什么是生物工程Word下载.docx
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著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实,空气内确实含有微生物,是它们引起有机质的腐败。
3、免疫学——预防接种首次制成狂犬疫苗
4、其他贡献:
巴斯德消毒法:
60~65℃作短时间加热处理,杀死有害微生物
柯赫:
(德国)1、微生物学基本操作技术方面的贡献
a)细菌纯培养方法的建立:
土豆切面→营养明胶→营养琼脂(平皿)。
b)设计了各种培养基,实现了在实验室内对各种微生物的培养。
c)流动蒸汽灭菌。
d)染色观察和显微摄影
2、对病原细菌的研究作出了突出的贡献:
a)具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌;
b)发现了肺结核病的病原菌
生物技术也称生物工程,是指人们以现代生命科学为基础,结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理,按照预先的设计生物体或加工生物原料,为人类生产出需要产品或达到某种目的。
先进的工程技术手段是指基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质和酶工程等新技术。
工业化菌种的要求:
1.能够利用廉价的原料,简单的培养基,大量高效地合成产物2.有关合成产物的途径尽可能地简单,或者说菌种改造的可操作性要强3。
遗传性能要相对稳定。
4.不易感染它种微生物或噬菌体5.产生菌及其产物的毒性必须考虑(在分类学上最好与致病菌无关)6.生产特性要符合工艺要求
菌株选育
目的:
防止菌种退化、解决生产实际问题、提高生产能力、提高产品质量、开发新产品
方法:
1、基因突变:
自然选育、诱变育种
2、基因重组:
杂交、原生质体融合、基因工程
诱变育种:
用各种物理、化学的因素人工诱发基因突变进行的筛选,称为诱变育种
诱变剂:
能够提高生物体突变频率的物质称为诱变剂。
物理诱变剂:
紫外,快中子;
化学诱变剂:
硫酸二乙酯,亚硝基胍
诱变步骤
培养基的类型和用途
1、天然培养基:
化学成分不清楚或化学成分不恒定的各种植物和动物组织或微生物的浸出物、水解液等物质(例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等)
2、合成培养基:
使用化学成分和数量完全了解的物质配制而成的。
使用于实验室范围作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分析定量研究工作。
3、半合成培养基:
既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基。
4、固体培养基:
外观呈固体的培养基。
5、半固体培养基:
凝固剂量低于正常量
6、液体培养基:
呈液体状态的培养基。
7、(生物)鉴别培养基:
培养基中加入能与某一菌的无色代谢物发生显色反应的指示剂,从而用肉眼区别于该菌与其他菌。
8、选择培养基:
根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性而设计的培养基。
9、孢子培养基:
供制备孢子用的培养基。
常用的有麸皮、大(小)米,无机盐、蛋白胨等配制的琼脂斜面培养基。
10、种子培养基:
供孢子发芽和菌体生长用的培养基。
11、发酵培养基:
供菌体生长和合成大量代谢产物用的培养基。
将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化,制得的糖液叫淀粉水解糖。
液化:
利用淀粉酶将淀粉转化为糊精及低聚糖的过程叫液化。
糖化:
利用糖化酶将糊精及低聚糖进一步水解为葡萄糖,这个过程叫糖化。
酸解法:
以酸(无机酸或有机酸)为催化剂,在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。
优点:
生产方便、设备简单、水解时间短,设备生产能力大
缺点:
高温高压、酸性条件、过程复杂、副反应多、损失大
酶解法:
利用专一性很强的淀粉酶和糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。
淀粉的液化和糖化都是在酶的作用下完成的,故酶解法又有双酶水解法(double-enzyme)之称。
酶反应条件温和,不需要高温、高压和耐酸的设备;
酶的作用专一性强,淀粉水解的副反应少,水解糖液纯;
可在较高的淀粉乳浓度下水解;
可用粗原料;
糖液颜色浅,较纯净、无苦味、质量高。
酶解时间长、需要专门的设备,酶是蛋白质,易引起糖液过滤困难。
酸酶法:
是先将淀粉酸水解成糊精或低聚糖,然后再用糖化酶将其水解为葡萄糖的工艺。
酸液化速度快,糖化时可采用较高的淀粉乳浓度。
酶酸法:
是将淀粉乳先用淀粉酶液化到一定的程度,然后用酸水解成葡萄糖。
可采用粗原料淀粉,淀粉浓度较酸法高,生产易控制。
时间短,淀粉水解副反应少。
糊化是指淀粉受热后,淀粉颗粒膨胀,晶体结构消失,互相接触变成湖状液体,即使停止搅拌,淀粉也不会再沉淀的现象。
老化实际上是分子间已断裂的氢键、糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程,也就是复结晶的过程。
灭菌:
用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物,包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。
消灭杂菌和防止杂菌污染
除菌的方法:
培养基的加热灭菌、空气的过滤除菌、紫外线或电离辐射、化学药物灭菌
化学试剂灭菌法
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
射线灭菌法
电磁波、紫外线或放射性物质。
无菌室、接种箱
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
湿热灭菌法
利用饱和蒸汽灭菌,条件:
121℃,30min。
生产设备及培养基灭菌
过滤除菌法
利用过滤方法阻留微生物。
制备无菌空气
火焰灭菌法
火焰。
接种针、玻璃棒、三角瓶口
培养基的湿热灭菌
湿热灭菌原理
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。
灭菌条件
121℃,30min。
灭菌不利方面
同时会破坏培养基中的营养成分,甚至产生不利于菌体生长的物质
培养基灭菌
间歇灭菌与连续灭菌的比较
优点
缺点
连续灭菌
1.高温短时灭菌,培养基营养成分损失少。
2.发酵罐占用时间缩短,利用率高。
1.设备复杂,操作麻烦,染菌机会多。
2.不适合含大量固体物料的灭菌。
间歇灭菌
1.设备要求低,不需另外加热、冷却装置。
2.操作要求低,适合小批量生产规模
3.适合含大量固体物料的灭菌
1.培养基的营养物质损失大,灭菌后培养基质量下降
2.发酵罐的利用率较低
3.不适合大规模生产的灭菌
1、间歇灭菌(常用)将配制好的培养基同时放在发酵罐或其他装置中,通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程,也称实罐灭菌。
过程包括:
升温、保温和冷却三阶段。
2、连续灭菌(又称连消)将培养基在发酵罐外通过连续灭菌装置进行加热、保温和冷却而进行灭菌。
连续灭菌的流程与设备
(1)配料预热罐,将配制好的料液预热到6070°
C,以免连续灭菌时由于料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击声;
(2)连消塔,用高温蒸汽使料液温度很快升高到灭菌温度(126132°
C);
(3)维持罐,使料液在灭菌温度下保持57min。
因为:
连消塔加热的时间很短,光靠这段时间的灭菌是不够的;
(4)冷却管,使料液冷却到4050°
C后(冷水喷淋),输送到预先灭菌过的罐内。
空气的过滤除菌原理:
布朗扩散截留作用、拦截截留作用、惯性撞击截留作用、(前三者起主要作用)重力沉降作用、静电吸引作用
氧的供需
(1)实验室中,通过摇瓶机往复运动或偏心旋转运动供氧。
(2)中试规模和生产规模的培养装置采用通入无菌压缩空气并同时进行搅拌的方式。
(3)近年来开发出无搅拌装置的节能培养设备,如气升式发酵罐。
(4)细胞对鼓泡通气和机械搅拌产生的剪切作用敏感。
供氧与微生物呼吸及代谢产物的关系
氧作为受氢体,氧直接参与一些生物反应。
好氧微生物所含的氧化酶系:
过氧化氢酶,细胞色素氧化酶,黄素脱氢酶,多酚氧化酶等。
不同好氧微生物所含的氧化酶系的种类和数量不同,在不同环境条件下,各种微生物的吸氧量或呼吸强度不同。
好气性微生物深层培养时需要适量的溶解氧以维持其呼吸代谢和某些代谢产物的合成,对多数发酵来说,氧的不足会导致代谢异常,产量降低。
同种类的微生物的需氧量不同,一般为25-100mmolO2/(L·
h),但也有个别菌很高。
同一种微生物的需氧量,随菌龄和培养条件不同而异。
摄氧率(r):
单位体积培养液每小时消耗氧的量,单位为mmol(O2)/(L?
h)。
呼吸强度(QO2):
单位重量的菌体(折干)每小时消耗氧的量,单位为mmol(O2)/g(干菌体)?
h。
亦称为氧比消耗速率。
摄氧率与呼吸强度之间的关系r=QO2?
X
其中,X:
发酵液中菌丝体浓度,g(干菌体)/L
呼吸临界氧浓度(C临界):
在溶氧浓度低时,呼吸强度随溶解氧浓度增加而增加,当溶氧浓度达到某一值后,呼吸强度不再随溶解氧浓度的增强而变化,此时的溶解氧浓度称为呼吸临界氧浓度,以C临界表示。
其为微生物对发酵液中溶氧浓度的最低要求。
在临界溶氧浓度以下,微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。
微生物的临界氧浓度一般为0.003-0.05(mmol/L),为饱和浓度的1-25%。
传质理论:
氧气的溶解过程是一个由气相进入液相的过程,为实现这一过程,氧气需要跨过由气-液界面构成的屏障,在界面的一侧有气膜,另一侧为液膜,氧的溶解需要经过这两层膜才能实现。
因此,根据这一模型建立起来的气体溶解理论称为双膜理论。
氧的传递方程式:
NA=KLa?
(C*-CL)
NA:
氧的传递速率mmolO2/L?
h,C*:
溶液中溶氧饱和浓度mmolO2/L,CL:
溶液主流中的溶氧浓度mmolO2/L,KLa:
液相体积氧传递系数,又称通气效率,单位为1/h。
KLa可以用来衡量发酵罐的通气效率,KLa越大,通气效率越高。
影响氧传递速率的主要因素:
OTR=KLa?
(C*-CL):
液体的性质对氧的溶解度的影响(温度,溶液中电解质的浓度),液体的比表面积,氧传递系数
如何提高饱和溶氧浓度:
1、降低培养温度2、降低培养基中营养物质的含量3、提高发酵罐内的氧分压4、通入富集氧的空气
微生物发酵机理:
是指微生物通过其代谢活动,利用基质合成人们所需要的产物的内在规律。
糖酵解调节机制:
调节主要是通过己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶等三个激酶完成。
巴斯德效应:
在好气条件下,酵母菌发酵能力下降(细胞内糖代谢降低,乙醇积累减少);
不仅存在于酵母中,也存在于具有呼吸和发酵能力的其他细胞中。
原理:
1、糖代谢进入TCA环→柠檬酸↑、ATP↑→
抑制磷酸激酶的合成→6-P-葡萄糖↑(积累)→反馈抑制己糖激酶→抑制葡萄糖进入细胞内→葡萄糖利用降低
2、磷酸果糖激酶活性下降→1,6二磷酸果糖
→丙酮酸激酶活性→磷酸烯醇式丙酮酸积累→反馈抑制已糖激酶,降低糖酵解速度
柠檬酸发酵机制:
黑曲霉利用糖类发酵生成柠檬酸其生物合成途径是,葡萄糖经EMP、HMP途径降解生成丙酮酸,丙酮酸一方面氧化脱羧生成乙酰CoA,另一方面经CO2固定化反应生成草酰乙酸,草酰乙酸与乙酰CoA缩合生成柠檬酸。
生长期与产酸期都存在EMP与HMP途径,前者EMP:
HMP=2:
1,后者EMP:
HMP=4:
1
柠檬酸生物合成的代谢调节
糖酵解及调节EMP
第一个调节的酶是磷酸果糖激酶(PFK):
AMP、无机磷、NH4+对该酶有活化作用
ATP、柠檬酸对该酶有抑制作用
第二个调节的酶是丙酮酸激酶(PK):
PK被NH4+、K+激活
黑曲霉发酵中,在缺锰的条件下,由于蛋白质和核酸合成受阻,细胞内的NH4+异常高,而减少柠檬酸对PFK的抑制,加强EMP途径。
TCA环的调节
1、柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶,由乙酰辅酶A中的高能硫酯键水解释放大量能量,推动合成柠檬酸。
2、两步反应均由顺乌头酸酶催化,该酶需要Fe++,若用络合剂除去反应液中的铁,则酶活性被抑制,造成柠檬酸的积累。
柠檬酸→顺乌头酸→异柠檬酸
3、黑曲霉中TCA循环中的另一个特点是-酮戊二酸脱氢酶被葡萄糖和NH4+抑制,在柠檬酸生成期,菌体内不存在-酮戊二酸脱氢酶或活力很低。
谷氨酸生物合成途径:
包括:
EMP、HMP、TCA、乙醛酸循环、CO2固定反应
GA菌在10%高浓葡萄糖中产生5%高浓GA,是非正常代谢,所以要从菌体自身、外界来控制完成,即控制代谢。
生成谷氨酸的主要酶反应:
1、还原氨基化反应
酸还原并氨基化,
2、转氨反应
氨基酸转为谷氨酸,
3、GA酶催化反应
谷氨酰氨转为谷氨酸
GA的生物合成途径
影响GA积累的因素
内在因子:
1、选育菌种
2、增加膜通透性:
①生物素缺陷(膜);
②加青青霉素(壁)
外在环境:
溶解氧、氨离子、PH值、rH值、磷酸、生物素
GA菌向GA方向进行的条件:
不分解利用GA;
耐高浓度;
GA膜透性好;
丙酮酸脱氢酶要弱;
异柠檬酸裂解酶弱;
保证TCA环中间体的补充。
天冬氨酸发酵机制
葡萄糖→EMP→丙酮酸→CO2→C4羧酸→NH3→天冬氨酸
大肠杆菌:
解除苏氨酸和赖氨酸产物浓度抑制
GA棒杆菌:
GA优先合成,但GA浓度高时被抑制,转向天冬氨酸
黄色短杆菌:
同上
筛选:
苏氨酸:
选育苏、赖氨酸结构类似物突变菌;
选育蛋、赖、异亮氨酸缺陷菌
赖氨酸:
选育高丝氨酸缺陷菌;
选育抗赖氨酸结构类似物菌
蛋氨酸:
解除蛋氨酸产物浓度的抑制;
解除S-先腺苷蛋氨酸的反馈抑制和阻遏
异亮氨酸:
添加前体物质即氨基丁酸、D-苏氨酸
缬氨酸:
α-酮异戊酸
缬氨酸
亮氨酸
选育异亮、亮氨酸缺陷型菌;
解除反馈阻遏
同型乳酸发酵:
进行乳酸发酵的主要是细菌。
它们利用糖经糖酵解途径生成丙酮酸,丙酮酸还原产生乳酸。
发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发酵,如乳链球菌、乳酪链球菌等。
同型乳酸发酵的特点:
1mol的G产生2mol乳酸,理论转化率是100%。
另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。
异型乳酸发酵:
发酵产物中除乳酸外同时还有乙酸、乙醇、二氧化碳、氢的,称为异型乳酸发酵。
6-磷酸葡萄糖酸途径
抗生素发酵机制(了解)
分解代谢:
菌体把培养基中的大分子物分解变成小分子物质的过程。
合成代谢:
菌体把吸收到细胞内的一种或数种物质合成相对分子质量较大较复杂的物质
(如蛋白质、核酸、多糖和抗生素)。
补料分批发酵(FBC):
又称半连续培养或半连续发酵,是指在分批发酵过程中,间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法,是分批发酵和连续发酵之间的一种过渡培养方式,是一种控制发酵的好方法,现已广泛用于发酵工业。
FBC优点:
①解除底物抑制、产物反馈抑制和分解代谢物的阻遏;
②避免一次投料过多造成细胞大量生长所引起的一切影响,改善发酵液流变学性质;
③可提高发芽孢子的比例,控制细胞质量;
④不需要严格的无菌条件,产生菌不易老化变异,比连续发酵适用广泛。
补料内容:
能源和碳源;
氮源;
微量元素;
诱导物;
补料的原则;
根据菌体生长代谢规律;
生产需要;
环境条件
充足而不过量(少量多次或分批流加)
温度对发酵的影响:
温度会影响各种酶反应的速率,改变菌体代谢产物的合成方向,影响微生物的代谢调控机制。
影响发酵液的理化性质,进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。
pH值对发酵的影响
1.影响酶的活性,当pH值抑制菌体中某些酶的活性时,会阻碍菌体的新陈代谢;
2.影响微生物细胞膜所带电荷的状态,改变细胞膜的通透性,影响微生物对营养物的吸收和代谢产物的排泄;
影响培养基中某些组分的解离,进而影响微生物对这些成分的吸收;
3.pH值不同,往往引起菌体代谢过程的不同,使代谢产物的质量和比例发生改变。
少量泡沫的作用:
一定数量的泡沫是正常现象,可以增加气液接触面积,导致氧传递速率增加;
大量的泡沫引起许多负作用:
发酵罐的装料系数减少、氧传递系统减小;
增加了菌群的非均一性;
造成大量逃液,增加染菌机会;
严重时通气搅拌无法进行,菌体呼吸受到阻碍,导致代谢异常或菌体自溶;
消泡剂的添加将给提取工序带来困难。
泡沫的消除:
1.调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原料)或改变某些物理化学参数(如pH值、温度、通气和搅拌)或者改变发酵工艺(如采用分次投料)来控制,以减少泡沫形成的机会。
2.采用菌种选育的方法,筛选不产生流态泡沫的菌种,来消除起泡的内在因素。
3.采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫。
1.化学剂消泡:
降低泡沫液膜的机械强度;
降低液膜的表面黏度;
兼有两者的作用,达到破裂泡沫的目的。
常用的消泡剂:
天然油脂类、脂肪酸和酯类、聚醚类、硅酮类
2.机械消泡:
物理消泡方法,利用机械强烈振动或压力变化而使泡沫破裂。
罐内消泡——靠罐内消泡桨转动打碎泡沫。
罐外消泡——将泡沫引出罐外,通过喷嘴的加速作用或离心力来消除泡沫。
染菌:
在发酵培养中侵入了有碍生产的其他微生物。
染菌对发酵的影响
1、发酵染菌对不同品种的影响:
放线菌由于生长的最适pH为7左右,因此染细菌(pH6.5-7.5)为多,而霉菌生长pH为5左右,因此染酵母菌(pH4.5-5.5)为多。
2.污染噬菌体;
噬菌体的感染力很强,传播蔓延迅速,也较难防治,故危害极大。
污染噬菌体后,可使发酵产量大幅度下降,严重的造成断种,被迫停产。
3、不同时间染菌对发酵的影响
(1)种子培养期染菌:
由于接种量较小,生产菌生长一开始不占优势,而且培养液中几乎没有抗生素(产物)或只有很少抗生素(产物)。
因而它防御杂菌能力低,容易污染杂菌。
如在此阶段染菌,应将培养液全部废弃。
(2)发酵前期染菌:
发酵前期最易染菌,且危害最大。
原因;
发酵前期菌量不很多,与杂菌没有竞争优势;
且还未合成产物(抗生素)或产生很少,抵御杂菌能力弱。
此时杂菌与生产菌争夺营养成分,干扰生产菌的繁殖和产物的形成。
染菌措施:
可以用降低培养温度,调整补料量,用酸碱调pH值,缩短培养周期等措施予以补救。
如果前期染菌,且培养基养料消耗不多,可以重新灭菌,补加一些营养,重新接种再用。
(3)发酵中期染菌:
发酵中期染菌会严重干扰生产菌的繁殖和产物的生成。
杂菌大量产酸,培养液pH下降;
糖、氮消耗快,发酵液发粘,菌丝自溶,产物分泌减少或停止,有时甚至会使已产生的产物分解。
有时也会使发酵液发臭,产生大量泡沫。
措施:
降温培养,减少补料,密切注意代谢变化情况。
如果发酵单位到达一定水平可以提前放罐,抑制杂菌。
(4)发酵后期染菌:
发酵后期发酵液内已积累大量的产物,特别是抗生素,对杂菌有一定的抑制或杀灭能力。
因此如果染菌不多,对生产影响不大,可继续发酵。
如果染菌严重,又破坏性较大,可以提前放罐。
染菌的检查
(1)显微镜检查法:
用革兰氏染色法(Gramsstain)对样品进行涂片、染色,然后在显微镜下观察微生物的形态特征,根据生产菌与杂菌的特征进行区别、判断是否染菌。
(2)平板划线培养或斜面培养检查法:
平板制好后,应先保温24小时,确定无菌,将待检样品在无菌平板或斜面上划线,分别于37℃、27℃进行培养,一般24h后即可进行镜检观察,检查是否有杂菌。
有时为了提高平板培养法的灵敏度,也可以将需要检查的样品先置于37℃条件下培养6h,使杂菌迅速增殖后再划线培养。
将待检样品直接接入经完全灭菌后的该肉汤培养基中,分别于37℃、27℃进行培养,每6h观察一次微生物的生长情况,并取样进行镜检,该肉汤培养基由红色变为黄色或产生浑浊,即判断为染菌。
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