生物技術(shù)制藥第七講--發(fā)酵工程技術(shù)說課材料

1、生物技術(shù)制藥第七講-發(fā)酵工程技術(shù)一、發(fā)酵工程一、發(fā)酵工程 的概念的概念 發(fā)酵工程又成為微生物工程，是利用微生物制造發(fā)酵工程又成為微生物工程，是利用微生物制造工業(yè)原料與工業(yè)產(chǎn)品工業(yè)原料與工業(yè)產(chǎn)品并提供服務(wù)的技術(shù)并提供服務(wù)的技術(shù) 微生物發(fā)酵工程是一個十分復(fù)雜的自催化工程，是生物技術(shù)的基礎(chǔ)工程，微生物發(fā)酵工程是一個十分復(fù)雜的自催化工程，是生物技術(shù)的基礎(chǔ)工程，用于用于:如基因工程、細(xì)胞工程、酶工程都與發(fā)酵工程相關(guān)如基因工程、細(xì)胞工程、酶工程都與發(fā)酵工程相關(guān)二、發(fā)酵工程的發(fā)展歷程二、發(fā)酵工程的發(fā)展歷程 第一階段第一階段 20C20C以前時期，利用以前時期，利用傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)（釀造技術(shù)）傳統(tǒng)的微生物

2、發(fā)酵技術(shù)（釀造技術(shù)）生產(chǎn)酒、生產(chǎn)酒、醋、醬、奶酪等食品醋、醬、奶酪等食品 1675 1675年，荷蘭人列文虎克發(fā)明了顯微鏡，并首次觀察到了微生物體，年，荷蘭人列文虎克發(fā)明了顯微鏡，并首次觀察到了微生物體，為人類對微生物的深入研究提供了可能為人類對微生物的深入研究提供了可能 19C 19C中葉，法國葡萄酒的釀造工藝出現(xiàn)問題，巴斯德經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)時由中葉，法國葡萄酒的釀造工藝出現(xiàn)問題，巴斯德經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)時由于傳統(tǒng)于傳統(tǒng)“釀造釀造”技術(shù)環(huán)境中的雜菌（乳酸桿菌）干擾了釀酒的正常生化反技術(shù)環(huán)境中的雜菌（乳酸桿菌）干擾了釀酒的正常生化反應(yīng)過程；指出對釀造原料進(jìn)行滅菌，可解決問題應(yīng)過程；指出對釀造原料進(jìn)行滅菌，可

3、解決問題第二階段第二階段 1900194019001940年，準(zhǔn)年，準(zhǔn)“純菌培養(yǎng)純菌培養(yǎng)”階段，規(guī)模增大，產(chǎn)品主階段，規(guī)模增大，產(chǎn)品主要有酵母、甘油、乳酸、檸檬酸、要有酵母、甘油、乳酸、檸檬酸、丁醇、丙酮丁醇、丙酮（第一次世界大戰(zhàn)彈（第一次世界大戰(zhàn)彈藥制造原料）等藥制造原料）等 第三階段第三階段 第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)至第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)至19531953年，本階段是發(fā)酵工業(yè)的大發(fā)年，本階段是發(fā)酵工業(yè)的大發(fā)展時期，青霉素實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)推動了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展；特點是：展時期，青霉素實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)推動了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展；特點是：純菌培養(yǎng)、大規(guī)模、產(chǎn)品多為抗生素、氨基酸、核酸、甾體等次級純菌培養(yǎng)、大規(guī)模、產(chǎn)

4、品多為抗生素、氨基酸、核酸、甾體等次級代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物第四階段第四階段 19531953年至今，基因工程等高新技術(shù)應(yīng)用階段；如年至今，基因工程等高新技術(shù)應(yīng)用階段；如DNADNA雙螺雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出、質(zhì)粒載體的發(fā)現(xiàn)及成功應(yīng)用、分子雜交、克隆旋結(jié)構(gòu)模型的提出、質(zhì)粒載體的發(fā)現(xiàn)及成功應(yīng)用、分子雜交、克隆技術(shù)等技術(shù)等三、發(fā)酵工程的研究內(nèi)容三、發(fā)酵工程的研究內(nèi)容 菌種的培養(yǎng)和選育、菌的代替與調(diào)節(jié)、培養(yǎng)基的滅菌、通氣攪拌、菌種的培養(yǎng)和選育、菌的代替與調(diào)節(jié)、培養(yǎng)基的滅菌、通氣攪拌、溶氧、發(fā)酵條件的優(yōu)化、發(fā)酵過程各參數(shù)與動力學(xué)、發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計溶氧、發(fā)酵條件的優(yōu)化、發(fā)酵過程各參數(shù)與動力學(xué)、發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計和

5、自動控制、產(chǎn)品的分離純化與精制等和自動控制、產(chǎn)品的分離純化與精制等 決定發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)水平的三要素：決定發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)水平的三要素：生產(chǎn)菌種、發(fā)酵工藝和發(fā)酵設(shè)備生產(chǎn)菌種、發(fā)酵工藝和發(fā)酵設(shè)備第二節(jié)第二節(jié) 優(yōu)良菌種的選育優(yōu)良菌種的選育 發(fā)酵工程產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵是篩選新的有用物質(zhì)的產(chǎn)生菌發(fā)酵工程產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵是篩選新的有用物質(zhì)的產(chǎn)生菌 從自然界分離得到的野生菌種均不符合工業(yè)生產(chǎn)要求，必須通從自然界分離得到的野生菌種均不符合工業(yè)生產(chǎn)要求，必須通過人工選育；優(yōu)良菌種的選育，可為發(fā)酵工業(yè)提供高產(chǎn)菌株和各種類過人工選育；優(yōu)良菌種的選育，可為發(fā)酵工業(yè)提供高產(chǎn)菌株和各種類型的突變菌株型的突變菌株菌種選育方法菌種選育方

6、法 經(jīng)驗育種法：自然選育、誘變育種、雜交育種等經(jīng)驗育種法：自然選育、誘變育種、雜交育種等 定向育種法：控制雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程等定向育種法：控制雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程等 1.自然選育自然選育 概念：概念：即不經(jīng)人工處理，利用微生物的自然突變進(jìn)行菌種選育的過程即不經(jīng)人工處理，利用微生物的自然突變進(jìn)行菌種選育的過程稱為稱為 特點特點：可純化菌種、防止菌種衰退、穩(wěn)定生產(chǎn)水平、提高產(chǎn)物產(chǎn)量；：可純化菌種、防止菌種衰退、穩(wěn)定生產(chǎn)水平、提高產(chǎn)物產(chǎn)量；但效率低、進(jìn)展慢（若能將此法于誘變育種交替使用，則效果較好）但效率低、進(jìn)展慢（若能將此法于誘變育種交替使用，則效果較好）2.誘變育種誘變

7、育種 即用人工方法誘發(fā)突變；突變發(fā)生部位一般是在遺傳物質(zhì)即用人工方法誘發(fā)突變；突變發(fā)生部位一般是在遺傳物質(zhì)DNA上，并可上，并可穩(wěn)定遺傳穩(wěn)定遺傳（1）誘變機(jī)制）誘變機(jī)制微小損傷突變微小損傷突變 包括點突變（轉(zhuǎn)換和顛換）和密碼組移位包括點突變（轉(zhuǎn)換和顛換）和密碼組移位染色體畸變?nèi)旧w畸變 包括移位（非同源連接）、倒位（同一染色體某一部位染色體以包括移位（非同源連接）、倒位（同一染色體某一部位染色體以顛倒的順序出現(xiàn)在原來的位置）、缺失和重復(fù)（增加了原本存在的基顛倒的順序出現(xiàn)在原來的位置）、缺失和重復(fù)（增加了原本存在的基因（如因（如控制目的物產(chǎn)量的基因控制目的物產(chǎn)量的基因）出現(xiàn)的頻率）出現(xiàn)的頻率）染

8、色體組突變?nèi)旧w組突變 指由有絲分裂或減數(shù)分裂異常導(dǎo)致染色體數(shù)目或組數(shù)的變化；如指由有絲分裂或減數(shù)分裂異常導(dǎo)致染色體數(shù)目或組數(shù)的變化；如由單被體突變成二倍體或多倍體等由單被體突變成二倍體或多倍體等（2）誘變劑及作用方式）誘變劑及作用方式物理誘變劑：如物理誘變劑：如200-300nm紫外線紫外線化學(xué)誘變劑：化學(xué)誘變劑：P2653.原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合 是將兩個親株分別通過去除細(xì)胞壁，使菌體細(xì)胞在是將兩個親株分別通過去除細(xì)胞壁，使菌體細(xì)胞在高滲高滲環(huán)境中釋環(huán)境中釋放出由原生質(zhì)體包被著的球狀體，在高滲條件下混合兩個親株的原生放出由原生質(zhì)體包被著的球狀體，在高滲條件下混合兩個親株的原生質(zhì)體，由質(zhì)體

9、，由 PEG作促融劑作促融劑使它們相互凝集發(fā)生細(xì)胞融合，接著兩細(xì)胞基使它們相互凝集發(fā)生細(xì)胞融合，接著兩細(xì)胞基因組由接觸到交換，從而實現(xiàn)因組由接觸到交換，從而實現(xiàn)遺傳物質(zhì)重組遺傳物質(zhì)重組，在再生細(xì)胞中就有可能，在再生細(xì)胞中就有可能挑選出較理想的重組子挑選出較理想的重組子原生質(zhì)體融合的一半程序原生質(zhì)體融合的一半程序溶壁溶壁 促融促融 培養(yǎng)培養(yǎng) 挑選融合重組子挑選融合重組子溶壁：細(xì)菌用溶菌酶；酵母用蝸牛酶；霉菌用纖維素酶和蝸牛酶溶壁：細(xì)菌用溶菌酶；酵母用蝸牛酶；霉菌用纖維素酶和蝸牛酶第三節(jié)第三節(jié) 發(fā)酵的基本過程發(fā)酵的基本過程 菌種菌種 種子制備種子制備 發(fā)酵發(fā)酵 發(fā)酵液預(yù)處理發(fā)酵液預(yù)處理 提取精制提

10、取精制發(fā)酵的基本過程發(fā)酵的基本過程一、菌種一、菌種 1.1.要求要求 產(chǎn)量高、生長快、性能穩(wěn)定、容易培養(yǎng)產(chǎn)量高、生長快、性能穩(wěn)定、容易培養(yǎng)2.2.儲存儲存 為防止菌種衰退，菌種必須以休眠狀態(tài)保存于砂土管或為防止菌種衰退，菌種必須以休眠狀態(tài)保存于砂土管或 冷凍干燥管中，冷凍干燥管中，并置于并置于0-40-4冰箱（庫）中冰箱（庫）中 種子制備在在搖瓶或小罐內(nèi)進(jìn)行，種子要經(jīng)過兩次擴(kuò)大培養(yǎng)才能進(jìn)入種子制備在在搖瓶或小罐內(nèi)進(jìn)行，種子要經(jīng)過兩次擴(kuò)大培養(yǎng)才能進(jìn)入發(fā)酵罐發(fā)酵罐二、種子的制備二、種子的制備三、發(fā)酵三、發(fā)酵注意：注意：通氣（一般通氣（一般0.3-1m3/m30.3-1m3/m3）、攪拌（一般攪拌消耗功率）、攪拌（一般攪拌消耗功率1-1-2KW/m2KW/m3 3）、溫度（）、溫度（26-3726-37）、罐壓（一般）、罐壓（一般0.3-0.5kg/cm0.3-0.5kg/cm3 3）；發(fā)酵）；發(fā)酵時間因不同品種而異，大多數(shù)微生物的發(fā)酵周期為時間因不同品種而異，大多數(shù)微生物的發(fā)酵周期為2-8d2-8d四、產(chǎn)物提取四、產(chǎn)物提取提取過程：發(fā)酵液預(yù)處理提取