生化工藝861電子教案課件完整版

1、緒論 第一章緒論 一、國(guó)內(nèi)外生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著分子生物學(xué)的突破而誕生的基因（gene）操作技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)（cell fusiontechnology）等賦予了生物技術(shù)新的生命力，引起了科技界和企業(yè)界的的高度重視并給予巨額投入。從世界范圍的發(fā)展情況來看，生物技術(shù)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，美國(guó)、日本、歐洲等主要發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)競(jìng)相開展生物技術(shù)的研究和開發(fā)工作，許多國(guó)家紛紛建立了獨(dú)立的政府機(jī)構(gòu)，成立了一系列的生物技術(shù)研究組織，制定了近期即2010年或2020年的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，在政策、資金上給予了大力支持。同時(shí)這些國(guó)家的企業(yè)界也紛紛投入了巨資進(jìn)行生物技術(shù)的開發(fā)研究，取得了一系列重大成

2、果，從而使生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化得到迅速發(fā)展。成功開發(fā)了諸如促紅細(xì)胞生成素（EPO）、粒細(xì)胞集落刺激因子（G-CSF）等一批基因工程藥物，占領(lǐng)了世界市場(chǎng)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，使得這些國(guó)家在世界生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。 緒論 中國(guó)是最早利用生物技術(shù)的國(guó)家之一。最近十年來生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)成為世界發(fā)酵產(chǎn)品市場(chǎng)的重要競(jìng)爭(zhēng)者，多種發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量和出口劇增。檸檬酸（citricacid）的生產(chǎn)工藝、技術(shù)已進(jìn)入了世界先進(jìn)行列，產(chǎn)量居世界首位；谷氨酸（Glu）和賴氨酸（Lys）的生產(chǎn)工藝和技術(shù)水平及產(chǎn)量也有一定優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，現(xiàn)代生物技術(shù)的研究和開發(fā)也取得了豐碩的成果，中國(guó)首創(chuàng)的兩系雜交水

3、稻已推廣種植200km，平均單產(chǎn)提高10%以上；植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)取得成功；重組聯(lián)合共生固氮菌、防病工程菌開始大面積田間實(shí)驗(yàn)；試管牛羊、轉(zhuǎn)基因魚已進(jìn)入中間實(shí)驗(yàn)，動(dòng)物生物反應(yīng)器取得了可喜進(jìn)展；已有四種基因工程藥物獲準(zhǔn)投放市場(chǎng)；抗體工程已取得多項(xiàng)成果并開始在臨床上應(yīng)用；某些基因治療達(dá)到了國(guó)際水平；人胰島素、人尿激酶、葡萄糖異構(gòu)酶、凝乳酶的蛋白質(zhì)工程已達(dá)到世界水平。但從總體上看，無論是對(duì)傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的改造或是對(duì)現(xiàn)代生物技術(shù)的研究、開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)都還處于起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定的差距。 緒論 生物技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展涉及許多學(xué)科，包括生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、動(dòng)物學(xué)

4、、植物學(xué)、化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)、電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等基礎(chǔ)和應(yīng)用學(xué)科?，F(xiàn)代生物技術(shù)雖來源于原始的、傳統(tǒng)的生物生產(chǎn)技術(shù)，但它們之間在內(nèi)容和手段上均在質(zhì)的區(qū)別。現(xiàn)代生物技術(shù)能夠帶來的好處是十分巨大的，正在或即將使人們的某些夢(mèng)想和希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。當(dāng)前，生物技術(shù)已在醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域中嶄露頭角，一批生物工程藥物，如人生長(zhǎng)激素（growth hormone）、胰島素(insulin)、干擾素(interferon)和各類細(xì)胞生長(zhǎng)因子與調(diào)節(jié)因子等已陸續(xù)投放市場(chǎng)。 緒論 近年來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展越來越離不開諸如化學(xué)工程技術(shù)學(xué)科。在生物技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)相互結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型工程技術(shù)生

5、物化工技術(shù)，不僅為傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)、傳統(tǒng)醫(yī)藥工業(yè)的改造及新興的生物技術(shù)工業(yè)提供了高效率的生物反應(yīng)器、新型分離技術(shù)和介質(zhì)以及現(xiàn)代的工程裝備技術(shù)，還提供了生產(chǎn)設(shè)備單元化、工藝過程最優(yōu)化、在線控制自動(dòng)化、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)等工程概念與技術(shù)以及用于生物過程優(yōu)化控制的基礎(chǔ)理論。生物化工技術(shù)在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面起重要的作用，使生物技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，下游技術(shù)不斷更新，同時(shí)大大提高了生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。生物化學(xué)工程技術(shù)已成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的橋梁和瓶頸。其生產(chǎn)過程和工藝的研究已成為加速生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重要方面。緒論 現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品雖不多，但其潛力很大，是方興未艾的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。今后現(xiàn)代生物技術(shù)不但用來生產(chǎn)

6、一些貴重或有特殊功效的藥物，其具潛力將主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)和化工原料的應(yīng)用開發(fā)中。此外用現(xiàn)代生物技術(shù)改造已有有發(fā)酵工業(yè)，如氨基酸工業(yè)、酶制劑工業(yè)、抗生素工業(yè)中的菌種改造上也有很大潛力。 緒論 二、生化反應(yīng)過程的特點(diǎn) 將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)，成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程統(tǒng)稱為生物反應(yīng)過程。 生物反應(yīng)過程的實(shí)質(zhì)就是利用生物催化劑從事生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。當(dāng)過程采用游離的整體微生物活細(xì)胞為生物催化劑時(shí)，一般稱此為發(fā)酵過程（特定情況下也有稱微生物培養(yǎng)過程、微生物轉(zhuǎn)化過程等）而當(dāng)生物催化劑為游離或固定化酶時(shí)，此過程則稱為酶反應(yīng)過程。另處，還有動(dòng)、植物細(xì)胞（組織）培養(yǎng)過程。至于從天然生物物質(zhì)中提取

7、有效成分也常歸屬于生物反應(yīng)過程的范圍。通常的生物反應(yīng)過程由四個(gè)部分組成。緒論 1.原料的預(yù)處理及培養(yǎng)基的制備 發(fā)酵原料是很豐富的，如薯類、谷類等，但許多工業(yè)微生物都不能直接利用這些原料，通常需要將它們進(jìn)行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供給微生物利用。還可以利用廢糖蜜、工農(nóng)業(yè)的下腳料等，根據(jù)不同微生物和發(fā)酵產(chǎn)品的類型調(diào)配一定成分的培養(yǎng)基。在發(fā)酵前將培養(yǎng)基裝入發(fā)酵罐中，通入98kPa的蒸汽高溫滅菌，冷卻后，在無菌條件下接入菌種。在發(fā)酵過程中要絕對(duì)保證無雜菌，即沒有目標(biāo)微生物以外的微生物存在，這是發(fā)酵成功與否的關(guān)鍵。 緒論 2.生物催化劑的制備 發(fā)酵過程中，首先應(yīng)在傳統(tǒng)誘變育種或用現(xiàn)代生物技術(shù)的手段進(jìn)行

8、菌種改造的基礎(chǔ)上，選擇高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、培養(yǎng)要求不甚苛刻的菌種。發(fā)酵前必須經(jīng)過多次擴(kuò)大培養(yǎng)達(dá)到足夠數(shù)量后即作為種子接種至發(fā)酵罐中，滿足大罐發(fā)酵的要求。在實(shí)際情況下，生物催化劑微生物細(xì)胞的增加和“成熟”在發(fā)酵過程的前期以至中期仍在繼續(xù)進(jìn)行。在酶反應(yīng)過程中，加入酶量及其純度與底物量和產(chǎn)品要求有關(guān)。在采用固定化酶或固定化細(xì)胞時(shí)，應(yīng)事先通過合適的固定化技術(shù)將酶或細(xì)胞加以固定，然后裝入酶反應(yīng)器。如果是酶反應(yīng)過程，則需選擇一定量的活力強(qiáng)的酶制劑。緒論 3.生物反應(yīng)容器及反應(yīng)條件的選擇 由于使用的生物類型不同，其代謝規(guī)律不一樣，因而有厭氧發(fā)酵和好氧發(fā)酵兩種方式。厭氧發(fā)酵亦稱靜置發(fā)酵，如酒精、啤酒、丙酮、丁醇及乳酸

9、等，發(fā)酵過程不需供氧，設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡(jiǎn)單。好氧過程中需要消耗大量的氧氣，因此需要通入無菌空氣。以供代謝需要，如氨基酸、抗生素、赤霉素等的生產(chǎn)都屬此類。不管是好氧發(fā)酵還是厭氧發(fā)酵，均應(yīng)根據(jù)菌種的的特點(diǎn)、代謝規(guī)律和產(chǎn)品的特點(diǎn)，選擇合適的發(fā)酵條件。緒論 4.產(chǎn)品的分離與純化 分離與純化是從發(fā)酵液中提取符合質(zhì)量指標(biāo)的制品。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的類型、特點(diǎn)選擇合適的下游技術(shù)的組合。采用吸附法、溶媒萃取法、離子交換法、沉淀法或蒸餾法、雙水相萃取法、色譜法等，提取、分離和純化產(chǎn)品，得到符合要求的目標(biāo)產(chǎn)品。有關(guān)的法包括： 物理方法研磨、高壓勻漿（以上用于細(xì)胞破碎）、過濾、離心、蒸發(fā)、干燥等； 物理化學(xué)方法凍溶（

10、用于細(xì)胞破碎）、透析、超濾反滲析、絮凝、萃取、吸附、層析、蒸餾、電泳、等電點(diǎn)沉淀、鹽析、結(jié)晶等； 化學(xué)方法離子交換、化學(xué)沉淀等； 生物方法免疫層析等。 緒論 不管是微生物培養(yǎng)，還是動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)、污水的生化處理以及從天然物質(zhì)中應(yīng)用生物技術(shù)提取有效成分均為生物反應(yīng)過程。如果過程使用的生物催化劑是酶，通常叫酶反應(yīng)過程。如果是生物細(xì)胞，則叫做發(fā)酵過程。生物反應(yīng)過程的特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下： （1）生產(chǎn)過程通常在常溫下進(jìn)行，操作條件溫和，不需要考慮防爆問題，一種設(shè)備具有多種用途。原料以碳水化合物為主，不含有毒物質(zhì)。 （2）生產(chǎn)反應(yīng)過程是以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行的，多個(gè)反應(yīng)容器像一個(gè)反應(yīng)一樣，可在單一設(shè)備中進(jìn)行

11、。 （3）能容易進(jìn)行復(fù)雜的高分子化合物的生產(chǎn)，如酶、光學(xué)性體等。緒論 （4）能夠高度選擇性地進(jìn)行復(fù)雜化合物在特定部位的反應(yīng)，如氧化、還原、官能團(tuán)的導(dǎo)入等。 （5）生產(chǎn)產(chǎn)品的生物體本身也是產(chǎn)物，富含維生素、蛋白質(zhì)、酶等；除特殊情況外，培養(yǎng)液一般不會(huì)對(duì)人和動(dòng)物造成危害。 （6）生產(chǎn)過程中需要注意防止雜菌污染，尤其是噬菌體的侵入，以免造成很大的危害。 （7）能通過改良生物體生產(chǎn)性能，可在不增加設(shè)備投資的條件下，利用原有的生產(chǎn)設(shè)備使生產(chǎn)能力飛躍上升。 實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過改進(jìn)工藝和改善設(shè)備的研究，在很大程度上改善產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效益。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)過程提出了更高的要求，使工藝的研究和優(yōu)

12、化變得更加重要。緒論 三、生化技術(shù)的應(yīng)用 生物技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)千年的發(fā)展，至今已達(dá)到了可以用細(xì)胞融合和DNA重組等現(xiàn)代生物技術(shù)，從細(xì)胞水平和分子水平改良已有生物品種和組建新的生物品種的地步，這將較大幅度提高農(nóng)業(yè)的質(zhì)量和產(chǎn)量，以及利用生物資源為原料或應(yīng)用生物技術(shù)為手段的工業(yè)賦予新的生命力，并為生物技術(shù)的其它應(yīng)用帶來福音。人們期望著生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它將會(huì)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，人民保健和社會(huì)福利事業(yè)帶來更深遠(yuǎn)的影響。為此，世界各國(guó)都把生物技術(shù)的研究開發(fā)列入高技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)也已把生物技術(shù)和航天技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及新材料技術(shù)并列為優(yōu)先發(fā)展的七個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)然在現(xiàn)代生物技術(shù)的潛力還沒有

13、完全顯示之前，我們還必須充分發(fā)揮已有生物技術(shù)的作用，使它們?yōu)閲?guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)服務(wù)作出更大的貢獻(xiàn)。 緒論 1.生化技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用 這是生物技術(shù)最早開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域，其中包括傳統(tǒng)的含醇飲料、調(diào)味品、乳制品等，至今其產(chǎn)量和產(chǎn)值還占生物技術(shù)的首位。 含醇飲料 以果汁、米、麥、高梁、玉米、土豆等為主要原料釀造或經(jīng)過加工的有葡萄酒等，果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、香檳酒、朗姆酒等。傳統(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵產(chǎn)品 以豆類、米、麥等生產(chǎn)的醬、醬油、醋、豆鼓、豆腐乳、飴糖、泡菜等。 發(fā)酵乳制品 奶酒、干酪、酸奶等。 用近氏發(fā)酵或酶反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的食品原料 葡萄糖、麥芽糖、脂肪等。 食品添加劑

14、 面包酵母、味精、賴氨酸、檸檬酸、紅曲等 新型發(fā)酵飲料 活性乳酸飲料 緒論 2.生物技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用 生物技術(shù)在醫(yī)藥方面的應(yīng)用是最為關(guān)注的領(lǐng)域之一，特別是現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用常集中于醫(yī)藥方面。這是因?yàn)獒t(yī)藥產(chǎn)品的價(jià)格較高，容易使產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上受益，另外也由于人們都期望有些高效藥物問世。 通過生物技術(shù)生產(chǎn)或已在實(shí)驗(yàn)室獲得較好結(jié)果的醫(yī)藥產(chǎn)品為數(shù)很多，現(xiàn)分別介紹如下：緒論 （1）各種抗生素 抗細(xì)菌抗生素 桿菌肽，頭孢菌素、氯霉素（對(duì)斑疹傷寒有特效）、金霉素、環(huán)絲氨酸（抗結(jié)核菌）、紅霉素、紫霉素等。 抗真菌抗生素 兩性霉素B、殺假絲菌素、灰黃霉素、制霉菌素等。 抗原蟲抗生素 煙曲霉素 曲古霉素等。 抗

15、腫瘤抗生素 放線菌素、阿德里亞霉素、博萊霉素、光神霉素、絲裂霉素、內(nèi)瘤霉素等。 某些天然抗生素 青霉素、頭孢素在去側(cè)鏈后，可用化學(xué)合成法接上新的側(cè)面而改變?cè)锌咕V或其它特性， 這就是被稱為半合成抗生素。緒論 常用的半合成青霉素 甲氧苯青霉素、乙氧萘青霉素、鄰氯苯唑青霉素等。 常用的半合成頭孢素 頭孢一號(hào)、頭孢二號(hào)、頭孢號(hào)、頭孢號(hào)、頭孢號(hào)、頭孢號(hào)、吡硫頭孢菌素、氰甲基頭孢素等。 其它半合成抗生素 丁胺卡那霉素、去甲基金霉素、利福平、氯林肯霉素、去甲基林肯霉素等。 （2）各種氨基酸 氨基酸在醫(yī)藥中主要用氨基酸大輸液。 可經(jīng)發(fā)酵獲得的氨基酸、賴氨酸、丙氨酸、精氨酸、組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨

16、酸、脯氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸等。可用酶法獲得的氨基酸有天門冬氨酸、丙氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、賴氨酸、半胱氨酸等。 緒論 （3）維生素 目前可用生物技術(shù)生產(chǎn)的維生素或其中間產(chǎn)物有維生素B2、維生素B12、2-酮基古龍酸（經(jīng)轉(zhuǎn)化后即得維生素C抗壞血酸）、胡蘿卜素（維生素A抗干眼病維生素的前體）、麥角甾醇等。 （4）甾體激素 在可的松、氫化可的松、膚氫松（氟氫可的松）、確安舒松（氟羥脫氫皮質(zhì)醇）等甾體激素化學(xué)合成過程中有若干步可用微生物轉(zhuǎn)化來完成。 （5）生物制品 生物制品是指含抗原的制品。由減毒或死的病毒或立克次體制造的疫苗，如牛痘和班疹傷寒疫苗；減菌或死的病原菌制成的菌苗，如卡介苗

17、、傷寒菌苗以及類毒素，如白喉類毒素；和含抗體的制品（能中和外毒素的抗毒素）。它們均被用于預(yù)防、診斷或治療傳染病。緒論 （6）單克隆抗體 由于單克隆抗體對(duì)有關(guān)抗體具有高度親和性，故可用來制備診斷。在今后研制出人人或人鼠單克隆抗體后，還可用于治療。特別是可作為能驅(qū)病灶導(dǎo)彈藥物的運(yùn)載工具。此外，單抗還可用于親和層析以純化抗原物質(zhì)（通常為所欲純化的目標(biāo)產(chǎn)物，如干擾素等）或用于分疫分析和菌種鑒別。 （7）其它 治療用酶 如蛋白酶和核酸酶可用于加速去除壞死組織、膿液、分泌液、血腫；胃蛋白酶、脂肪酶、蛋白酶可幫助消化；尿激酶、鏈激酶可以溶化血栓；胰蛋白酶可以釋放激肽；天冬酰胺酶可抗腫瘤；超氧化酶可治因O2的

18、毒性引起的炎癥。緒論 酶抑制劑 如棒酸可抑制內(nèi)酰胺的作用而減少或避免由細(xì)菌產(chǎn)生的內(nèi)酰胺酶對(duì)青霉素的破壞；-淀粉酶抑制劑可治糖尿?。灰蛛乃兀ǖ鞍踪|(zhì)抑制劑）可用于治療胃潰瘍；多巴丁有降血壓作用。 核苷酸產(chǎn)品 如肌苷可治療心臟病、白血病、血小板下降、肝病等。黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）可治維生素B缺乏癥、肝病、腎??；輔酶A可治療白血病、血小板下降、肝病、心臟?。惠o酶I（NAD）可治糙皮癥、肝病、腎?。话祝–DP）膽堿可治療頭部外傷或大腦因外傷引起的意識(shí)模糊。 制藥工業(yè)用酶 如青霉素?；赣糜谏a(chǎn)半合成青霉素的母核6氨基青霉烷酸（6APA），天冬氨酸酶用于生產(chǎn)天門冬氨酸，L氨基酰酶用于生產(chǎn)L氨基酸

19、等。 其它發(fā)酵藥物 如谷氨酰胺可抗腫瘤、麥角新堿可治療后子宮復(fù)元、麥角胺可治療偏頭疼等。 此外，可用基因工程細(xì)胞產(chǎn)生的關(guān)鍵蛋白治療基因缺陷癥，稱為基因治療。緒論 3.生物技術(shù)應(yīng)用于輕工、食品用酶的生產(chǎn) 下列各種酶均可從微生物中獲得： 糖酶 淀粉酶（使淀粉液化生成糊精及少量麥芽糖及葡萄糖），淀粉酶（淀粉水解為麥芽糖），葡萄糖苷酶即糖化酶（使淀粉、糊精、麥芽糖水解為葡萄糖），支鏈（異）淀粉酶（水解支鏈淀粉），轉(zhuǎn)化酶（蔗糖酶，能將蔗糖或棉子糖水解為葡萄糖及果糖），異構(gòu)酶（葡萄糖異構(gòu)為果糖），半乳糖酶（將乳糖水解為葡萄糖和半乳糖），纖維素酶（將纖維素水解為葡萄糖）。緒論 蛋白酶 堿性蛋白酶（用于洗滌劑

20、、皮革鞣化、膠片回收銀、啤酒去濁），酸性蛋白酶（用于飲料、食品的冷藏保存、制作蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物），中性蛋白酶（用于皮張脫毛、蠶絲脫膠、蛋白胨制備）。 果膠酶 水解果類中的果膠物質(zhì)。 脂肪酶 將脂肪分解為甘油及脂肪酸。 凝乳酶 將乳中蛋白質(zhì)凝固生產(chǎn)干酪。 過氧化氫酶 能將H2O2分解為水及氧氣。 緒論 4.生物技術(shù)用于化工能源產(chǎn)品的生產(chǎn) 利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶法生產(chǎn)下列產(chǎn)品： 烷烴 甲烷 醇及溶劑 乙醇、甘油（丙三醇）、異丙醇、丙酮，二羥基丙酮、丁醇、丁二醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、木糖醇、赤蘚糖醇等。 有機(jī)酸 醋酸（乙酸）、丙酸、乳酸（羥基丙酸）丁酸、琥珀酸（丁二酸）、延胡索酸（反丁烯二酸）、蘋果

21、酸（羥基丁二酸）、酒石酸（二羥基丁二酸）、衣康酸（亞甲基丁二酸）、環(huán)氧琥珀酸（環(huán)氧丁二酸）、檸檬酸羥基戊二酸已二烯二酸、葡萄糖酸、曲酸（5羥基2吡喃酮）、水楊酸等。緒論 多糖 如右旋糖酐（葡聚糖）黃原膠、茁霉素多糖、微生物海藻酸等。 在能源產(chǎn)品成本和新能源開發(fā)中，除了甲烷（主要是有機(jī)廢棄物嫌氣發(fā)酵產(chǎn)物）和乙醇（可摻入汽油制成含醇汽油）外，黃原膠可用于油田三次采油，有關(guān)微生物產(chǎn)氫和生物電池目前也在探索中。 5.生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用： 生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣闊的潛在發(fā)展前途，這主要是指應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)主要農(nóng)作物、牲畜、水產(chǎn)品進(jìn)行品種改良或組建新品種。緒論 生物技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)生物技

22、術(shù)開辟了新的天地，其主要應(yīng)用于： （1）無性快速繁殖 利用某些植物組織，特別是未經(jīng)分化含有所有基因信息的幼芽組織，以細(xì)胞培養(yǎng)后獲得的愈傷組織加以擴(kuò)大培養(yǎng)，進(jìn)而獲得大量的植株。現(xiàn)將此法用于蘭花、煙草、蔬菜、甘蔗等快速繁殖。 （2）脫毒植株的獲得 通過未受病菌侵襲的頂端分生組織的細(xì)胞培養(yǎng)，進(jìn)而獲得無毒植株。也可通過愈傷組織或懸浮細(xì)胞毒素篩選抗性細(xì)胞。 （3）單倍體育種 利用花粉細(xì)胞培養(yǎng)，進(jìn)而培育單倍體植株。然后用秋水仙素等處理，使單倍體植株的染色體加倍，成為純種二倍體。單倍體植株只有一套染色體，故遺傳性單一，無分離現(xiàn)象。緒論 （4）原生質(zhì)體融合 可用不同種間、屬間生物的原生質(zhì)體進(jìn)行融合以獲得雜交體

23、細(xì)胞。 （5）人工種子 用人工種皮包埋體細(xì)胞胚狀體或芽、鱗、莖而制成的有高度萌發(fā)性能并能成為植株的“種子”，可使性能優(yōu)良的植物品種得以大規(guī)模種植。 （6）優(yōu)良牲畜的擴(kuò)大培養(yǎng) 擴(kuò)大培養(yǎng)優(yōu)良牲畜可用胚胎移植、胚胎分割、受精卵注射生長(zhǎng)激素等。核移植、染色體改造等到手段也可用于畜種、魚種改良及性別控制。緒論 （7）植物品種改良 人們對(duì)基因工程用于植物品種改良寄以很大的希望，如將抗性基因或植物蛋白貯藏基因、固氨基因等導(dǎo)入植物體細(xì)胞并獲得表達(dá)，這將對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。但目前對(duì)上述基因的了解很不夠，對(duì)如何將這些基因?qū)塍w細(xì)胞是一困難。目前已知的或可行的基因運(yùn)載體有Ti質(zhì)粒、Ri質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子和噬菌體、較為成

24、熟的是Ti質(zhì)粒，它是一種可以引起植物產(chǎn)生腫瘤的細(xì)菌的質(zhì)粒（能產(chǎn)生TIP腫瘤引導(dǎo)素），它可將外源基因整合至植物基因組中。 常規(guī)的工業(yè)微生物產(chǎn)品也可用于農(nóng)業(yè)，如不少醫(yī)療用抗生素，如鏈霉素、灰黃霉素可用于防治植物病毒，四環(huán)類抗生素可用于禽畜催長(zhǎng)。緒論 赤霉素是一種能促種子萌芽、植株助長(zhǎng)的植物生產(chǎn)素，現(xiàn)已廣泛用于雜交水稻中的助長(zhǎng)，蔬菜瓜果的生產(chǎn)。 近年來，還發(fā)現(xiàn)某些微生物除草劑，如環(huán)已酰胺、雙丙磷A、谷氨酰胺合成酶等。 在農(nóng)林生產(chǎn)中還常用蘇云金桿菌或其變種所產(chǎn)生伴孢晶體一種能殺死某些引起植物蟲害的娥類的幼蟲的毒蛋白來保護(hù)松林和蔬菜。另有用昆蟲病原體、寄生病毒和原生動(dòng)物殺滅危害作物的害蟲的制劑。固氮菌、

25、鉀細(xì)菌、磷細(xì)菌、抗生菌制劑作為輔助肥料及抗菌增產(chǎn)劑用于農(nóng)業(yè)。緒論 單細(xì)胞蛋白是一類由酵母（釀酒酵母、假絲酵母、畢卡酵母等）、真菌（曲霉、地霉、內(nèi)孢霉、鐮孢霉等）及細(xì)菌（假單孢菌、鏈絲菌、嗜甲醇細(xì)菌）的細(xì)胞體制成的飼料添加劑。其中干品的蛋白質(zhì)含量為40%80%。 食用和藥用真菌也是一種農(nóng)副產(chǎn)品，主要品種有蘑菇、草茹、香茹、枸菌、猴頭菌、靈芝、銀耳、木耳等。 6.生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 自然界本身就存在著碳和氮的循環(huán)，而微生物在對(duì)生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。利用生物技術(shù)手段處理生產(chǎn)和生活中的有機(jī)廢棄物，加速了這一分解過程的進(jìn)行且可對(duì)環(huán)境衛(wèi)生作出很大的貢獻(xiàn)。緒論 嫌氣發(fā)酵法 指在

26、嫌氣情況能分解碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的微生物，將有機(jī)廢棄物分解為可溶性物質(zhì)，進(jìn)而通過產(chǎn)酸菌和甲烷細(xì)菌的作用再分解為甲烷和二氧化碳。這樣，即可產(chǎn)生一定量的沼氣（約含60%70%甲烷，熱值約為23100KJ/m），又可治理環(huán)境，經(jīng)嫌氣發(fā)酵（消化）后的殘?jiān)€能用作肥料，有的還能用于飼料。 好氣發(fā)酵（活性污泥）法 指在好氣（曝氣）情況下，用某些能降解有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)菌膠的細(xì)菌和某些原蟲的混合物（活性污泥）對(duì)工業(yè)或生活污水進(jìn)行處理。 目前正在尋找更合適的微生物，特別是能降解酚、有機(jī)酸、有機(jī)磷、有機(jī)金屬化合物的菌種。緒論 7.生物技術(shù)應(yīng)用于金屬浸取 利用氧化亞鐵硫菌等自養(yǎng)細(xì)菌可把亞鐵氧化為高鐵，把硫、低價(jià)硫

27、化物為硫酸的性能，將含硫金屬礦石中的金屬離子形成硫酸鹽而釋放出來?？捎么朔ń〉慕饘儆秀~、鈷、鋅、鉛、鈾、金等。目前在美國(guó)約有10%的銅用此法生產(chǎn)。我國(guó)也有用此法生產(chǎn)銅和金。 8.生物技術(shù)應(yīng)用于高技術(shù)研究開發(fā) 有些生物技術(shù)產(chǎn)品本身就是為生物技術(shù)服務(wù)的，如基因工程中用的限制性內(nèi)切酶、連結(jié)酶、DNA探針等。醫(yī)學(xué)診斷或工業(yè)過程檢測(cè)用的生物傳感器。另有生物芯片也正在研究中。 綜上可見，生物技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，相信隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的不斷成熟，生物技術(shù)的應(yīng)用也將更為廣闊，這對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民保健、社會(huì)福利的貢獻(xiàn)也將更為巨大。緒論 四、生化工藝研究的對(duì)象及任務(wù) 生物工藝原理是一門以生物代謝過程和對(duì)代謝過程的

28、控制，獲得生物產(chǎn)品共性原理為研究對(duì)象的學(xué)科。探討生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的共性為目的，從工藝角度闡明細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物與細(xì)胞的培養(yǎng)條件之間的相互關(guān)系，為生產(chǎn)近程的優(yōu)化提供理論依據(jù)。課程內(nèi)容包括工業(yè)微生物菌種的選育與種子培養(yǎng)、發(fā)酵，培養(yǎng)基的配制，培養(yǎng)基和空氣的滅菌，發(fā)酵機(jī)理，生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，生產(chǎn)過程的檢測(cè)與控制，發(fā)酵生產(chǎn)染菌及防治，固定化酶和固定化細(xì)胞及應(yīng)用，動(dòng)植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)等內(nèi)容。 課程的任務(wù)是：學(xué)生在已學(xué)過微生物學(xué)、生物化學(xué)、化工原理等課程的基礎(chǔ)上，深入理解生產(chǎn)過程的工藝原理，進(jìn)一步深化和提高所學(xué)的基本知識(shí)，從而使學(xué)生具有選育新菌種，探求新工藝、新設(shè)備和從事生物產(chǎn)品研發(fā)的能力。并能夠應(yīng)用基本

29、理論去分析和解決生產(chǎn)過程中的具體問題，改造原有不合理的生產(chǎn)過程，使之更符合客觀規(guī)律。種子制備 第二章 種子制備 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 第二節(jié) 菌種的選育 第三節(jié) 種子的擴(kuò)大培養(yǎng) 第四節(jié) 種子質(zhì)量的控制 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 一、常見工業(yè)微生物菌種 工業(yè)上經(jīng)常用到的微生物和經(jīng)常遇到的雜菌主要有細(xì)菌、放線菌、霉菌、酵母菌、病毒等。 1細(xì)菌 細(xì)菌是自然界分布最廣、數(shù)量最多、與人類關(guān)系最密切的一類微生物，屬單細(xì)胞原核生物，體積很小，以較典型的二分分裂方式繁殖。其基本結(jié)構(gòu)是核區(qū)、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞膜、細(xì)胞壁，一般都具有核糖體、質(zhì)粒，部分細(xì)菌有鞭毛、莢膜或產(chǎn)生芽孢。細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)，環(huán)狀DNA染色體復(fù)制，

30、細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)等組分同時(shí)增加一倍，然后在細(xì)胞中部產(chǎn)生一橫段間隔，染色體分開，繼而間隔分裂形成兩個(gè)相同的子細(xì)胞。如間隔不完全分裂就形成鏈狀細(xì)胞。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 工業(yè)生產(chǎn)常用的細(xì)菌主要是桿菌，如枯草芽孢桿菌、醋酸桿菌、棒狀桿菌、短桿菌等。用于生產(chǎn)淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等 2放線菌 放線菌因菌落呈放線狀而得名。它是一個(gè)原核生物類群，在自然界中分布很廣，尤其在含有機(jī)質(zhì)豐富的微堿性土壤中較廣。大多腐生，少數(shù)寄生。放線菌主要以無性孢子進(jìn)行繁殖，也可借菌絲片段進(jìn)行繁殖。后一種繁殖方式見于液體沉沒培養(yǎng)中。其生長(zhǎng)方式是菌絲末端伸長(zhǎng)和分支，彼此交錯(cuò)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為菌絲體。菌絲長(zhǎng)度既受遺傳性

31、的控制，又與環(huán)境相關(guān)。在液體沉沒培養(yǎng)中由于攪拌器的剪應(yīng)力作用，常常形成短的分支旺盛的菌絲體，或呈分散生長(zhǎng)，或呈菌絲團(tuán)狀生長(zhǎng)。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 目前放線菌最大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值在于能產(chǎn)生多種抗生素。從微生物中發(fā)現(xiàn)的抗生素，又60%以上是放線菌產(chǎn)生的，如鏈霉素、紅霉素、金霉素、慶大霉素等。常用的放線菌主要來自一下幾個(gè)屬：鏈霉菌屬、小單孢菌屬和諾卡菌屬等。此外，放線菌在甾體轉(zhuǎn)化、石油脫蠟、烴類發(fā)酵、污水處理方面也有所應(yīng)用。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 3霉菌 霉菌不是一個(gè)分類學(xué)上的名詞。凡生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)上形成絨毛狀、網(wǎng)狀或絮狀菌絲的真菌統(tǒng)稱為霉菌。霉菌在自然界分布很廣，大量存在于土壤、空氣、水和生

32、物體內(nèi)外等處。它喜歡偏酸性環(huán)境，大多數(shù)為好氧性，多腐生，少數(shù)寄生。霉菌的繁殖能力很強(qiáng)，它以無性孢子和有性孢子進(jìn)行繁殖，多以無性孢子繁殖為主。其生長(zhǎng)方式是菌絲末端的伸長(zhǎng)和頂端分支，彼此交錯(cuò)呈網(wǎng)狀。菌絲的長(zhǎng)度既受遺傳性的控制，又受環(huán)境的影響，其分支數(shù)量取決于環(huán)境條件。菌絲或呈分散生長(zhǎng)，或呈菌絲團(tuán)狀生長(zhǎng)。 工業(yè)上常用的霉菌有：藻狀菌綱的根霉、毛霉、犁頭霉，子囊菌綱的紅曲霉，半知菌類的曲霉、青霉等。它們可用于生產(chǎn)多種霉制劑、抗生素、有機(jī)酸及甾體激素等。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 4酵母菌 酵母菌為單細(xì)胞真核生物，在自然界中普遍存在，主要分布于含糖較多的酸性環(huán)境中，如水果、蔬菜、花蜜和植物葉子上，以及果

33、園土壤中。石油酵母較多地分布在油田周圍的土壤中。酵母菌多為腐生，常以單個(gè)細(xì)胞存在，以發(fā)芽形式進(jìn)行繁殖，母細(xì)胞體積長(zhǎng)到一定程度時(shí)就開始發(fā)芽。芽長(zhǎng)大的同時(shí)母細(xì)胞縮小，在母子細(xì)胞間形成隔膜，最后形成同樣大小的母細(xì)胞，如果子芽不與母細(xì)胞脫離就形成鏈狀細(xì)胞，稱為假菌絲。在發(fā)酵生產(chǎn)旺期，常出現(xiàn)假菌絲。 酵母菌是人類最早大規(guī)模利用的微生物，目前工業(yè)上用的酵母菌有：啤酒酵母、假絲酵母、類酵母等。分別用于釀酒、制造面包、生產(chǎn)脂肪酶以及生產(chǎn)可食用、藥用和飼料用酵母菌體蛋白等。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 5噬菌體 噬菌體是一些專門感染菌類的病毒的總稱。病毒是一類比細(xì)菌小，沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不能獨(dú)立生活的微生物。病毒雖

34、然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形體極其微小，甚至在細(xì)胞外不表現(xiàn)出生命活性，但一旦侵入活細(xì)胞，就會(huì)利用宿主細(xì)胞提供的原料、能量和合成場(chǎng)所，在細(xì)胞內(nèi)合成病毒，并最后導(dǎo)致宿主細(xì)胞破裂，釋放出大量合成好的新病毒。 在發(fā)酵工業(yè)中，一旦污染了噬菌體，輕則使發(fā)酵周期延長(zhǎng)，發(fā)酵單位產(chǎn)量下降，重則造成“倒罐”，使發(fā)酵失敗，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 二、工業(yè)微生物菌種的篩選 微生物菌種使工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的重要條件，優(yōu)良菌種不僅能提高發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量、原料的利用率，而且縮短生產(chǎn)周期，改進(jìn)工藝條件等密切相關(guān)。因此，必須充分重視優(yōu)良菌種的篩選、選育、保藏和培養(yǎng)等工作。而這其中，篩選得到一個(gè)優(yōu)良的菌株是第一步。 1微生物生物

35、產(chǎn)物的來源 不管過去、現(xiàn)在和將來，微生物都是各種生物活性產(chǎn)物的豐富資源。微生物產(chǎn)生的生物活性物質(zhì)很多，有初級(jí)代謝產(chǎn)物，如氨基酸、維生素等；有次級(jí)代謝產(chǎn)物，如抗生素等。要獲得所需生物特性的新產(chǎn)物，關(guān)鍵在于兩點(diǎn)，一是生物產(chǎn)物的來源微生物的選擇；二是采用什么樣的篩選方案（檢測(cè)系統(tǒng)）。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 盡管從發(fā)現(xiàn)微生物到現(xiàn)在的幾百年間，科學(xué)家們對(duì)微生物做了大量的研究工作，但目前人們對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)還是十分不夠的。已經(jīng)初步研究的不超過自然界微生物總量的10%左右。微生物的代謝產(chǎn)物據(jù)統(tǒng)計(jì)已超過一千三百多種，而大規(guī)模生產(chǎn)的不超過一百多種；微生物酶有近千種，而工業(yè)利用的不過四五十種?？梢姖摿κ呛艽蟮摹?/p>

36、過去的60多年里，重點(diǎn)放在篩選醫(yī)療用途的抗生素。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 抗細(xì)菌治療方面：青霉素、頭孢菌素和四環(huán)類抗生素；抗癌、抗真菌感染方面：絲裂霉素、灰黃霉素等；其他治療方面：高血壓藥物、血膽甾醇過少藥和免疫調(diào)節(jié)劑。 由于微生物細(xì)胞的內(nèi)含物及其周圍的培養(yǎng)基成分極其復(fù)雜，且所需的產(chǎn)物可能每毫升只有微微克到毫克這樣一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此不管尋找哪一類生物活性物質(zhì)，在選擇篩選方法時(shí)必須考慮選擇性和靈敏度兩個(gè)方面，即需要靈敏度很高的專一性檢測(cè)方法。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 2待篩選樣品的性質(zhì) 尋找能夠產(chǎn)生新產(chǎn)物的微生物，在其培養(yǎng)時(shí)可用固體或液體培養(yǎng)基培養(yǎng)，并進(jìn)行篩選。但次級(jí)代謝產(chǎn)物的大規(guī)模生產(chǎn)是用

37、沉沒培養(yǎng)法在液體培養(yǎng)基中進(jìn)行的，由于在固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基中產(chǎn)生的次級(jí)代謝物的方式不一樣，為了和后面的工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)保持一致，因此有些廠家在研究初期就以液體培養(yǎng)法為惟一的篩選培養(yǎng)方法。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 3篩選方案的設(shè)計(jì) 對(duì)于微生物產(chǎn)生的活性物質(zhì)，基本上可利用以下三種不同的篩選方法：整體生物；完整細(xì)胞；亞細(xì)胞制劑。第一種是最直接的、在體內(nèi)篩選活性物質(zhì)的方法，但考慮到可處理的樣品少，費(fèi)用高和篩選方法不夠靈敏，用這種方法作為初篩是不妥的。一般在初篩中可以使用完整細(xì)胞檢測(cè)是否有活性物質(zhì)產(chǎn)生。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 三、微生物選擇性分離的原理 可根據(jù)微生物的生態(tài)特點(diǎn)從自然界取樣分離所需菌

38、種。如從堆積枯枝、落葉和朽木的地方分離產(chǎn)纖維素酶的菌種，從果皮上分離酒精酵母，從油田附近土壤中得到石油酵母，從污泥中得到甲烷產(chǎn)生菌，從海洋中可分離到耐鹽和低溫產(chǎn)生菌。如果預(yù)先不了解某種生產(chǎn)菌的具體來源，一般從土壤種分離，采土方式一般是先除去表土，取離地面515cm處的土樣。 在過去的60多年里曾篩選出許多產(chǎn)生新的有用的次級(jí)代謝物的菌種。這些菌種多半是以經(jīng)驗(yàn)式的篩選方法獲得的。大多數(shù)的抗生素均由放線菌屬產(chǎn)生。下面介紹放線菌屬為主的分離方法原理的發(fā)展。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 選擇性分離方法大致可分為五個(gè)步驟：含微生物材料的選擇；材料的預(yù)處理；所需菌種的分離；菌種的培養(yǎng)；菌落的選擇。以上任何一個(gè)

39、階段都可引入選擇壓力。 1含微生物材料的選擇 在選擇菌種來源時(shí)，存在一些選擇標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于天然材料，如土壤的選擇，來源越是廣泛的樣品，含有目的類型的微生物的可能性越大，越有可能獲得新菌種；另一方面，可尋找已適應(yīng)相當(dāng)苛刻的環(huán)境壓力的微生物類群。這種方法已獲得某些成功（見表2-1）。從被污染的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基中分離出嗜鹽菌，從鹽場(chǎng)分離出嗜鹽鏈霉菌，說明在富鹽環(huán)境中存在一類尚待開發(fā)的放線菌。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 在酸性土壤圈的放線菌類群與其緊接下層的中性圈的放線菌類群有很大的不同。因此，也有可能利用同一生態(tài)環(huán)境內(nèi)的不同環(huán)境條件分離出更多種類的菌株。自然環(huán)境的菌群也會(huì)因人類的活動(dòng)而改變，如土壤中加入去莠

40、津會(huì)導(dǎo)致放線菌菌群數(shù)量的增加。 還有一些新的生態(tài)環(huán)境仍有待開發(fā)。例如，有人從Componia的根瘤中分離出一株放線菌，并從白蟻的腸子里分離出一株類似放線菌的細(xì)菌。但迄今仍很少有人從厭氧微生物中篩選次級(jí)代謝產(chǎn)物。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 表2-1 能適應(yīng)極端環(huán)境條件的放線菌產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物微生物產(chǎn) 物微生物產(chǎn) 物嗜冷的鏈霉菌屬抗生素SP351海洋鏈霉菌Aplasmomycin嗜熱的鏈霉菌屬榴菌酸耐高滲鏈霉菌未鑒別的抗生素嗜熱的抗生素高溫放線菌嗜溫紅霉素嗜堿鏈霉菌經(jīng)鑒別的抗生素耐高溫Saccharopolyspora hirsutaSporaricin嗜酸鏈霉菌各種抗生素第一節(jié) 工業(yè)微生物菌

41、種概述 2材料的預(yù)處理 為了提高從原材料中分離出所需菌種的效果，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種預(yù)處理材料的方法。表2-2列出處理放線菌材料的各種方法。 物理方法有加熱、過濾、離心等。熱處理通?？蓽p少材料中的細(xì)菌數(shù)。因?yàn)樵S多放線菌的繁殖體、孢子（如鏈霉菌）和菌絲片段（如紅球菌）比G細(xì)菌細(xì)胞更耐熱。因此加熱能減少細(xì)菌同放線菌的比例，但同時(shí)也減少了放線菌的數(shù)目。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 表2-2 材料的預(yù)處理方法方 法處理方式材 料分離出的菌體物理方法加熱：55，6min1001h，4026h膜過濾法離心法在沉淀池中攪拌水、土壤、糞肥土壤、根土水海水、污泥發(fā)霉的稻草嗜糞紅球、小單孢菌屬等鏈霉菌屬、馬拉杜菌屬、小

42、雙孢菌屬小單孢菌屬、內(nèi)孢高溫放線菌鏈霉菌屬嗜熱放線菌化學(xué)方法養(yǎng)料中加1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）幾丁質(zhì)培養(yǎng)用CaCO3提高pH進(jìn)行培養(yǎng)土壤土壤鏈霉菌屬鏈霉菌屬誘餌法用涂石蠟的棒置于碳源培養(yǎng)基中花粉蛇皮人的頭發(fā)土壤土壤土壤土壤諾卡氏菌游動(dòng)放線菌屬小瓶菌屬角質(zhì)菌屬第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 當(dāng)樣品中的細(xì)胞數(shù)較少時(shí)（如水），通常采用膜過濾法濃縮樣品中的細(xì)胞。將濾膜置于培養(yǎng)基的表面，放置幾個(gè)小時(shí)后移去，或一直留在上面。濾膜的品種對(duì)收集菌的類型有重要的影響。處理放線菌繁殖體含量很低的海水，可先將樣品離心后再過濾。 收集在腐爛的稻草和其他植物材料中的嗜熱放線菌孢子可在空氣攪動(dòng)下進(jìn)行。并可用一風(fēng)筒或一簡(jiǎn)單的沉淀室收集孢

43、子。然后，用取樣器將空氣撞擊在含培養(yǎng)基的平板上。這樣可以減少分離平板中的細(xì)菌數(shù)目。也有在分離前加一些固體基質(zhì)（如把幾種基質(zhì)加在土壤中）或?yàn)⑿┛扇苄责B(yǎng)分來強(qiáng)化培養(yǎng)基。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 所謂誘餌技術(shù)是將固體基質(zhì)加到待檢的土壤或水中，待其菌落長(zhǎng)成后再鋪平板。有人曾廣泛使用石蠟棒技術(shù)來分離諾卡氏菌；用各種誘餌法從土壤中分離耐酸放線菌，游動(dòng)放線菌科的某些屬產(chǎn)生的游動(dòng)孢子。有人用花粉誘餌從土壤中分離出13株小瓶菌，其中有些是新種或亞種。 3所需菌種的分離 所需菌種的分離效率取決于分離培養(yǎng)基的養(yǎng)分、pH和加入的選擇性抑制劑。表2-3列舉了分離放線菌的各種培養(yǎng)基配方。一般憑經(jīng)驗(yàn)而不是絕對(duì)性選擇。

44、第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 表2-3 用于選擇性分離放線菌的若干培養(yǎng)基主要成分占優(yōu)勢(shì)的分離株膠態(tài)幾丁質(zhì)，礦物鹽鏈霉菌，微單孢菌基質(zhì)濃度減半的營(yíng)養(yǎng)瓊脂嗜熱放線菌淀粉、酪蛋白、礦物鹽鏈霉菌，微單孢菌葡萄糖、天冬酰胺、礦物鹽土壤浸液、維生素馬杜拉放線菌、小雙孢菌、鏈孢囊菌瓊脂（診斷靈敏度試驗(yàn)）諾卡氏菌礦物鹽、丙酸鈉、硫胺素（M3瓊脂）紅球菌、小單孢菌第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 其中廣泛應(yīng)用的是幾丁質(zhì)、淀粉-酪素和M3瓊脂三種培養(yǎng)基。 幾丁質(zhì)培養(yǎng)基常用來分離土壤和水中的放線菌。但測(cè)試過的500株鏈霉菌和其他放線菌中，只有25的菌種具有強(qiáng)的水解幾丁質(zhì)的能力。許多放線菌生長(zhǎng)在能利用幾丁質(zhì)的可作為放線菌碳與

45、氮源的“食腐菌”上，而其本身卻不利用幾丁質(zhì)。 在淀粉-酪素培養(yǎng)基中長(zhǎng)出的放線菌種類與幾丁質(zhì)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的相似，但其菌落的密度更大、色素更多，同時(shí)細(xì)菌也容易生長(zhǎng)。于這種培養(yǎng)基中加入4.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaCl，有利于鏈霉菌生長(zhǎng)，但不是所有的鏈霉菌都能耐受這一濃度的NaCl。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 M3培養(yǎng)基是選擇性分離培養(yǎng)基中較好的一種，這種養(yǎng)分貧乏的培養(yǎng)基阻滯鏈霉菌的生長(zhǎng)，因而容易分離到其他菌屬如紅球菌。 因大多數(shù)放線菌都是嗜中性的，分離培養(yǎng)基的pH通常在6.77.5之間。如要分離嗜酸放線菌，pH宜降低到4.55.0。有人從堿性的加拿大土壤中分離出嗜堿鏈霉菌，它不能生長(zhǎng)在低于pH6.16

46、.8的條件下。估計(jì)嗜堿性放線菌也可能存在于其他堿性環(huán)境中。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 在分離培養(yǎng)基中加入抗生素來增加選擇性是廣泛采用的一種方法。在篩選放線菌時(shí)，可加入抗真菌抗生素，因?yàn)榭拐婢股貙?duì)放線菌無作用，但不能用抗細(xì)菌抗生素，因?yàn)榉啪€菌對(duì)它們也很敏感。如分離種類較廣的放線菌，在分離培養(yǎng)基中加抗細(xì)菌抗生素時(shí)會(huì)使得放線菌及其細(xì)菌的數(shù)量同時(shí)減少，但如果分離的種類不那么廣，可加入放線菌能耐受的抗生素，如培養(yǎng)基中加入新生霉素（25g/mL）和亞胺環(huán)己酮（50g/mL）能分離出普通高溫放線菌。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 4菌落的培養(yǎng) 由于放線菌分離平板通常在2530培養(yǎng)，嗜熱菌的培養(yǎng)溫度為4555

47、，而嗜冷菌的培養(yǎng)溫度則為410，故培養(yǎng)的主要變量為培養(yǎng)時(shí)間。分離嗜溫菌如鏈霉菌和小單孢菌一般培養(yǎng)714天；嗜熱菌如高溫放線菌只需l2天。有時(shí)培養(yǎng)時(shí)間短會(huì)漏掉一些新的和不尋常的菌株，因此有人在30和40將培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)到1個(gè)月，結(jié)果分離出一些不尋常的種屬。也有人在20培養(yǎng)6周從海水中獲得放線菌。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 5菌落的選擇 菌落的選擇常常是分離步驟中最易受挫折和最耗時(shí)間的階段。采用怎樣的選擇菌落方式取決于篩選的最終目的。 如要分離某一屬的放線菌，?？梢杂蔑@微鏡觀察分離平板的方法作鑒別。宜用高倍接物鏡和長(zhǎng)的操作距離。但這種方法一般不易區(qū)分分離平板同一屬的不同種，故篩選大量菌落時(shí)，會(huì)多次

48、重復(fù)浪費(fèi)精力。常用以下兩種篩選方法。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 （1）鋪菌法 于分離平板上鋪一層單一的試驗(yàn)菌的辦法可用來測(cè)定各個(gè)菌落的抗生素生產(chǎn)能力。 （2）復(fù)印平板法 將菌落復(fù)印在平板上的辦法來研究它們對(duì)一系列試驗(yàn)菌的作用。 雖然這類方法可避免大量移植分離平板上所有菌落的麻煩，但這兩種方法都有缺點(diǎn)。鋪菌法會(huì)使所需要的菌落污染，并且只能在每個(gè)平板上鋪上一種試驗(yàn)菌。菌落復(fù)印平板法對(duì)不長(zhǎng)孢子的鏈霉菌則不能使用，也不適用游動(dòng)細(xì)菌的篩選。因此需要設(shè)計(jì)一種更為有效的篩選新菌種的方法。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 四、重要工業(yè)微生物的分離 篩選具有潛在工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的微生物的第一個(gè)階段是分離，分離是指獲得純的

49、或混合的培養(yǎng)物。接著篩選出那些能產(chǎn)生所需產(chǎn)物或具有某種生化反應(yīng)的菌種。根據(jù)分離的菌種不同，有時(shí)可以設(shè)計(jì)出一種在分離階段便能識(shí)別所需菌種的方法；有時(shí)則先用特定的分離方法分離微生物，隨后再去識(shí)別所需生產(chǎn)菌株。值得注意的是，在要求獲得高產(chǎn)菌株的同時(shí)，還應(yīng)考慮推廣到生產(chǎn)過程時(shí)的經(jīng)濟(jì)問題。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 在篩選所需菌株時(shí)宜考慮的一些重要指標(biāo)：菌的營(yíng)養(yǎng)特征。在發(fā)酵過程中，常會(huì)遇到要求采用廉價(jià)的培養(yǎng)基或使用來源豐富的原料，如用甲醇作為能源，一般用含有這種成分的分離培養(yǎng)基便可篩選出能適應(yīng)這種養(yǎng)分的菌種。菌的生長(zhǎng)溫度應(yīng)選擇溫度高于40的菌種。這樣可以大大降低大規(guī)模發(fā)酵的冷卻成本。因此用這一溫度來分

50、離培養(yǎng)高溫產(chǎn)生菌在經(jīng)濟(jì)上是有利的。菌對(duì)所采用的設(shè)備和生產(chǎn)過程的適應(yīng)性。菌的穩(wěn)定性。產(chǎn)物的最終得率和產(chǎn)物在培養(yǎng)液中的濃度。容易從培養(yǎng)液中回收產(chǎn)物。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 -是用來衡量分離得到的菌種的生產(chǎn)性能，篩選出的菌種如能滿足這幾條便有希望成為效益高的生產(chǎn)菌種。但在投人生產(chǎn)之前還必須對(duì)其產(chǎn)物的毒性和菌種的生產(chǎn)性能做出評(píng)價(jià)。 以上所述菌種有些必須從自然環(huán)境中通過多種方法分離得到。鑒于在自然環(huán)境中所含的無數(shù)的微生物中，只有極少數(shù)是有用的，因而工業(yè)微生物學(xué)者也可從菌種保藏委員會(huì)中索取。盡管通常購買得到的菌種性能一般比較弱，但被證實(shí)是具有符合要求的特性后，要比從自然環(huán)境中分離更為經(jīng)濟(jì)，至少可作為模

51、型來改良和發(fā)展分析技術(shù)，然后再用于評(píng)定天然分離株。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 理想的分離步驟一般是從土壤環(huán)境開始的，土壤中富于各種所需的菌。設(shè)計(jì)的分離步驟應(yīng)有利于具有工業(yè)重要特性的菌的生長(zhǎng)，如加入某些對(duì)其他類型菌生長(zhǎng)不利的化合物或采用選擇性培養(yǎng)條件。 1施加選擇壓力的分離方法 （1）富集液體培養(yǎng) 富集液體培養(yǎng)是指能增加混合菌群中所需菌株的數(shù)量的一種技術(shù)。方法的原理是給混合菌群提供一些有利于所需菌株生長(zhǎng)或不利于其他菌型生長(zhǎng)的條件。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 例如，供給特殊的基質(zhì)或加入某些抑制劑。但應(yīng)注意的是，所需類型的菌種生長(zhǎng)的結(jié)果有時(shí)會(huì)改變培養(yǎng)基的性質(zhì)，從而改變選擇壓力，使其他微生物也能生長(zhǎng)

52、。通過把富集培養(yǎng)物接種到新鮮的同一培養(yǎng)基可以重新建立選擇壓力。重復(fù)移植幾次后接種少量已富集的培養(yǎng)物到固體培養(yǎng)基上，可將占優(yōu)勢(shì)的微生物分離出來。這里，移種的時(shí)間是關(guān)鍵，應(yīng)在所需菌種占優(yōu)勢(shì)的情況下移種。用連續(xù)培養(yǎng)，通過改變限制性基質(zhì)濃度可以控制兩種菌的比生長(zhǎng)速率，如圖2-1所示。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 當(dāng)基質(zhì)濃度低于r時(shí)，菌株B將維持比菌株A高的比生長(zhǎng)速率；而高于r時(shí)，菌株A的比生長(zhǎng)速率較高。因而通過改變稀釋速率進(jìn)行富集培養(yǎng)便能分離到所需要的菌種。用連續(xù)富集技術(shù)分離連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)的菌種特別適合。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 因?yàn)閺姆峙患蛷墓腆w培養(yǎng)基上純化而得的微生物，在連續(xù)培養(yǎng)中的適應(yīng)性很差

53、。富集方法還可用于分離具有某種工業(yè)生產(chǎn)特性的菌株，如分離一種能適應(yīng)簡(jiǎn)單培養(yǎng)基的菌種，這樣不僅生產(chǎn)成本低，且不易污染雜菌；又如采用較高的分離溫帶，有可能分離出在發(fā)酵生產(chǎn)中少用冷卻水的菌種。 連續(xù)富集方法，應(yīng)先進(jìn)行分批培養(yǎng)，接種量20%，生長(zhǎng)開始后即移種到新鮮培養(yǎng)基中，進(jìn)行富集培養(yǎng)，并應(yīng)定期接種土壤浸液或污水，這不僅能分離到有潛力的菌種，還可以考驗(yàn)所需菌種是否耐污染。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 為了防止連續(xù)分離過程中菌體的早期洗出，可采用恒濁器或二級(jí)恒化器。恒濁器中具有一光電池，用以測(cè)定培養(yǎng)物的濁度和通過上下限兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)來啟動(dòng)和中止培養(yǎng)基的加入，以維持一定的濁度，這樣便能避免培養(yǎng)物的洗出。這個(gè)方法

54、的缺點(diǎn)是不夠靈活，不能像恒化器那樣改變稀釋速率的范圍。另一個(gè)方法是把二級(jí)恒化器中的第一級(jí)用作第二階段恒化器的連續(xù)種子來源。它帶有一個(gè)裝有基礎(chǔ)培養(yǎng)基并接種了土壤浸液的大瓶。采用連續(xù)接種方法直到第二級(jí)的光密度增加為止。 用連續(xù)富集培養(yǎng)方法可以篩選出能共生的穩(wěn)定混合培養(yǎng)物。例如用甲烷作為碳源在連續(xù)富集培養(yǎng)中篩選到一株含有甲烷營(yíng)養(yǎng)型的共生菌。甲烷營(yíng)養(yǎng)型在純型純種培養(yǎng)下的生長(zhǎng)速率，生產(chǎn)率和培養(yǎng)物的穩(wěn)定性總是比混合菌差。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 （2）固體培養(yǎng)基的使用 固體培養(yǎng)基常用于分離某些酶產(chǎn)生菌，其選擇培養(yǎng)基中常含有所需的基質(zhì)，以便促使酶產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)。有人用這種方法分離產(chǎn)生堿性蛋白酶的芽孢桿菌屬

55、。用不同pH的土壤作為初始種子，分離獲得堿性蛋白酶產(chǎn)生菌，其數(shù)目與土壤樣品的酸堿度有關(guān)。一般從堿性土壤中可以收集到眾多的產(chǎn)生菌。土壤須經(jīng)巴氏法消毒，以減少不產(chǎn)孢子的微生物。然后鋪在pH910的瓊脂培養(yǎng)基（含有均勻的不溶性蛋白質(zhì)）表面。堿性蛋白酶產(chǎn)生菌能消化平板上的不溶性蛋白，產(chǎn)生一清晰圈。清晰圈的大小雖然不能完全作為選擇高產(chǎn)菌的依據(jù)，但這一例子說明選擇起始材料的重要性和在分離中應(yīng)用選擇壓力和初步鑒定試驗(yàn)的重要意義。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 2隨機(jī)分離方法 有些微生物的產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)生菌的篩選沒有任何選擇性優(yōu)勢(shì)可以被使用來找出針對(duì)的一種分離方法。因此常隨機(jī)地分離所需菌種，并為此發(fā)展了一些快速篩選方法

56、和歸納出高產(chǎn)培養(yǎng)基成分的選擇性準(zhǔn)則如下：制備一系列的培養(yǎng)基，其中有各種類型的養(yǎng)分成為生長(zhǎng)限制因素（即C、N、P、O）；使用一聚合或復(fù)合形式的生長(zhǎng)限制養(yǎng)分；避免使用容易同化的碳（葡萄糖）或氮（NH4），因?yàn)樗鼈兛赡芤鸱纸獯x阻遏；確定含有所需的輔因子（CO2、Mg2+、Mn2+、Fe2+）；加入緩沖液以減少pH變化。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 （1）抗生素產(chǎn)生菌篩選 讓潛在的產(chǎn)生菌生長(zhǎng)在含有試驗(yàn)菌的平板上可以鑒定產(chǎn)生菌的抗微生物作用。也可以將微生物分離株生長(zhǎng)在液體培養(yǎng)基中，檢測(cè)其無細(xì)胞濾液的抗菌活性。使用液體培養(yǎng)基作為初篩可以避免在瓊脂平板上培養(yǎng)與沉浸培養(yǎng)的不一致，但其工作需要更大的空間和設(shè)施

57、。 因單獨(dú)用枯草桿菌做試驗(yàn)菌不能檢出對(duì)枯草桿菌活性低，對(duì)其他試驗(yàn)菌活性高的新抗生素。采用聯(lián)合試驗(yàn)菌可以分離出它們。黃色霉素(Kirromycin)族的抗生素便是用這類方法找到的。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 用一種很專一的篩選技術(shù)可以檢出新的抗菌藥物。例如通過鑒定氨卞青霉素與測(cè)試樣品之間對(duì)-內(nèi)酰胺酶產(chǎn)生菌克雷白氏菌的協(xié)同抑制作用，發(fā)現(xiàn)了一種-內(nèi)酰胺酶抑制劑棒酸。Glaxo公司的研究工作者利用體外酶篩選法篩選羧肽酶的抑制劑，此酶負(fù)責(zé)細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖的交聯(lián)。 （2）藥理活性化合物的篩選 篩選能抑制人們代謝某一個(gè)關(guān)鍵酶的微生物產(chǎn)物的原理是一種化合物，例如在體外抑制一關(guān)鍵人體酶，它可以在體內(nèi)具有藥理作用

58、。若將體外篩選出的活性化合物，再用動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)，可篩選出新的藥理活性化合物。 第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 （3）生長(zhǎng)因子產(chǎn)生菌的篩選 生長(zhǎng)因子如氨基酸和核苷酸的生產(chǎn)不能作為分離步驟中的選擇壓力，可用隨機(jī)辦法分離產(chǎn)生菌，并通過隨后的篩選試驗(yàn)檢出產(chǎn)生菌。通過觀察分離株能否促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)缺陷型的生長(zhǎng)，便可檢出生長(zhǎng)因子產(chǎn)生菌。大多數(shù)的氨基酸產(chǎn)生菌屬于節(jié)桿菌、微細(xì)菌、短桿菌、微球菌和棒桿菌屬。故篩選這類菌時(shí)，可在分離培養(yǎng)基中加入抗真菌化合物如亞胺環(huán)己酮，以排除真菌。氨基酸產(chǎn)生菌的初篩一般在固體培養(yǎng)基上進(jìn)行。將含有3050個(gè)菌落的分離平板影印到能導(dǎo)致氨基酸生產(chǎn)和菌生長(zhǎng)的固體培養(yǎng)基上約23天。用紫外線殺死長(zhǎng)好的菌落

59、，然后在其上面鋪上一層含營(yíng)養(yǎng)缺陷型（缺陷所需產(chǎn)物）的菌懸液的瓊脂，在37培養(yǎng)16h后，檢定菌應(yīng)在產(chǎn)生菌的周圍有一生長(zhǎng)圈，這樣便可從原來的被影印的平板上分離到所需的產(chǎn)生菌。接著將其培養(yǎng)在液體培養(yǎng)基中作定量分析，測(cè)定其濾液的氨基酸濃度。第一節(jié) 工業(yè)微生物菌種概述 （4）多糖產(chǎn)生菌的篩選 曾從各種環(huán)境中分離出多糖產(chǎn)生菌，有人認(rèn)為制糖工業(yè)污水中可能含有很多這種菌種。從這種環(huán)境獲得的分離株，可在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基中生長(zhǎng)。并可從菌落的黏液狀外觀識(shí)別這類產(chǎn)生菌。 據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用普通的初篩方法，篩選100 000個(gè)土壤微生物（放線菌），只能發(fā)現(xiàn)550個(gè)新化合物，并且不能保證從這些新化合物中一定能發(fā)現(xiàn)新藥或其他

60、有價(jià)值的化合物。然而，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，分子遺傳學(xué)和基因工程技術(shù)的應(yīng)用，建立在新型靶位基礎(chǔ)上的定靶篩選方法，可大大提高新化合物的發(fā)現(xiàn)率。 經(jīng)自然界分離、篩選獲得的有價(jià)值的菌種，在用于工業(yè)生產(chǎn)之前必須經(jīng)人工選育以得到具一定生產(chǎn)能力的菌種。特別是用于醫(yī)藥上的抗生素，還需通過一系列的安全試驗(yàn)及臨床試驗(yàn)，以確定是否是一種有效而安全的新藥。第二節(jié) 菌種的選育 20世紀(jì)40年代抗生素工業(yè)的興起推動(dòng)了微生物遺傳學(xué)的發(fā)展，而微生物遺傳變異規(guī)律的研究又促使以抗生素為主的微生物發(fā)酵工業(yè)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)了極有價(jià)值的藥物和輕化工產(chǎn)品。發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展除了發(fā)酵工藝和設(shè)備得以改進(jìn)外，其決定因素是優(yōu)良菌種的獲得。從自然界獲