第七章.发酵工程技术概论_PPT幻灯片

第一节 概述 第二节 优良菌种的选育 第三节 发酵的基本过程 第四节 发酵方式 第五节 发酵工艺控制 第六节 发酵产物的提取 第七节 发酵设备 第八节 基因工程在发酵工程中的应用 第九节 发酵工程的发展展望
第一节 概述
一、发酵工程（fermentation engineering），又称 微生物工程：
及条件的优化、发酵过程参数控制、反应器的设 计） ❖ 产物的分离、提取与精制等（纯化） ❖ 发酵工业的生产水平取决于三个要素：
生产菌种、发酵工艺、发酵设备
第二节 优良菌种的选育
一、菌种选育的物质基础：遗传物质（DNA） 二、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 正变菌株：生长良好、生产水平提高、对生产有利的变异个体 负变菌株：生产能力下降、形态出现异性，生产水平下降，菌
通过微生物完整的细胞自催化完成生物化学反应 过程，微生物既能正常生长又能过量积累目的产 物，提供工业产品。
包括：抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶制剂、 蛋白质、基因工程药物、核酸类物质等。
❖ 抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发 酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？
1. 某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将 其他种类的微生物杀死。
分批培养的优缺点
部遗传密码转录和翻译的错误---移码突变。如吖啶类物质
三、诱变育种
（二）诱变和筛选 a. 诱变---以合适的诱变剂处理细胞悬浮液 包括：出发菌株的选择---诱变剂种类和诱变剂剂量的选择--合理的使用方法 b. 筛选---用合适的方法淘汰负变异株，选出性能优良的正
变异株
包括：初筛---重复筛选---突变株性能检测---直到获得新
③ PEG：相对分子质量（4000或6000）、浓度（30~40%） ④ 外界因素：高渗溶液配制、再生培养基中加入酵母膏促
进再生速度、原生质体密度要适当
3.原生质体融合育种
❖ 意义：打破了微生物的种界界限，可实现远缘菌株的基因 重组。可使遗传物质传递更为完整、获得更多基因重组的 机会。去除了细胞壁屏障，融合重组频率比较高。可与其 他育种方法相结合，如把常规诱变和原生质体诱变所获得 的优良性状，组合到一个单株中。
❖ 用途：改良菌株，提高代谢产物的产量，打破种属界限、 产生重组子，有可能产生新的化合物。
第三节 发酵的基本过程
❖ 菌种---种子制备---发酵---发酵液预处理---提取精制
一、菌种 对生产菌种的要求：产量高、生长快、性能稳定、容易培养 生产菌种的保存：0~4℃休眠保存，砂土管或冷冻干燥管 二、种子的制备 使菌种繁殖，获得足够数量的菌体，以便接入发酵罐中 三、发酵 使微生物产生大量的目的产物，是发酵的关键阶段。 参数：通气量、搅拌转速、罐压、罐温、培养基总体积、黏 度、泡沫、菌丝形态、pH、溶氧浓度、排气中二氧化碳含量
素、抗生素、高分子化合物、杀菌剂、染料等。 对DNA的作用形式： a. 与一个或多个核酸碱基起化学反应，引起DNA复制时碱基配
对的转换而导致变异；如亚硝酸、硫酸二乙酯等 b. 与天然碱基相似的类似物掺入到DNA分子上引起的；如5-溴
尿嘧啶、8-氮鸟嘌呤等 c. DNA分子上减少或增加一两个碱基引起碱基突变点以下的全
倒位、缺失、重复） （3）染色体组突变：指由有丝分裂或减数分裂异常而产生
的染色体数目或组数的变化。
2.诱变剂及作用方式： 诱变剂：能诱发基因突变并使突变率提高到超过自发突变水 平的物理化学因子。 （1）物理诱变剂
紫外线、x射线、γ射线、快中子、α射线、β射线和 超声波等。
（2）化学诱变剂 金属离子、一般化学试剂、生物碱、抗代谢物、生长刺激
种退化 特点：纯化菌种、防止菌种衰退、稳定生产水平、提高产物产 量；但效率低、进展慢，通常将自然选育和诱变育种交替使用
三、诱变育种
用人工方法来诱发突变是加速基因突变的重要手段，突 变部位一般是在遗传物质DNA上，因此突变后性状能稳定的 遗传。 （一）方法和原理 1.诱变机制 （1）微小损伤突变：碱基置换、移码突变 （2）染色体畸变：由于遗传物质的缺失或重排造成（易位、
等 四、产物提取 发酵液的预处理和过滤，提取，精制
第四节 发酵方式
一、分批发酵 将全部物料一次投入到反应器中，经灭菌、接种、发酵
后再将发酵液一次放出的操作过程。 特点：（1）整个培养系统与外界没有其他物质交换（O2、 CO2、消泡剂、酸碱除外）
（2）整个过程中菌的浓度、营养成分的浓度和产物 浓度不断变化，是一种非稳态的培养方法
1. 原生质体融合的一般程序：
溶壁作用：细菌、放线菌（溶菌酶）、真菌（蜗牛酶）、 霉菌（蜗牛酶、纤维素酶）
原生质体在高渗溶液下用PEG作助融剂，将两种亲株原生 质体进行融合
在选择培养基上培养，挑出融合重组子
2.影响融合的因素 ① 菌龄：一般采用对数前期的菌体，原生质体形成率较高
② 培养基成分：在限制性培养基上比在于完全培养基上原 生质体形成效果好，可能是由于完全培养基中的有机成 分或某些金属离子会引起细胞壁成分的改变，导致对溶 壁酶敏感：
① 自身耐药突变株：耐受自身分泌的抗生素；开始 合成抗生素的时间提早，产量也有所提高
② 结构类似物或前体类似物的耐受突变株：解除反 馈抑制，积累过量产物
③ 营养缺陷型突变株及其回复突变株：解除反馈抑 制、阻断分支途径
四、原生质体融合
❖ 原生质体：除去细胞壁的细胞，或是被质膜所包围的裸露 细胞。 ❖ 原生质体融合：指通过人为的方法，使遗传性状不同的两 个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的 稳定重组子的过程。
2. 微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营养物质 水解成可吸收的小分子多肽或氨基酸、葡萄糖。
3. 微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物 质，包括氨基酸、核苷酸等。
三、发酵工程的研究内容
❖ 生产菌种的培养和选育（菌种） ❖ 培养基制备和灭菌（培养基） ❖ 发酵条件的优化与控制（通气搅拌、溶氧、发酵