生化工艺861页教学课件全套电子教案.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,绪论,第一章,绪论,一、国内外生物技术产业的发展现状,随着分子生物学的突破而诞生的基因（,gene）,操作技术、细胞融合技术（,cell,fusiontechnology,）,等赋予了生物技术新的生命力，引起了科技界和企业界的的高度重视并给予巨额投入。从世界范围的发展情况来看，生物技术已成为发达国家科技竞争的热点，美国、日本、欧洲等主要发达国家和地区竞相开展生物技术的研究和开发工作，许多国家纷纷建立了独立的政府机构，成立了一系列的生物技术研究组织，制定了近期即2010年或2020年的中长期发展规划，在政策、资金上给予了大力支持。同时这些国家的企业界也纷纷投入了巨资进行生物技术的开发研究，取得了一系列重大成果，从而使生物技术产业化得到迅速发展。成功开发了诸如促红细胞生成素（,EPO）、,粒细胞集落刺激因子（,G-CSF）,等一批基因工程药物，占领了世界市场，取得了巨大的经济效益，使得这些国家在世界生物技术产业化方面占有绝对的优势。,绪论,中国是最早利用生物技术的国家之一。最近十年来生物技术产业得到了迅速发展，已经成为世界发酵产品市场的重要竞争者，多种发酵产品的产量和出口剧增。柠檬酸（,citricacid,）,的生产工艺、技术已进入了世界先进行列，产量居世界首位；谷氨酸（,Glu,）,和赖氨酸（,Lys,）,的生产工艺和技术水平及产量也有一定优势。与此同时，现代生物技术的研究和开发也取得了丰硕的成果，中国首创的两系杂交水稻已推广种植200,km,，,平均单产提高10%以上；植物转基因技术取得成功；重组联合共生固氮菌、防病工程菌开始大面积田间实验；试管牛羊、转基因鱼已进入中间实验，动物生物反应器取得了可喜进展；已有四种基因工程药物获准投放市场；抗体工程已取得多项成果并开始在临床上应用；某些基因治疗达到了国际水平；人胰岛素、人尿激酶、葡萄糖异构酶、凝乳酶的蛋白质工程已达到世界水平。但从总体上看，无论是对传统生物技术产业的改造或是对现代生物技术的研究、开发及产业化，我国都还处于起步阶段，与发达国家相比还存在一定的差距。,绪论,生物技术的产生和发展涉及许多学科，包括生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、微生物学、动物学、植物学、化学与化学工程学、应用物理学、电子学以及计算机科学等基础和应用学科。现代生物技术虽来源于原始的、传统的生物生产技术，但它们之间在内容和手段上均在质的区别。现代生物技术能够带来的好处是十分巨大的，正在或即将使人们的某些梦想和希望变为现实。当前，生物技术已在医药和化工等领域中崭露头角，一批生物工程药物，如人生长激素（,growth hormone）、,胰岛素(,insulin)、,干扰素(,interferon),和各类细胞生长因子与调节因子等已陆续投放市场。,绪论,近年来，人们逐渐认识到现代生物技术的发展越来越离不开诸如化学工程技术学科。在生物技术与现代技术相互结合的基础上发展起来的新型工程技术,生物化工技术，不仅为传统发酵工业、传统医药工业的改造及新兴的生物技术工业提供了高效率的生物反应器、新型分离技术和介质以及现代的工程装备技术，还提供了生产设备单元化、工艺过程最优化、在线控制自动化、系统综合设计等工程概念与技术以及用于生物过程优化控制的基础理论。生物化工技术在生物技术产业化方面起重要的作用，使生物技术的应用范围更加广泛，下游技术不断更新，同时大大提高了生物技术产品的产量和质量。生物化学工程技术已成为生物技术产业化的桥梁和瓶颈。其生产过程和工艺的研究已成为加速生物技术产业化的一个重要方面。,绪论,现代生物技术产品虽不多，但其潜力很大，是方兴未艾的高技术产业。今后现代生物技术不但用来生产一些贵重或有特殊功效的药物，其具潜力将主要体现在农业和化工原料的应用开发中。此外用现代生物技术改造已有有发酵工业，如氨基酸工业、酶制剂工业、抗生素工业中的菌种改造上也有很大潜力。,绪论,二、生化反应过程的特点,将生物技术的实验成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程统称为生物反应过程。,生物反应过程的实质就是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。当过程采用游离的整体微生物活细胞为生物催化剂时，一般称此为发酵过程（特定情况下也有称微生物培养过程、微生物转化过程等）而当生物催化剂为游离或固定化酶时，此过程则称为酶反应过程。另处，还有动、植物细胞（组织）培养过程。至于从天然生物物质中提取有效成分也常归属于生物反应过程的范围。通常的生物反应过程由四个部分组成。,绪论,1.原料的预处理及培养基的制备,发酵原料是很丰富的，如薯类、谷类等，但许多工业微生物都不能直接利用这些原料，通常需要将它们进行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供给微生物利用。还可以利用废糖蜜、工农业的下脚料等，根据不同微生物和发酵产品的类型调配一定成分的培养基。在发酵前将培养基装入发酵罐中，通入98,kPa,的蒸汽高温灭菌，冷却后，在无菌条件下接入菌种。在发酵过程中要绝对保证无杂菌，即没有目标微生物以外的微生物存在，这是发酵成功与否的关键。,绪论,2.,生物催化剂的制备,发酵过程中，首先应在传统诱变育种或用现代生物技术的手段进行菌种改造的基础上，选择高产、稳产、培养要求不甚苛刻的菌种。发酵前必须经过多次扩大培养达到足够数量后即作为种子接种至发酵罐中，满足大罐发酵的要求。在实际情况下，生物催化剂,微生物细胞的增加和,“,成熟,”,在发酵过程的前期以至中期仍在继续进行。在酶反应过程中，加入酶量及其纯度与底物量和产品要求有关。在采用固定化酶或固定化细胞时，应事先通过合适的固定化技术将酶或细胞加以固定，然后装入酶反应器。如果是酶反应过程，则需选择一定量的活力强的酶制剂。,绪论,3.生物反应容器及反应条件的选择,由于使用的生物类型不同，其代谢规律不一样，因而有厌氧发酵和好氧发酵两种方式。厌氧发酵亦称静置发酵，如酒精、啤酒、丙酮、丁醇及乳酸等，发酵过程不需供氧，设备和工艺都较好氧发酵简单。好氧过程中需要消耗大量的氧气，因此需要通入无菌空气。以供代谢需要，如氨基酸、抗生素、赤霉素等的生产都属此类。不管是好氧发酵还是厌氧发酵，均应根据菌种的的特点、代谢规律和产品的特点，选择合适的发酵条件。,绪论,4.产品的分离与纯化,分离与纯化是从发酵液中提取符合质量指标的制品。应根据产品的类型、特点选择合适的下游技术的组合。采用吸附法、溶媒萃取法、离子交换法、沉淀法或蒸馏法、双水相萃取法、色谱法等，提取、分离和纯化产品，得到符合要求的目标产品。有关的法包括：,物理方法,研磨、高压匀浆（以上用于细胞破碎）、过滤、离心、蒸发、干燥等；,物理化学方法,冻溶（用于细胞破碎）、透析、超滤反渗析、絮凝、萃取、吸附、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐析、结晶等；,化学方法,离子交换、化学沉淀等；,生物方法,免疫层析等。,绪论,不管是微生物培养，还是动植物细胞培养、污水的生化处理以及从天然物质中应用生物技术提取有效成分均为生物反应过程。如果过程使用的生物催化剂是酶，通常叫酶反应过程。如果是生物细胞，则叫做发酵过程。生物反应过程的特点简述如下：,（1）生产过程通常在常温下进行，操作条件温和，不需要考虑防,爆问题，一种设备具有多种用途。原料以碳水化合物为主，不含有毒物质。,（2）生产反应过程是以生命体的自动调节方式进行的，多个反应容器像一个反应一样，可在单一设备中进行。,（3）能容易进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学性体等。,绪论,（4）能够高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团的导入等。,（5）生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白质、酶等；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物造成危害。,（6）生产过程中需要注意防止杂菌污染，尤其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。,（7）能通过改良生物体生产性能，可在不增加设备投资的条件下，利用原有的生产设备使生产能力飞跃上升。,实际生产中，可以通过改进工艺和改善设备的研究，在很大程度上改善产品的质量，提高生产效益。随着生物技术的发展，对生产过程提出了更高的要求，使工艺的研究和优化变得更加重要。,绪论,三、生化技术的应用,生物技术经历了数千年的发展，至今已达到了可以用细胞融合和,DNA,重组等现代生物技术，从细胞水平和分子水平改良已有生物品种和组建新的生物品种的地步，这将较大幅度提高农业的质量和产量，以及利用生物资源为原料或应用生物技术为手段的工业赋予新的生命力，并为生物技术的其它应用带来福音。人们期望着生物技术的进一步发展，它将会对工农业生产，人民保健和社会福利事业带来更深远的影响。为此，世界各国都把生物技术的研究开发列入高技术发展规划。我国也已把生物技术和航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术以及新材料技术并列为优先发展的七个高技术领域。当然在现代生物技术的潜力还没有完全显示之前，我们还必须充分发挥已有生物技术的作用，使它们为国民经济增长和社会服务作出更大的贡献。,绪论,1.生化技术在食品工业中的应用,这是生物技术最早开发应用的领域，其中包括传统的含醇饮料、调味品、乳制品等，至今其产量和产值还占生物技术的首位。,含醇饮料 以果汁、米、麦、高梁、玉米、土豆等为主要原料酿造或经过加工的有葡萄酒等，果酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌、伏特加、金酒、香槟酒、朗姆酒等。,传统调味品及发酵产品 以豆类、米、麦等生产的酱、酱油、醋、,豆鼓、豆腐乳、饴糖、泡菜等。,发酵乳制品 奶酒、干酪、酸奶等。,用近氏发酵或酶反应技术生产的食品原料 葡萄糖、麦芽糖、脂肪等。,食品添加剂 面包酵母、味精、赖氨酸、柠檬酸、红曲等,新型发酵饮料 活性乳酸饮料,绪论,2.生物技术在医药工业中的应用,生物技术在医药方面的应用是最为关注的领域之一，特别是现代生物技术的应用常集中于医药方面。这是因为医药产品的价格较高，容易使产品在经济上受益，另外也由于人们都期望有些高效药物问世。,通过生物技术生产或已在实验室获得较好结果的医药产品为数很多，现分别介绍如下：,绪论,（1）各种抗生素,抗细菌抗生素 杆菌肽，头孢菌素、氯霉素（对斑疹伤寒有特效）、金霉素、环丝氨酸（抗结核菌）、红霉素、紫霉素等。,抗真菌抗生素 两性霉素,B、,杀假丝菌素、灰黄霉素、制霉菌素等。,抗原虫抗生素 烟曲霉素 曲古霉素等。,抗肿瘤抗生素 放线菌素、阿德里亚霉素、博莱霉素、光神霉素、丝裂霉素、内瘤霉素等。,某些天然抗生素 青霉素、头孢素在去侧链后，可用化学合成法接上新的侧面而改变原有抗菌谱或其它特性，这就是被称为半合成抗生素。,绪论,常用的半合成青霉素 甲氧苯青霉素、乙氧萘青霉素、邻氯苯唑青霉素等。,常用的半合成头孢素 头孢一号、头孢二号、头孢号、头孢号、头孢号、头孢号、吡硫头孢菌素、氰甲基头孢素等。,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）各种氨基酸 氨基酸在医药中主要用氨基酸大输液。,可经发酵获得的氨基酸、赖氨酸、丙氨酸、精氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸等。,可用酶法获得的氨基酸有天门冬氨酸、丙氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、半胱氨酸等。,绪论,（3）,维生素 目前可用生物技术生产的维生素或其中间产物有维生素,B,2,、,维生素,B,12,、2-,酮基古龙酸（经转化后即得维生素,C,抗坏血酸）、,胡萝卜素（维生素,A,抗干眼病维生素的前体）、麦角甾醇等。,（4）甾体激素 在可的松、氢化可的松、肤氢松（氟氢可的松）、确安舒松（氟羟脱氢皮质醇）等甾体激素化学合成过程中有若干步可用微生物转化来完成。,（5）生物制品 生物制品是指含抗原的制品。由减毒或死的病毒或立克次体制造的疫苗，如牛痘和班疹伤寒疫苗；减菌或死的病原菌制成的菌苗，如卡介苗、伤寒菌苗以及类毒素，如白喉类毒素；和含抗体的制品（能中和外毒素的抗毒素）。它们均被用于预防、诊断或治疗传染病。,绪论,（6）单克隆抗体 由于单克隆抗体对有关抗体具有高度亲和性，故可用来制备诊断。在今后研制出人,人或人,鼠单克隆抗体后，还可用于治疗。特别是可作为能驱病灶导弹药物的运载工具。此外，单抗还可用于亲和层析以纯化抗原物质（通常为所欲纯化的目标产物，如干扰素等）或用于分疫分析和菌种鉴别。,（7）其它,治疗用酶 如蛋白酶和核酸酶可用于加速去除坏死组织、脓液、分泌液、血肿；胃蛋白酶、脂肪酶、蛋白酶可帮助消化；尿激酶、链激酶可以溶化血栓；胰蛋白酶可以释放激肽；天冬酰胺酶可抗肿瘤；超氧化酶可治因,O2,的毒性引起的炎症。,绪论,酶抑制剂 如棒酸可抑制,内酰胺的作用而减少或避免由细菌产生的,内酰胺酶对青霉素的破坏；,-,淀粉酶抑制剂可治糖尿病；抑肽素（蛋白质抑制剂）可用于治疗胃溃疡；多巴丁有降血压作用。,核苷酸产品 如肌苷可治疗心脏病、白血病、血小板下降、肝病等。黄素腺嘌呤二核苷酸（,FAD）,可治维生素,B,缺乏症、肝病、肾病；辅酶,A,可治疗白血病、血小板下降、肝病、心脏病；辅酶,I（NAD）,可治糙皮症、肝病、肾病；胞二磷（,CDP）,胆碱可治疗头部外伤或大脑因外伤引起的意识模糊。,制药工业用酶 如青霉素酰化酶用于生产半合成青霉素的母核,6,氨基青霉烷酸（6,APA），,天冬氨酸酶用于生产天门冬氨酸，,L,氨基酰酶用于生产,L,氨基酸等。,其它发酵药物 如谷氨酰胺可抗肿瘤、麦角新碱可治疗后子宫复元、麦角胺可治疗偏头疼等。,此外，可用基因工程细胞产生的关键蛋白治疗基因缺陷症，称为基因治疗。,绪论,3.生物技术应用于轻工、食品用酶的生产,下列各种酶均可从微生物中获得：,糖酶,淀粉酶（使淀粉液化生成糊精及少量麦芽糖及葡萄糖），,淀粉酶（淀粉水解为麦芽糖），葡萄糖苷酶即糖化酶（使淀粉、糊精、麦芽糖水解为葡萄糖），支链（异）淀粉酶（水解支链淀粉），转化酶（蔗糖酶，能将蔗糖或棉子糖水解为葡萄糖及果糖），异构酶（葡萄糖异构为果糖），半乳糖酶（将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖），纤维素酶（将纤维素水解为葡萄糖）。,绪论,蛋白酶 碱性蛋白酶（用于洗涤剂、皮革鞣化、胶片回收银、啤酒去浊），酸性蛋白酶（用于饮料、食品的冷藏保存、制作蛋白质水解产物），中性蛋白酶（用于皮张脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）。,果胶酶 水解果类中的果胶物质。,脂肪酶 将脂肪分解为甘油及脂肪酸。,凝乳酶 将乳中蛋白质凝固生产干酪。,过氧化氢酶 能将,H,2,O,2,分解为水及氧气。,绪论,4.生物技术用于化工能源产品的生产,利用发酵、生物转化或酶法生产下列产品：,烷烃 甲烷,醇及溶剂 乙醇、甘油（丙三醇）、异丙醇、丙酮，二羟基丙酮、丁醇、丁二醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、木糖醇、赤藓糖醇等。,有机酸 醋酸（乙酸）、丙酸、乳酸（羟基丙酸）丁酸、琥珀酸（丁二酸）、延胡索酸（反丁烯二酸）、苹果酸（羟基丁二酸）、酒石酸（二羟基丁二酸）、衣康酸（亚甲基丁二酸）、环氧琥珀酸（环氧丁二酸）、柠檬酸羟基戊二酸已二烯二酸、葡萄糖酸、曲酸（5,羟基,2吡喃酮）、水杨酸等。,绪论,多糖 如右旋糖酐（葡聚糖）黄原胶、茁霉素多糖、微生物海藻酸等。,在能源产品成本和新能源开发中，除了甲烷（主要是有机废弃物嫌气发酵产物）和乙醇（可掺入汽油制成含醇汽油）外，黄原胶可用于油田三次采油，有关微生物产氢和生物电池目前也在探索中。,5.生物技术在农业生产中的应用：,生物技术在农业生产中有着十分广阔的潜在发展前途，这主要是指应用现代生物技术对主要农作物、牲畜、水产品进行品种改良或组建新品种。,绪论,生物技术的发展为农业生物技术开辟了新的天地，其主要应用于：,（1）无性快速繁殖 利用某些植物组织，特别是未经分化含有所有基因信息的幼芽组织，以细胞培养后获得的愈伤组织加以扩大培养，进而获得大量的植株。现将此法用于兰花、烟草、蔬菜、甘蔗等快速繁殖。,（2）脱毒植株的获得 通过未受病菌侵袭的顶端分生组织的细胞培养，进而获得无毒植株。也可通过愈伤组织或悬浮细胞毒素筛选抗性细胞。,（3）单倍体育种 利用花粉细胞培养，进而培育单倍体植株。然后用秋水仙素等处理，使单倍体植株的染色体加倍，成为纯种二倍体。单倍体植株只有一套染色体，故遗传性单一，无分离现象。,绪论,（4）原生质体融合 可用不同种间、属间生物的原生质体进行融合以获得杂交体细胞。,（5）人工种子 用人工种皮包埋体细胞胚状体或芽、鳞、茎而制成的有高度萌发性能并能成为植株的,“,种子,”,，可使性能优良的植物品种得以大规模种植。,（6）优良牲畜的扩大培养 扩大培养优良牲畜可用胚胎移植、胚胎分割、受精卵注射生长激素等。核移植、染色体改造等到手段也可用于畜种、鱼种改良及性别控制。,绪论,（7）植物品种改良 人们对基因工程用于植物品种改良寄以很大的希望，如将抗性基因或植物蛋白贮藏基因、固氨基因等导入植物体细胞并获得表达，这将对农业产生巨大的影响。但目前对上述基因的了解很不够，对如何将这些基因导入体细胞是一困难。目前已知的或可行的基因运载体有,Ti,质粒、,Ri,质粒、转座子和噬菌体、较为成熟的是,Ti,质粒，它是一种可以引起植物产生肿瘤的细菌的质粒（能产生,TIP,肿瘤引导素），它可将外源基因整合至植物基因组中。,常规的工业微生物产品也可用于农业，如不少医疗用抗生素，如链霉素、灰黄霉素可用于防治植物病毒，四环类抗生素可用于禽畜催长。,绪论,赤霉素是一种能促种子萌芽、植株助长的植物生产素，现已广泛用于杂交水稻中的助长，蔬菜瓜果的生产。,近年来，还发现某些微生物除草剂，如环已酰胺、双丙磷,A、,谷氨酰胺合成酶等。,在农林生产中还常用苏云金杆菌或其变种所产生伴孢晶体,一种能杀死某些引起植物虫害的娥类的幼虫的毒蛋白来保护松林和蔬菜。另有用昆虫病原体、寄生病毒和原生动物杀灭危害作物的害虫的制剂。固氮菌、钾细菌、磷细菌、抗生菌制剂作为辅助肥料及抗菌增产剂用于农业。,绪论,单细胞蛋白是一类由酵母（酿酒酵母、假丝酵母、毕卡酵母等）、真菌（曲霉、地霉、内孢霉、镰孢霉等）及细菌（假单孢菌、链丝菌、嗜甲醇细菌）的细胞体制成的饲料添加剂。其中干品的蛋白质含量为40%80%。,食用和药用真菌也是一种农副产品，主要品种有蘑菇、草茹、香茹、枸菌、猴头菌、灵芝、银耳、木耳等。,6.生物技术在环境保护中的应用,自然界本身就存在着碳和氮的循环，而微生物在对生物物质的排泄物及尸体的分解起着重要的作用。利用生物技术手段处理生产和生活中的有机废弃物，加速了这一分解过程的进行且可对环境卫生作出很大的贡献。,绪论,嫌气发酵法 指在嫌气情况能分解碳水化合物、蛋白质和脂肪的微生物，将有机废弃物分解为可溶性物质，进而通过产酸菌和甲烷细菌的作用再分解为甲烷和二氧化碳。这样，即可产生一定量的沼气（约含60%,70%甲烷，热值约为23100,KJ/m,），,又可治理环境，经嫌气发酵（消化）后的残渣还能用作肥料，有的还能用于饲料。,好气发酵（活性污泥）法 指在好气（曝气）情况下，用某些能降解有机物质的产菌胶的细菌和某些原虫的混合物（活性污泥）对工业或生活污水进行处理。,目前正在寻找更合适的微生物，特别是能降解酚、有机酸、有机磷、有机金属化合物的菌种。,绪论,7.生物技术应用于金属浸取,利用氧化亚铁硫菌等自养细菌可把亚铁氧化为高铁，把硫、低价硫化物为硫酸的性能，将含硫金属矿石中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。可用此法浸取的金属有铜、钴、锌、铅、铀、金等。目前在美国约有10%的铜用此法生产。我国也有用此法生产铜和金。,8.生物技术应用于高技术研究开发,有些生物技术产品本身就是为生物技术服务的，如基因工程中用的限制性内切酶、连结酶、,DNA,探针等。医学诊断或工业过程检测用的生物传感器。另有生物芯片也正在研究中。,综上可见，生物技术的应用十分广泛，相信随着现代生物技术的不断成熟，生物技术的应用也将更为广阔，这对工农业生产及人民保健、社会福利的贡献也将更为巨大。,绪论,四、生化工艺研究的对象及任务,生物工艺原理是一门以生物代谢过程和对代谢过程的控制，获得生物产品共性原理为研究对象的学科。探讨生物产品生产过程中的共性为目的，从工艺角度阐明细胞的生长和代谢产物与细胞的培养条件之间的相互关系，为生产近程的优化提供理论依据。课程内容包括工业微生物菌种的选育与种子培养、发酵，培养基的配制，培养基和空气的灭菌，发酵机理，生物反应动力学，生产过程的检测与控制，发酵生产染菌及防治，固定化酶和固定化细胞及应用，动植物细胞大规模培养等内容。,课程的任务是：学生在已学过微生物学、生物化学、化工原理等课程的基础上，深入理解生产过程的工艺原理，进一步深化和提高所学的基本知识，从而使学生具有选育新菌种，探求新工艺、新设备和从事生物产品研发的能力。并能够应用基本理论去分析和解决生产过程中的具体问题，改造原有不合理的生产过程，使之更符合客观规律。,种子制备,第二章,种子制备,第一节,工业微生物菌种概述,第二节,菌种的选育,第三节,种子的扩大培养,第四节,种子质量的控制,第一节 工业微生物菌种概述,一、常见工业微生物菌种,工业上经常用到的微生物和经常遇到的杂菌主要有细菌、放线菌、霉菌、酵母菌、病毒等。,1细菌,细菌是自然界分布最广、数量最多、与人类关系最密切的一类微生物，属单细胞原核生物，体积很小，以较典型的二分分裂方式繁殖。其基本结构是核区、细胞质、细胞膜、细胞壁，一般都具有核糖体、质粒，部分细菌有鞭毛、荚膜或产生芽孢。细胞生长时，环状,DNA,染色体复制，细胞内的蛋白质等组分同时增加一倍，然后在细胞中部产生一横段间隔，染色体分开，继而间隔分裂形成两个相同的子细胞。如间隔不完全分裂就形成链状细胞。,第一节 工业微生物菌种概述,工业生产常用的细菌主要是杆菌，如枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等。用于生产淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等,2放线菌,放线菌因菌落呈放线状而得名。它是一个原核生物类群，在自然界中分布很广，尤其在含有机质丰富的微碱性土壤中较广。大多腐生，少数寄生。放线菌主要以无性孢子进行繁殖，也可借菌丝片段进行繁殖。后一种繁殖方式见于液体沉没培养中。其生长方式是菌丝末端伸长和分支，彼此交错成网状结构，成为菌丝体。菌丝长度既受遗传性的控制，又与环境相关。在液体沉没培养中由于搅拌器的剪应力作用，常常形成短的分支旺盛的菌丝体，或呈分散生长，或呈菌丝团状生长。,第一节 工业微生物菌种概述,目前放线菌最大的经济价值在于能产生多种抗生素。从微生物中发现的抗生素，又60%以上是放线菌产生的，如链霉素、红霉素、金霉素、庆大霉素等。常用的放线菌主要来自一下几个属：链霉菌属、小单孢菌属和诺卡菌属等。此外，放线菌在甾体转化、石油脱蜡、烃类发酵、污水处理方面也有所应用。,第一节 工业微生物菌种概述,3霉菌,霉菌不是一个分类学上的名词。凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌统称为霉菌。霉菌在自然界分布很广，大量存在于土壤、空气、水和生物体内外等处。它喜欢偏酸性环境，大多数为好氧性，多腐生，少数寄生。霉菌的繁殖能力很强，它以无性孢子和有性孢子进行繁殖，多以无性孢子繁殖为主。其生长方式是菌丝末端的伸长和顶端分支，彼此交错呈网状。菌丝的长度既受遗传性的控制，又受环境的影响，其分支数量取决于环境条件。菌丝或呈分散生长，或呈菌丝团状生长。,工业上常用的霉菌有：藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉，子囊菌纲的红曲霉，半知菌类的曲霉、青霉等。它们可用于生产多种霉制剂、抗生素、有机酸及甾体激素等。,第一节 工业微生物菌种概述,4酵母菌,酵母菌为单细胞真核生物，在自然界中普遍存在，主要分布于含糖较多的酸性环境中，如水果、蔬菜、花蜜和植物叶子上，以及果园土壤中。石油酵母较多地分布在油田周围的土壤中。酵母菌多为腐生，常以单个细胞存在，以发芽形式进行繁殖，母细胞体积长到一定程度时就开始发芽。芽长大的同时母细胞缩小，在母子细胞间形成隔膜，最后形成同样大小的母细胞，如果子芽不与母细胞脱离就形成链状细胞，称为假菌丝。在发酵生产旺期，常出现假菌丝。,酵母菌是人类最早大规模利用的微生物，目前工业上用的酵母菌有：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等。分别用于酿酒、制造面包、生产脂肪酶以及生产可食用、药用和饲料用酵母菌体蛋白等。,第一节 工业微生物菌种概述,5噬菌体,噬菌体是一些专门感染菌类的病毒的总称。病毒是一类比细菌小，没有细胞结构，不能独立生活的微生物。病毒虽然结构简单、形体极其微小，甚至在细胞外不表现出生命活性，但一旦侵入活细胞，就会利用宿主细胞提供的原料、能量和合成场所，在细胞内合成病毒，并最后导致宿主细胞破裂，释放出大量合成好的新病毒。,在发酵工业中，一旦污染了噬菌体，轻则使发酵周期延长，发酵单位产量下降，重则造成,“,倒罐,”,，使发酵失败，造成巨大经济损失。,第一节 工业微生物菌种概述,二、工业微生物菌种的筛选,微生物菌种使工业发酵生产的重要条件，优良菌种不仅能提高发酵产品的产量、原料的利用率，而且缩短生产周期，改进工艺条件等密切相关。因此，必须充分重视优良菌种的筛选、选育、保藏和培养等工作。而这其中，筛选得到一个优良的菌株是第一步。,1微生物,生物产物的来源,不管过去、现在和将来，微生物都是各种生物活性产物的丰富资源。微生物产生的生物活性物质很多，有初级代谢产物，如氨基酸、维生素等；有次级代谢产物，如抗生素等。要获得所需生物特性的新产物，关键在于两点，一是生物产物的来源,微生物的选择；二是采用什么样的筛选方案（检测系统）。,第一节 工业微生物菌种概述,尽管从发现微生物到现在的几百年间，科学家们对微生物做了大量的研究工作，但目前人们对微生物的认识还是十分不够的。已经初步研究的不超过自然界微生物总量的10%左右。微生物的代谢产物据统计已超过一千三百多种，而大规模生产的不超过一百多种；微生物酶有近千种，而工业利用的不过四五十种。可见潜力是很大的。过去的60多年里，重点放在筛选医疗用途的抗生素。,第一节 工业微生物菌种概述,抗细菌治疗方面：青霉素、头孢菌素和四环类抗生素；抗癌、抗真菌感染方面：丝裂霉素、灰黄霉素等；其他治疗方面：高血压药物、血胆甾醇过少药和免疫调节剂。,由于微生物细胞的内含物及其周围的培养基成分极其复杂，且所需的产物可能每毫升只有微微克到毫克这样一个数量级，因此不管寻找哪一类生物活性物质，在选择筛选方法时必须考虑选择性和灵敏度两个方面，即需要灵敏度很高的专一性检测方法。,第一节 工业微生物菌种概述,2待筛选样品的性质,寻找能够产生新产物的微生物，在其培养时可用固体或液体培养基培养，并进行筛选。但次级代谢产物的大规模生产是用沉没培养法在液体培养基中进行的，由于在固体培养基和液体培养基中产生的次级代谢物的方式不一样，为了和后面的工业大规模生产保持一致，因此有些厂家在研究初期就以液体培养法为惟一的筛选培养方法。,第一节 工业微生物菌种概述,3筛选方案的设计,对于微生物产生的活性物质，基本上可利用以下三种不同的筛选方法：整体生物；完整细胞；亚细胞制剂。第一种是最直接的、在体内筛选活性物质的方法，但考虑到可处理的样品少，费用高和筛选方法不够灵敏，用这种方法作为初筛是不妥的。一般在初筛中可以使用完整细胞检测是否有活性物质产生。,第一节 工业微生物菌种概述,三、微生物选择性分离的原理,可根据微生物的生态特点从自然界取样分离所需菌种。如从堆积枯枝、落叶和朽木的地方分离产纤维素酶的菌种，从果皮上分离酒精酵母，从油田附近土壤中得到石油酵母，从污泥中得到甲烷产生菌，从海洋中可分离到耐盐和低温产生菌。如果预先不了解某种生产菌的具体来源，一般从土壤种分离，采土方式一般是先除去表土，取离地面515,cm,处的土样。,在过去的60多年里曾筛选出许多产生新的有用的次级代谢物的菌种。这些菌种多半是以经验式的筛选方法获得的。大多数的抗生素均由放线菌属产生。下面介绍放线菌属为主的分离方法原理的发展。,第一节 工业微生物菌种概述,选择性分离方法大致可分为五个步骤：含微生物材料的选择；材料的预处理；所需菌种的分离；菌种的培养；菌落的选择。以上任何一个阶段都可引入选择压力。,1含微生物材料的选择,在选择菌种来源时，存在一些选择标准。对于天然材料，如土壤的选择，来源越是广泛的样品，含有目的类型的微生物的可能性越大，越有可能获得新菌种；另一方面，可寻找已适应相当苛刻的环境压力的微生物类群。这种方法已获得某些成功（见表2-1）。从被污染的实验室培养基中分离出嗜盐菌，从盐场分离出嗜盐链霉菌，说明在富盐环境中存在一类尚待开发的放线菌。,第一节 工业微生物菌种概述,在酸性土壤圈的放线菌类群与其紧接下层的中性圈的放线菌类群有很大的不同。因此，也有可能利用同一生态环境内的不同环境条件分离出更多种类的菌株。自然环境的菌群也会因人类的活动而改变，如土壤中加入去莠津会导致放线菌菌群数量的增加。,还有一些新的生态环境仍有待开发。例如，有人从,Componia,的根瘤中分离出一株放线菌，并从白蚁的肠子里分离出一株类似放线菌的细菌。但迄今仍很少有人从厌氧微生物中筛选次级代谢产物。,第一节 工业微生物菌种概述,表2-1 能适应极端环境条件的放线菌产生的次级代谢产物,微生物,产 物,微生物,产 物,嗜冷的链霉菌属,抗生素,SP351,海洋链霉菌,Aplasmomycin,嗜热的链霉菌属,榴菌酸,耐高渗链霉菌,未鉴别的抗生素,嗜热的抗生素高温放线菌,嗜温红霉素,嗜碱链霉菌,经鉴别的抗生素,耐高温,Saccharopolyspora hirsuta,Sporaricin,嗜酸链霉菌,各种抗生素,第一节 工业微生物菌种概述,2材料的预处理,为了提高从原材料中分离出所需菌种的效果，人们设计了各种预处理材料的方法。表2-2列出处理放线菌材料的各种方法。,物理方法有加热、过滤、离心等。热处理通常可减少材料中的细菌数。因为许多放线菌的繁殖体、孢子（如链霉菌）和菌丝片段（如红球菌）比,G,细菌细胞更耐热。因此加热能减少细菌同放线菌的比例，但同时也减少了放线菌的数目。,第一节 工业微生物菌种概述,表2-2 材料的预处理方法,方 法,处理方式,材 料,分离出的菌体,物理方法,加热：55，6,min,1001h，4026h,膜过滤法,离心法,在沉淀池中搅拌,水、土壤、粪肥,土壤、根土,水,海水、污泥,发霉的稻草,嗜粪红球、小单孢菌属等,链霉菌属、马拉杜菌属、小双孢菌属,小单孢菌属、内孢高温放线菌,链霉菌属,嗜热放线菌,化学方法,养料中加1%（质量分数）几丁质培养,用,CaCO,3,提高,pH,进行培养,土壤,土壤,链霉菌属,链霉菌属,诱饵法,用涂石蜡的棒置于碳源培养基中,花粉,蛇皮,人的头发,土壤,土壤,土壤,土壤,诺卡氏菌,游动放线菌属,小瓶菌属,角质菌属,第一节 工业微生物菌种概述,当样品中的细胞数较少时（如水），通常采用膜过滤法浓缩样品中的细胞。将滤膜置于培养基的表面，放置几个小时后移去，或一直留在上面。滤膜的品种对收集菌的类型有重要的影响。处理放线菌繁殖体含量很低的海水，可先将样品离心后再过滤。,收集在腐烂的稻草和其他植物材料中的嗜热放线菌孢子可在空气搅动下进行。并可用一风筒或一简单的沉淀室收集孢子。然后，用取样器将空气撞击在含培养基的平板上。这样可以减少分离平板中的细菌数目。也有在分离前加一些固体基质（如把几种基质加在土壤中）或洒些可溶性养分来强化培养基。,第一节 工业微生物菌种概述,所谓诱饵技术是将固体基质加到待检的土壤或水中，待其菌落长成后再铺平板。有人曾广泛使用石蜡棒技术来分离诺卡氏菌；用各种诱饵法从土壤中分离耐酸放线菌，游动放线菌科的某些属产生的游动孢子。有人用花粉诱饵从土壤中分离出13株小瓶菌，其中有些是新种或亚种。,3所需菌种的分离,所需菌种的分离效率取决于分离培养基的养分、,pH,和加入的选择性抑制剂。表2-3列举了分离放线菌的各种培养基配方。一般凭经验而不是绝对性选择。,第一节 工业微生物菌种概述,表2-3 用于选择性分离放线菌的若干培养基,主要成分,占优势的分离株,胶态几丁质，矿物盐,链霉菌，微单孢菌,基质浓度减半的营养琼脂,嗜热放线菌,淀粉、酪蛋白、矿物盐,链霉菌，微单孢菌,葡萄糖、天冬酰胺、矿物盐土壤浸液、维生素,马杜拉放线菌、小双孢菌、链孢囊菌,琼脂（诊断灵敏度试验）,诺卡氏菌,矿物盐、丙酸钠、硫胺素（,M,3,琼脂）,红球菌、小单孢菌,第一节 工业微生物菌种概述,其中广泛应用的是几丁质、淀粉-酪素和,M,3,琼脂三种培养基。,几丁质培养基常用来分离土壤和水中的放线菌。但测试过的500株链霉菌和其他放线菌中，只有25的菌种具有强的水解几丁质的能力。许多放线菌生长在能利用几丁质的可作为放线菌碳与氮源的,“,食腐菌,”,上，而其本身却不利用几丁质。,在淀粉-酪素培养基中长出的放线菌种类与几丁质培养基上生长的相似，但其菌落的密度更大、色素更多，同时细菌也容易生长。于这种培养基中加入4.6%（质量分数）的,NaCl,，,有利于链霉菌生长，但不是所有的链霉菌都能耐受这一浓度的,NaCl,。,第一节 工业微生物菌种概述,M,3,培养基是选择性分离培养基中较好的一种，这种养分贫乏的培养基阻滞链霉菌的生长，因而容易分离到其他菌属如红球菌。,因大多数放线菌都是嗜中性的，分离培养基的,pH,通常在6.77.5之间。如要分离嗜酸放线菌，,pH,宜降低到4.55.0。有人从碱性的加拿大土壤中分离出嗜碱链霉菌，它不能生长在低于,pH6.16.8,的条件下。估计嗜碱性放线菌也可能存在于其他碱性环境中。,第一节 工业微生物菌种概述,在分离培养基中加入抗生素来增加选择性是广泛采用的一种方法。在筛选放线菌时，可加入抗真菌抗生素，因为抗真菌抗生素对放线菌无作用，但不能用抗细菌抗生素，因为放线菌对它们也很敏感。如分离种类较广的放线菌，在分离培养基中加抗细菌抗生素时会使得放线菌及其细菌的数量同时减少，但如果分离的种类不那么广，可加入放线菌能耐受的抗生素，如培养基中加入新生霉素（25,g/,mL,）,和亚胺环己酮（50,g/,mL,）,能分离出普通高温放线菌。,第一节 工业微生物菌种概述,4菌落的培养,由于放线菌分离平板通常在2530培养，嗜热菌的培养温度为4555，而嗜冷菌的培养温度则为410，故培养的主要变量为培养时间。分离嗜温菌如链霉菌和小单孢菌一般培养714天；嗜热菌如高温放线菌只需,l2,天。有时培养时间短会漏掉一些新的和不寻常的菌株，因此有人在30和40将培养时间延长到1个月，结果分离出一些不寻常的种属。也有人在20培养6周从海水中获得放线菌。,第一节 工业微生物菌种概述,5菌落的选择,菌落的选择常常是分离步骤中最易受挫折和最耗时间的阶段。采用怎样的选择菌落方式取决于筛选的最终目的。,如要分离某一属的放线菌，常可以用显微镜观察分离平板的方法作鉴别。宜用高倍接物镜和长的操作距离。但这种方法一般不易区分分离平板同一属的不同种，故筛选大量菌落时，会多次重复浪费精力。常用以下两种筛选方法。,第一节 工业微生物菌种概述,（1）铺菌法 于分离平板上铺一层单一的试验菌的办法可用来测定各个菌落的抗生素生产能力。,（2）复印平板法 将菌落复印在平板上的办法来研究它们对一系列试验菌的作用。,虽然这类方法可避免大量移植分离平板上所有菌落的麻烦，但这两种方法都有缺点。铺菌法会使所需要的菌落污染，并且只能在每个平板上铺上一种试验菌。菌落复印平板法对不长孢子的链霉菌则不能使用，也不适用游动细菌的筛选。因此需要设计一种更为有效的筛选新菌种的方法。,第一节 工业微生物菌种概述,四、重要工业微生物的分离,筛选具有潜在工业应用价值的微生物的第一个阶段是分离，分离是指获得纯的或混合的培养物。接着筛选出那些能产生所需产物或具有某种生化反应的菌种。根据分离的菌种不同，有时可以设计出一种在分离阶段便能识别所需菌种的方法；有时则先用特定的分离方法分离微生物，随后再去识别所需生产菌株。值得注意的是，在要求获得高产菌株的同时，还应考虑推广到生产过程时的经济问题。,第一节 工业微生物菌种概述,在筛选所需菌株时宜考虑的一些重要指标：菌的营养特征。在发酵过程中，常会遇到要求采用廉价的培养基或使用来源丰富的原料，如用甲醇作为能源，一般用含有这种成分的分离培养基便可筛选出能适应这种养分的菌种。菌的生长温度应选择温度高于40的