生物工藝學(xué)概論市公開課獲獎?wù)n件

1、 第章: 緒論1.1、生物工藝學(xué)概論1.1.1生物工藝學(xué)定義和特點 生物工藝學(xué)（biotechnology），普通也稱為：發(fā)酵工程（ Fermentation Engineering ）或微生物工程（ Microorganisms Engineering ）. 概念:利用微生物在有氧或無氧條件下生命(長代謝)活動,通過當(dāng)代工程技術(shù),來制備微生物菌體本身或其直接代謝產(chǎn)物或另一方面級代謝產(chǎn)物過程 。 第1頁第1頁第2頁第2頁發(fā)酵產(chǎn)品分為2類：菌體本身：如菌體飼料代謝產(chǎn)物：如氨基酸第3頁第3頁生物工藝學(xué)定義和特點歸納起來可有三個特點：2）反應(yīng)中需有生物催化劑參與；3）其最后目是建立工業(yè)生產(chǎn)過程或進行

2、社會服務(wù).1）生物技術(shù)是一門多學(xué)科、綜合性科學(xué)技術(shù)；第4頁第4頁需具備條件:1.需要某種適宜微生物；2.要確?；蚩刂莆⑸镞M行代謝各種條件;3.要有進行微生物發(fā)酵和產(chǎn)物提取,精制設(shè)備; 第5頁第5頁1.1.2 生物催化劑特性 生物催化劑是游離或固定化細胞或酶總稱。它們在生物反應(yīng)過程中起著催化劑作用。見表ll第6頁第6頁A: 與化學(xué)催化劑相比，生物催化劑含有能使反應(yīng)物（底物或基質(zhì)）在常溫、常壓下反應(yīng)；反應(yīng)速率快；催化作用專一；普通情況下價格較低廉等長處。B: 缺點是易受環(huán)境條件、受一些化學(xué)物質(zhì)及雜菌破壞而失活；因而穩(wěn)定性較差； 溫度、pH等參數(shù)對反應(yīng)相稱敏感；要求嚴(yán)格控制。C: 以活細胞講，還存

3、在著個體差別、遺傳特性變異等生物學(xué)上特有問題，在生長過程中對營養(yǎng)、微量元素、滲入壓等也有一定要求。D: 活細胞尤其是微生物細胞易采用化學(xué)、物理以及生物辦法加以誘變，以改變其遺傳特性，使有助于生產(chǎn)。第7頁第7頁 1.1.3.生物工藝學(xué)普通反應(yīng)過程第8頁第8頁2、發(fā)酵流程空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機鹽等營養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品第9頁第9頁菌種篩選搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗第10頁第10頁 通常生物反應(yīng)過程有四個構(gòu)成部分。A 原材料預(yù)處理 原材料預(yù)處理包括原材料選擇，必要物理、化學(xué)辦法加工，培養(yǎng)基（也稱營養(yǎng)基質(zhì)，指用于發(fā)酵過程中供應(yīng)細胞生長和產(chǎn)物形成所需要各種基本

4、物質(zhì)和必要微量物質(zhì)）和底物（酶反應(yīng)過程中反應(yīng)物）配制和滅菌等。第11頁第11頁B 生物催化劑制備 在發(fā)酵過程中，首先應(yīng)在老式誘變選育或用當(dāng)代生物技術(shù)手段進行菌種改造基礎(chǔ)上選擇高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、培養(yǎng)要求不甚苛刻菌種。在通過多次擴大培養(yǎng)待達到足夠數(shù)量和一定質(zhì)量后即可作為“種子”接種至發(fā)酵罐中。在實際情況下，生物催化劑微生物細胞增長和“成熟”在發(fā)酵過程前期以至中期仍在繼續(xù)進行。 在酶反應(yīng)過程中，加入酶量及其純度與底物量和產(chǎn)品要求相關(guān)。 在采用固定化酶或固定化細胞時，應(yīng)事先通過適當(dāng)固定化技術(shù)將酶或細胞加以固定，然后裝入酶反應(yīng)器。第12頁第12頁C 生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件選擇 生物反應(yīng)器是生物反應(yīng)過程中主要設(shè)備

5、，它應(yīng)為活細胞或酶提供適宜反應(yīng)環(huán)境以達到細胞增殖或產(chǎn)品形成目的。 發(fā)酵過程周期普通很長，因此通常采用釜式反應(yīng)器（發(fā)酵罐），實行間歇操作。 個別情況（發(fā)酵周期短、菌種穩(wěn)定性高、雜菌污染影響?。┮灿杏枚嗉壌?lián)發(fā)酵罐組進行連續(xù)操作。第13頁第13頁 對酶反應(yīng)過程，可選擇反應(yīng)器類型較多，可依據(jù)反應(yīng)特性（米氏常數(shù)大小、是否存在底物或產(chǎn)物克制等）來決定終歸是采用連續(xù)釜式還是連續(xù)管式反應(yīng)器。 動、植物細胞培養(yǎng)反應(yīng)器基本上進行間歇操作，在要求高密度培養(yǎng)時也能夠采用灌注操作（連續(xù)注入營養(yǎng)液和排出不含細胞培養(yǎng)液）。 反應(yīng)條件選擇對生化反應(yīng)過程來說也是至為主要。為此應(yīng)加強生化反應(yīng)工程研究，完善相關(guān)參數(shù)檢測及過程控制

6、系統(tǒng)配備。第14頁第14頁D 產(chǎn)物分離純化 這一部分工序也常稱為下游加工過程，包括用適當(dāng)辦法和手段將含量甚少目的產(chǎn)物從反應(yīng)液（指胞外產(chǎn)物）或細胞中（指胞內(nèi)產(chǎn)物）初步提取出來，然后再用進一步辦法和手段加以精制使之達到最后產(chǎn)品要求。上述相關(guān)辦法、手段包括：第15頁第15頁物理辦法研磨、高壓勻槳（以上用于細胞破碎）、過濾、離心、蒸發(fā)、干燥等；物理化學(xué)辦法凍溶（用于細胞破碎）、透析、超濾反滲析、絮凝、萃取、吸附、層析、蒸餾、電泳、等電點沉淀、鹽析、結(jié)晶等；化學(xué)辦法離子互換、化學(xué)沉淀等； 生物辦法親和層析、免疫層析等。第16頁第16頁1.1.3.2微生物工程要處理問題A:如何選擇物料：碳源，氮源，微量元

7、素和生長因子及其百分比。B: 如何擬定發(fā)酵條件：發(fā)酵級數(shù)，參數(shù)，提升效益。C:如何預(yù)防污染：確保發(fā)酵順利進行 。D： 如何選擇適當(dāng)提取工藝。第17頁第17頁1.2 生物技術(shù)發(fā)展簡史(五個歷史階段)l.2.1老式（古老）發(fā)酵技術(shù)天然發(fā)酵 公元前4000多年古埃及人已經(jīng)能做面包。公元前25古巴爾干人做酸奶。第18頁第18頁商周青銅酒器爵 釀酒制醋是人類最早通過實踐所掌握生產(chǎn)技術(shù)之一。第19頁第19頁夏二里頭文化時期銅制酒器 龍山文化陶制酒器第20頁第20頁在河北中山王墓里頭（約公元前327公元前3），出土過戰(zhàn)國時期酒. 第21頁第21頁 特點: 只知其然,不知其因此然.沒有理論指導(dǎo),全憑經(jīng)驗生產(chǎn).

8、公元前4000多年- 20世紀(jì)代第22頁第22頁1.2.2 近代發(fā)酵技術(shù)建立(純培養(yǎng)技術(shù)) 1680年荷蘭人列文霍克（Leenwenhoek）制成了能放大200-300倍顯微鏡，人們才知道微生物存在. 1857年法國著名生物學(xué)家巴斯德（Pasteur）用試驗證實了酒精發(fā)酵是由活酵母引發(fā)，其它不同發(fā)酵產(chǎn)物則由不同微生物作用而形成。并創(chuàng)造了巴氏滅菌法 1897年德國科赫（R.Koch）創(chuàng)造了固體培養(yǎng)基分離微生物方法。同時丹麥人漢遜(Hansen)研究成功了啤酒酵母純正培養(yǎng)法。開創(chuàng)了人為控制微生物時代. 從l9世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代，不少工業(yè)發(fā)酵過程陸續(xù)出現(xiàn)，開創(chuàng)了工業(yè)微生物新世紀(jì)。第23頁第23

9、頁特點:初步建立了人工控制環(huán)境條件發(fā)酵系統(tǒng),使發(fā)酵生產(chǎn)由手工作坊向大型工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變20世紀(jì)代基本形成第24頁第24頁1.2.3 深層通氣培養(yǎng)技術(shù)建立 是微生物發(fā)酵技術(shù)第一次革命,產(chǎn)品開始出現(xiàn)于本世紀(jì)40年代。1928年由英國弗萊明發(fā)覺青霉素。在二戰(zhàn)期間,在輝瑞(Phizer)率先采用深層液體通氣培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)出青霉素。 不久，鏈霉素、金霉素、新霉素等相繼問世?？股毓I(yè)興起，標(biāo)志著工業(yè)微生物生產(chǎn)進入了一個新階段1940年至今第25頁第25頁 特點:取代了固體和表面發(fā)酵方式,并由此誕生了一個新學(xué)科微生物發(fā)酵工程產(chǎn)品:抗生素,氨基酸,酶制劑和有機酸等.第26頁第26頁l.2.4 人工誘變育種與代謝

10、控制技術(shù) 通過人工誘變使正常菌株突變?yōu)闋I養(yǎng)缺點型菌株,使此種菌株產(chǎn)生其它氨基酸路徑中酶缺失,而只保留甚至強化目的氨基酸路徑酶.這一菌株就會單一地形成目的氨基酸.1955年日本生物學(xué)家木下祝郎成功地用谷氨酸棒桿菌(Corynebacterium glutamicum)發(fā)酵生產(chǎn)取得了谷氨酸是微生物發(fā)酵技術(shù)第二次革命第27頁第27頁 這一代生物技術(shù)產(chǎn)品特點是利用了當(dāng)代生物技術(shù)DNA重組技術(shù)、細胞融合技術(shù)等結(jié)果而進行生產(chǎn)產(chǎn)品。 1953年美國華生（watson）及科里克（Crick）發(fā)覺了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，為DNA重組奠定了基礎(chǔ)。 1974年美國波依耳（Boyer）和科恩（Cohen）初次在試驗室中實

11、現(xiàn)了基因轉(zhuǎn)移，為基因工程啟開了通向現(xiàn)實大門，而使人們有也許在試驗室中組建按人們意志設(shè)計出來新生命體。l.2.5 基因工程與克隆技術(shù)應(yīng)用第28頁第28頁 所謂基因工程是按人意志把外源（目的）基因（特定DNA片段）在體外與載體DNA質(zhì)粒、嗜菌體等嵌合后導(dǎo)入宿主細胞，使之形成能復(fù)制和表示外源基因克?。–lone無性繁殖系或重組體），這樣我們就能夠通過這些重組體培養(yǎng)而取得所需要目的產(chǎn)品。 1975午英國科勒及米爾斯坦創(chuàng)造了雜交瘤技術(shù)，它們產(chǎn)品是單克隆抗體（MAb），可用作臨床診斷試劑或生化治療劑，這是一大類當(dāng)代生物技術(shù)產(chǎn)品。 原生質(zhì)體（清除細胞壁后細胞體）融合技術(shù)可用于分類學(xué)中親緣較遠生物體細胞之間雜

12、交，這對農(nóng)作物品及牲畜品種改良含有巨大潛力。當(dāng)然它也適合用于工業(yè)微生物性能改良。第29頁第29頁 1976年，美國第一家基因工程公司成立,1982年美國Eli-lilly藥廠將第一個基因工程產(chǎn)品胰島素投放市場。 當(dāng)前，用于基因工程宿主除了大腸桿菌、枯草桿菌、酵母等微生物外，還對一些動物細胞抱有興趣，即使動物細胞培養(yǎng)要比微生物培養(yǎng)復(fù)雜得多。這是由于以微生物為宿主而取得目的產(chǎn)物，即使其蛋白質(zhì)中氨基酸順序是正確，但常因其蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)有誤而不具活性，需要通過重折疊后才干取得目的產(chǎn)物。而由動物細胞進行表示時所獲目的產(chǎn)物不存在上述缺點，為此基因工程推動了動物細胞培養(yǎng)技術(shù)發(fā)展?；蚬こ碳夹g(shù)應(yīng)用是微生物發(fā)酵

13、技術(shù)第三次革命第30頁第30頁1.3生物工藝學(xué)應(yīng)用 該技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)千年發(fā)展，至今已達到能夠用細胞融合和DNA重組等當(dāng)代生物技術(shù)，從細胞水平和分子水平改良已有生物品種和組建新生物品種地步，這將在較大幅度中提升農(nóng)業(yè)（包括農(nóng)、林、牧、漁業(yè)）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)為手段工業(yè)（包括食品、醫(yī)藥、輕工、化工等）賦予新生命力。第31頁第31頁1.3.l生物工藝在食品工業(yè)中應(yīng)用 這是生物技術(shù)最早開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，其中包括老式含醇飲料、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)首位。 用近代發(fā)酵或酶反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)食品原料 葡萄糖、麥芽糖、果一葡糖漿、甘露糖醇己六醇低熱值甜味劑）、脂肪等。

14、食品添加劑 新型發(fā)酵飲料 活性乳酸飲料。第32頁第32頁l.3.2生物工藝學(xué)在醫(yī)藥工業(yè)中應(yīng)用 生物技術(shù)在醫(yī)藥方面應(yīng)用是最為關(guān)注領(lǐng)域之一，尤其是當(dāng)代生物技術(shù)應(yīng)用常集中于醫(yī)藥方面。這是由于醫(yī)藥產(chǎn)品價格較高，容易使產(chǎn)品在經(jīng)濟上受益，另外也由于人們都盼望有一些高效藥物問世。 通過生物技術(shù)生產(chǎn)或已在試驗室取得較好結(jié)果醫(yī)藥產(chǎn)品為數(shù)諸多，現(xiàn)分別簡介下列：A 各種抗生素 B 各種氨基酸C 維生素 D 甾體激素 甾體激素化學(xué)合成過程中有若干步可用微生物生物轉(zhuǎn)化來完畢。 第33頁第33頁E 生物制品 生物制品是指含抗原制品。由減毒或死病毒或立克次體制造疫苗，它們均被用于預(yù)防、診斷或治療傳染病。F 單克隆抗體 由于

15、單克隆抗體對相關(guān)抗體含有高度親和性，故可用來制備診斷試劑盒。在此后研制出人人或人一鼠單克隆抗體后，還可用于治療。尤其是可作為能驅(qū)病灶導(dǎo)彈藥物運載工具。另外，單抗還可用于親和層析以純化抗原物質(zhì)或用于免疫分析和菌種判別。 第34頁第34頁G 其它（l）治療用酶（2）酶克制劑（3）核苷酸產(chǎn)品（4）制藥工業(yè)用酶（5）其它發(fā)酵藥物第35頁第35頁l.3.3生物工藝學(xué)應(yīng)用于輕工、食品用酶生產(chǎn) 下列各種酶均可從微生物中取得：糖酶 蛋白酶果膠酶 水解果類中果膠物質(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H20及O2。第36頁第36頁l.3.4生物工藝

16、學(xué)應(yīng)用于化工能源產(chǎn)品生產(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 醇及溶劑有機酸多糖 在能源產(chǎn)品和新能源開發(fā)中，相關(guān)微生物產(chǎn)氫和生物電池當(dāng)前也在摸索中。第37頁第37頁l.3.5生物工藝學(xué)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用 生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)（包括農(nóng)、林、牧、漁業(yè)）生產(chǎn)中有著十分遼闊潛在發(fā)展前程，這主要是指應(yīng)用當(dāng)代生物技術(shù)對主要農(nóng)作物、牲畜、水產(chǎn)品進行品種改良或組建新品種。 生物技術(shù)發(fā)展為農(nóng)業(yè)生物技術(shù)開辟了新天地，其主要應(yīng)用于：（l）無性快速繁殖 利用一些植物組織，尤其是未經(jīng)分化含有所有基因信息幼芽組織，經(jīng)細胞培養(yǎng)后取得愈傷組織加以擴大培養(yǎng)，進而取得大量植株。第38頁第38頁（2）脫毒植株取得 經(jīng)過未受病菌

17、侵襲頂端分生組織細胞培養(yǎng)，進而取得無毒植株。也可經(jīng)過愈傷組織或懸浮細胞用植物毒素篩選抗性細胞。（3）單倍體育種 利用花粉細胞培養(yǎng)，進而培育單倍體植株。然后用秋水仙素等處理，使單倍體植株染色體加倍，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。（4）原生質(zhì)體融合 可用不同種間、屬間以至種間生物原生質(zhì)體進行融合以取得雜交體細胞。（5）人工種子 用人工種皮包埋體細胞胚狀體或芽、鱗、莖而制成有高度萌發(fā)性能并能成為植株“種子”，可使性能優(yōu)良植物品種得以大規(guī)模種植。第39頁第39頁（6）優(yōu)良牲畜擴大培養(yǎng) 擴大培養(yǎng)優(yōu)良牲畜可用胚胎移植、胚胎分割、受精卵注射生長激素等辦法。核移殖、染色體

18、組改造等手段也可用于畜種、魚種改良及性別控制。（7）植物品種改良 人們對基因工程用于植物品種改良寄以很大希望，如將抗性（抗寒、抗旱、抗高溫、抗?jié)场⒖果}、抗病蟲害）基因或植物蛋白貯藏基因、固氮基因等導(dǎo)入植物體細胞并取得表示，這將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大影響。但當(dāng)前對上述基因理解很不夠，對如何將這些基因?qū)塍w細胞是一困難。當(dāng)前已知或可行基因運載體有Ti質(zhì)粒、Ri質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子和噬菌體。 常規(guī)工業(yè)微生物產(chǎn)品也可用于農(nóng)業(yè)。第40頁第40頁 近年來，還發(fā)覺一些微生物除草。 固氮菌、鉀細菌、磷細菌、抗生菌制劑作為輔助肥料及抗菌增產(chǎn)劑用于農(nóng)業(yè)。 食用和藥用真菌也是一個農(nóng)副產(chǎn)品，主要品種有蘑菇、草菇、香菇、枸菌、猴頭菌、靈芝、銀耳、木耳等。第41頁第41頁1.3.6生物工藝學(xué)在環(huán)境保護中應(yīng)用 自然界本身就存在著碳和氮循環(huán)，而微生物在對生物物質(zhì)排泄物及尸體分解起著主要作用。利用生物技術(shù)手段處理生產(chǎn)和生活中有機廢棄物，加速了這一分解過程進行，且可對環(huán)境衛(wèi)生作出很大奉獻。 嫌氣發(fā)酵法殘渣還能用作肥料，有還能用于飼料。 好氣發(fā)酵（活性污泥）法對工業(yè)或生活污水進行處理。 當(dāng)前正在尋找更適當(dāng)微生物，尤其是能降解酚、有機氮、有機磷、有機金屬化合物菌種。第42頁第42頁l.3.7 生物工藝學(xué)應(yīng)用于金屬浸取1.3.8生物工藝學(xué)應(yīng)用于高技術(shù)研