微生物的大本营,菜园和耕作层土壤是有机质较多的土层,常以细菌和放线菌为主;
果园树根土层中,酵母菌含量较高;
动植物残体及霉腐土层中,分布着较多的霉菌。
此外,豆科植物根系土中,往往存在根瘤菌;
河流湖泊的淤泥中能分离到产甲烷菌;
油田和炼油厂周围土层中常见分解石油的微生物等。
季节、表面的植被、温湿、通风情况、养分、水分、酸碱度和光照等都会影响土壤中的微生物分布,故在采土样时应予以重视。
采土样地点选好后,用小铲子去除表土,取离地面5~15cm处的土样几克,盛于预先灭菌的牛皮纸袋中扎紧,并标明时间、地点和环境等情况,以备查考。
各种水体也是工业微生物菌种的重要来源,许多具有光合作用能力的微生物及兼性或专性厌氧微生物都能从各种水体中筛选得到。
采样对象:
以采集土壤为主。
采样的对象也可以是植物,腐败物品,某些水域等。
一般园田土和耕作过的沼泽土中,以细菌和放线菌为主,富含碳水化合物的土壤和沼泽地中,酵母和霉菌较多,如一些野果生长区和果园内。
a.土样采集方法
(1)、采样季节:
以温度适中,雨量不多的秋初为好。
(2)、采土方式:
选好地点后,取离地面5-15cm处的土约10g,盛入清洁的牛皮纸袋或塑料袋中,扎好,标记,记录采样时间、地点、环境条件等,以备查考。
(3)、采好的样应及时处理,暂不能处理的也应贮存于4℃下,但贮存时间不宜过长。
b.植物体采集方法在采集叶面时,一般是用灭菌的剪刀、打孔器、安全刀片等,由几片新鲜叶片的同一部位切取一小块,并注意不要损伤周围边缘。
选择叶面时应考虑叶位、叶龄、叶片正反面和在一片叶上的取样部位。
采集植物根及根系时,方法与根际土样采集方法相似。
将洗净的根装入采样袋中,采集根系时,一般与根际土样一起保存。
c.水样采集方法,用于细菌检测的水样应收集于100m1干净、灭菌的广口塑料瓶中。
由于表层水中含有泥沙,故在采样时应在较深的静水层中采集水样。
•8.菌种保藏的方法和原理?
保藏目的:
使菌种不死亡不生长不污染不降低或不丧失其优良性以尽量延长使用时间
原理:
创造不利于菌种生长的一切条件,使其代谢处于休眠状态。
(不利条件:
低温、干燥、无氧、缺营养——使微生物处于代谢不活泼,生长繁殖受到抑制的休眠状态。
)
保藏注意:
用保种培养基、及时保藏(菌丝占斜面2/3)、最好换胶塞、用时活化、严防棉塞受潮
常用保藏法:
(以母种形式保藏)
1.斜面低温法将微生物在适宜的斜面培养基和温度条件下培养并生长良好后,放入4~5℃冰箱中保藏,一般保存期为(3~6个月)。
适用于:
细菌、酵母菌、放线菌、丝状真菌等的短期保藏
特点:
简便、保藏时间短、易污染及退化、不适于草菇等菌类
2.穿刺保藏法
配置1%的软琼脂培养基穿刺接入菌种至培养基1/2使
微生物生长覆盖2~3mm的无菌液体石蜡(也可以将液体石蜡覆盖到生长良好的菌种斜面上)
隔绝氧气,降低微生物的代谢
矿油保藏法
矿油处理无菌检验注入种管口堵胶塞灭菌:
152kpa、30min
去水:
40~50℃烘至无色透明淹没斜面约1cm用时转管再转管
(隔绝氧气,降低微生物的代谢)
3.干燥载体保存方法(干燥沙粒保存法、干燥土壤保存法、硅粒、滤纸、麸皮等)
于常温或低温下保存,保存期1~10年。
(干燥)
4.冷冻保藏
(1)冷冻保藏为保藏微生物菌种的最简单而有效的方法。
(2)通过冷冻,使微生物代谢活动停止。
(3)一般而言,冷冻温度愈低,效果愈好。
(4)通常应在培养物中加入一定的冷冻保护剂。
(5)冷冻保藏时温度要求在-20℃以下,同时应认真掌握好冷冻速度和解冻速变。
(6)冷冻深藏的缺点之一是培养物运输较困难。
冷冻保藏种类:
(1)普通冷冻保藏技术(-20℃)将菌种培养在小的试管或培养瓶斜面上,待生长适度后,于温度范围在-5~-20℃的普通冰箱(-20℃)中。
可维持若干微生物的活力1—2年。
注意:
经过一次解冻的菌株培养物不宜再用来保藏。
(2)超低温冷冻保藏技术(-60一-80℃)在超低温冷藏柜中保藏菌种的一般方法是:
1.离心收获对数生长中期至后期的微生物细胞;
2.用新鲜培养基重新悬浮所收获的细胞;
3.加入等体积的20%甘油或10%二甲亚砜;
4.混匀后分装入冷冻指管或安瓿中,于-70℃超低温冰箱中保藏。
可以保藏方法保藏5年以上。
(3)液氮冷冻保藏技术1、冷冻保护剂(甘油(10%)——高压蒸汽灭菌、二甲亚砜(5%)——过滤灭菌)注意:
先预冷却后,放入液氮罐中。
可保存2~9年
5.真空冷冻干燥保藏
冷冻干燥的基本方法:
是通过在减压条件下使冻结的细胞悬液中的水分升华,使培养物干燥。
此法是微生物菌种长期保藏的最为有效的方法之一。
是各保藏机构广泛使用的主要保藏方法。
冷冻干燥过程中必须使用冷冻保护剂。
保藏10年之久而不丧失活力。
而且经冻干后的菌株无需进行冷冻保藏,便于运输。
(创造干燥、低温环境)
6.悬液保藏法
将微生物悬浮在不含养分的溶液中:
如蒸馏水、磷酸缓冲液(0.25mol/L,Ph6.5)、生理盐水中。
在10oC或室温保藏。
注意:
试管应密封、防止水分蒸发。
可以保存一年以上
(寡营养保存)
7.寄主保藏
不能进行人工培养的微生物,如病毒、里克次氏体、螺旋体等,需保存其寄主。
(寄主传代保藏法、寄主液氮保藏法、寄主冷冻干燥法等
8.基因工程菌的保藏
由载体质粒等携带的外源DNA片段通常是遗传不稳定的、且很易丢失其外源质粒复制子。
质粒基因通常为宿主细胞生长非必需。
一般情况下当细胞丢失这些质粒时,生长速度会加快。
基因工程菌应保藏在含低浓度选择剂的培养基中。
当培养基中加入抗生素时,抗生素提供了一有利于携带质粒的细胞群体的极有用的生长选择压。
而且在运用基因工程菌进行发酵时,抗生素的加入可帮助维持质粒复制与染色体复制的协调。
我们建议基因工程菌应保藏在含低浓度选择剂的培养基中。
•9.什么是葡萄糖效应?
它产生的原理是什么?
又称葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。
葡萄糖或某些容易利用的碳源,其分解代谢产物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。
如大肠埃希氏菌培养在含葡萄糖和乳糖的培养基上,在葡萄糖没有被利用完之前,乳糖操纵子就一直被阻遏,乳糖不能被利用,这是因为葡萄糖的分解物引起细胞内cAMP含量降低,启动子释放cAMP-CAP蛋白,RNA聚合酶不能与乳糖的启动基因结合,以至转录不能发生,直到葡萄糖被利用完后,乳糖操纵子才进行转录,形成利用乳糖的酶,这种现象称葡萄糖效应。
当培养基中存在葡萄糖和乳糖时,葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成,也就是当葡萄糖和乳糖存在时,细胞优先利用葡萄糖的现象,这一现象称葡萄糖效应。
由于这类现象在其他代谢的普遍存在,后来人们索性把类似葡萄糖效应的阻遏统称为分解代谢物阻遏(指细胞内同时有两种分解底物存在时,利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象)。
•10.次级代谢产物一般要经历哪两个阶段(时期)?
次级代谢产物的特点是什么?
次级代谢产物发酵经历两个阶段:
即营养增殖期和生产期。
如在菌体活跃增殖阶段几乎不产生抗生素。
接种一定时间后细胞停止生长,进入到恒定期才开始活跃地合成抗生素,称为生产期。
(1)次级代谢产物是由微生物产生的,不参与微生物的生长和繁殖。
(2)次级代谢产物的生物合成最少也要有一部分是不参与次级代谢产物生物合成的遗传物质(质粒plasmid),但参与与质粒有关的代谢途径。
(3)它的生产大多数是基于菌种的特异性来完成的。
(4)次级代谢产物发酵经历两个阶段:
(5)一般都同时产生结构上相类似的多种副组分。
(6)生产能力受微量金属离子(Fe2+、Fe3+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等)和磷酸盐等无机离子的影响
(7)在多数情况下,增加前体是有效的。
(8)次级代谢酶的特异性不一定比初级代谢酶高,因此,如果供给与底物结构类似的物质,则可以得到与天然物不同的次级代谢产物。
(9)培养温度过高或菌种移植次数过多,会使抗生素的生产能力下降,其原因可能是参与抗生素合成的菌种的质粒脱落之故。
(10)一个生产物可由多种中间体和途径来取得,因此也可通过所谓“代谢纲目”或叫“代谢格子”这一系列途径来完成。
次级代谢在其一个系列当中与一个酶相对应的底物和产物也可以成为其他酶的底物。
也就是说,在代谢过程中不一定非按每个阶段正确的顺序。
•11.培养基优化的主要内容是什么(培养基的主要成分)?
为什么要优化这些内容?
说明依据。
培养基的主要成分:
碳源、氮源、无机盐和微量元素、生长因子、前体、产物促进剂和水等。
培养基优化的原因:
目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计算出适合某一菌种的培养基配方,只能用生物化学、细胞生物学、微生物学等的基本理论,参照前人所使用的较适合某一类菌种的经验配方,再结合所用菌种和产品的特性,采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备,按照一定的实验设计和实验方法选择出较为适合的培养基。
碳源:
提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分,同时提供合成目的产物所必须的碳成分。
常见的来源主要有糖类、油脂、有机酸、正烷烃等。
工业上常用的糖类主要包括:
葡萄糖、糖蜜(制糖生产时的结晶母液)、淀粉等。
氮源:
主要用于构成菌体细胞物质(氨基酸,蛋白质、核酸等)和含氮代谢物。
常用的氮源可分为两大类:
有机氮源和无机氮源。
有机氮源和无机氮源应当混合使用,在发酵早期应使用容易利用易同化的氮源,即无机氮源;
到了中期,菌体的代谢酶系已形成,则利用蛋白质。
无机氮源主要包括氨盐、硝酸盐和氨水。
微生物对它们的吸收快,所以也称之谓迅速利用的氮源。
但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化。
无机氮源被菌体作为氮源利用后,培养液中就留下了酸性或碱性物质,这种经微生物生理作用(代谢)后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质,如硫酸胺;
若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质,如硝酸钠。
正确使用生理酸碱性物质,对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。
有机氮源主要来源于工业上一些廉价的原料:
花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟等。
其成分复杂,除提供氮源外,有些有机氮源还提供大量的无机盐及生长因子。
无机盐与微量元素:
这类物质的作用各不相同,主要在碳氮源上以盐形式为补充。
十大元素:
碳,氢,氧,氮,磷,钾,硫,钙,镁
微量元素:
硼,锰,锌,钼,钴,碘,铜,等
生长因子:
从广义上讲,凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。
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,生长因子对发酵的调控起到重要的作用。
有机氮源是这些生长因子的重要来源,多数有机氮源含有较多的B簇维生素和微量元素及一些微生物生长不可缺少的生长因子。
前体:
某些化合物加入到发酵培养基中,能直接为微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去,而其自身的结构并没有多大变化,但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。
产物促进剂:
指那些非细胞生长所必须的营养物,又非前体,但加入后却能提高产量的添加剂。
其提高产量的机制还不完全清楚,其原因可能是多方面的,主要包括:
有些促进剂本身是酶的诱导物;
有些促进剂是表面活性剂,可改善细胞的透性,改善细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产,也有人认为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用;
有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。
水:
对于发酵工厂来说,恒定的水源是至关重要的,因为在不同水源中存在的各种因素对微生物发酵代谢影响甚大。
水源质量的主要考虑参数包括pH值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。
•12.发酵产品从研究到发酵实现一系列过程中培养基种类有哪些?
它们有何区别?
孢子培养基:
供菌种繁殖孢子(常用固体培养基)
种子培养基:
供孢子发芽、生长和菌体繁殖
发酵培养基:
供菌体生长、繁殖和合成大量代谢产物
•13.根据微生物对氧的需求、培养基的物理性状、微生物的生长特性分为哪些发酵方法?
按是否需氧:
静置培养:
厌氧菌发酵
通气培养:
好氧菌发酵
按发酵形式来区分,则有:
固态发酵和深层液体发酵。
•14.按菌体生长与产物的形成关系,可以把微生物生长分为哪几种类型?
各种类型有哪些例子?
它们的细胞生长曲线、糖消耗曲线、产物曲线、溶解氧等变化曲线分别是什么样的?
见书P167-168
•15.发酵工艺控制的主要参数及依据的原理分别是什么?
代谢参数按性质可分为三类:
物理参数
1、温度:
除了影响微生物的生长繁殖、生物合成外还直接影响溶解氧浓度。
为获得最大生产率,必须控制发酵温度。
2、搅拌转速:
在发酵过程中,搅拌起着传递功率,加强液体翻动混合,促进热量、质量和动量传递,提高溶氧速率,增加KLa值的作用。
3、罐压:
发酵过程中维持一定的罐压,是防止杂菌污染的重要措施。
同时罐压对培养液中氧和二氧化碳的溶解度有很大的影响。
4、空气流量:
在微生物深层培养中,通入无菌空气起到供应氧气、提高KLa值以及排出废弃的重要作用。
通气量的大小直接影响发酵液中氧的传递。
5、表观粘度:
发酵液黏度特性与培养液的成分、微生物细胞浓度、菌体形态和产物浓度等因素有关,它又直接影响质量、动量传递和扭矩传递。
如它的大小表示了氧的传递阻力,与KLa值成正比。
6、泡沫:
在发酵过程中,过多的持久性泡沫对发酵是不利的。
因为泡沫会占据发酵罐的容积,影响通气和搅拌的正常进行,甚至导致代谢异常,引起菌体量减少,影响细胞的呼吸,因而必须消除泡沫。
化学参数
1、基质浓度(包括糖、氮、磷):
发酵液中各种营养物质的浓度,特别是碳氮比、无机盐和维生素的浓度,会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。
如在谷氨酸发酵中,NH+4浓度的变化,会影响代谢途径(见谷氨酸发酵)。
因此,在发酵过程中,也应根据具体情况进行控制。
2、pH:
在发酵过程中,微生物代谢活动会明显改变发酵液的PH。
对于菌体生命过程发生的PH变化如不加控制的话,必然要干扰发酵的正常进行。
3、溶解氧:
溶解氧浓度直接影响微生物的代谢,它的大小与氧的传递速率、微生物的摄氧率有关。
4、二氧化碳浓度:
二氧化碳是微生物的代谢产物,同时也是某些合成代谢的一种基质,它是细胞代谢的重要指示。
溶解在发酵液中的二氧化碳对氨基酸、抗生素等微生物发酵具有刺激或抑制作用。
生物参数(间接参数):
菌丝形态、菌体浓度、菌体比生长速率、呼吸强度、摄氧率、关键酶活力等;
•16.微生物下游加工工程的一般流程和技术是什么?
按生产过程的顺序可分四个大框架步骤:
发酵液的预处理和过滤,提取,精制,成品加工。
发酵液的预处理和过滤是采用絮凝和凝聚等技术来加速固、液两相分离,提高过滤速度。
为了减少过滤介质的阻力,可以采用错流膜过滤技术。
如果是胞内产物,需要首先进行细胞破碎,再分离细胞碎片。
初步纯化即提取的目的是除去与目标产物性质有很大差异的杂质,这一步可以使产物浓缩,并明显的提高产品质量。
常用的分离方法有:
沉淀、吸附、萃取、超滤等。
高度纯化即精制常采用对产品有高度选择性的分离技术,以除去与产物化学性质和物理性质相近的杂质。
典型的纯化方法有层析、电泳、离子交换等。
成品加工是为了最终获得质量合格的产品,浓缩、结晶和干燥是重要的技术。
•17.什么是沉淀法?
根据加入沉淀剂不同,可以分为哪些类型?
沉淀法是通过改变条件或加入某种试剂,使溶液中的溶质由液相转变为固相析出的方法。
根据沉淀剂的不同,可以分为以下几类:
盐析法:
高浓度的中性盐能促使蛋白质等发生沉淀或絮凝现象。
多用于分离纯化各种蛋白质和酶
(2)有机溶剂沉淀法:
许多有机溶剂如丙酮、乙醇、甲醇等能使溶于水的小分子生物物质以及核酸、多糖、蛋白质等生物大分子发生沉淀作用。
(3)等电点沉淀法:
利用两性电解质在电中性时溶解度最低的原理进行分离纯化。
用于氨基酸、蛋白质及其他两性物质的沉淀。
(4)非离子型聚合物沉淀法:
多用于生物大分子分离。
(5)聚电解质沉淀法:
一些聚电解质物质如离子型的多糖化合物、阳离子聚合物和阴离子聚合物,可以用来沉淀蛋白质物质,其作用方式与絮凝剂类似,同时还兼有一定的盐析和简单水化的作用。
多用于酶和食品蛋白质的沉淀。
(6)生成盐复合物沉淀法:
用于多种化合物,特别是小分子物质的沉淀。
(7)热变性及酸碱变性沉淀法:
可选择性地除去某些不耐热或在一定pH条件下易变性的杂蛋白。
(8)其他沉淀法:
只针对某一种或某一类物质产生的沉淀方法
•18.灭菌的方法有哪些?
微生物工程培养基灭菌和空气除菌主要分别采用什么灭菌方法?
1、化学试剂灭菌法:
常用的化学药剂有甲醛、乙醇或新洁尔灭、高锰酸钾等。
适用范围:
环境、皮肤及器械的表面消毒
2、射线灭菌法:
即利用电磁波、紫外线或放射性物质产生的高能粒子进行灭菌的方法。
无菌室、接种箱
3、干热灭菌法:
常用烘箱,灭菌条件:
160℃下保温1h。
金属或玻璃器皿
4、湿热灭菌法:
即利用饱和蒸汽灭菌,条件:
121℃,30min。
生产设备及培养基灭菌
5、过滤除菌法:
利用过滤方法阻留微生物。
制备无菌空气
6、火焰灭菌法:
利用火焰灭菌
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