生物工艺原理考试总结

生物技术：应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂的作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。涵盖的学科：基因工程，细胞工程，发酵工程，酶工程，蛋白质工程生物药物：抗生素（天然抗生素，半合成抗生素）、生化制品（胰岛素，酶抑制剂）、生物制品（疫苗，免疫球蛋白，血液制品）发酵：一切依靠微生物的生命活动来获取产品的过程。生物技术特点：反应条件温和，原料无毒无害，所用生物体无毒无害，反应过程从生命体自调方式进行调节，容易进行高分子化合物的合成生物工艺原理：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。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，发酵的机理，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。生物工艺过程：保藏菌种→菌种活化→发酵种子制备→发酵→提取→产品培养基：提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的，按一定比例配制的多种营养物质的混合物1.天然培养基→自来水合成培养基→纯化水2.按形态分为：①固体培养基（进行孢子制备、保藏，有子实体的真菌培养，固体曲）②液体培养基3.按生产工艺分类：(1)孢子培养基（使孢子快速繁殖）：①培养基营养成分不能太丰富②水分适中（20％—25％）③无机盐—一般不需要额外添加(2)种子培养基（使孢子萌发菌丝体，让菌丝体成长为种子）：①营养丰富完全②粘度不宜过大③最后一级种子培养基成分与发酵培养基尽量接近（减短适应期，即延滞期，增长生产期）(3)发酵培养基（使种子大量繁殖，合成产物）：①营养满足菌体细胞的生长，还需有合成产物所需的特定物质②原料的利用率高，发酵副产物少，三废少③原料因地制宜，价格低廉，性能稳定培养基选择依据（原则）：不同微生物（酶系不同），不同目的（工艺不同），不同理化性质（PH，渗透压，水活度不同），经济节约培养基的设计及确定：调查研究（菌种，代谢途径，产物的结构和性质，提取方法）→实验摸索碳源（一）糖类：葡萄糖、乳糖、蔗糖、淀粉、糖蜜葡萄糖（淀粉水解糖）特点：快速利用碳源，促进菌体细胞生长注意：快速利用会抑制产物合成，代谢方向变化，生理环境的不良反应（二）油脂类（微生物能分泌脂肪酶才能利用）（三）有机酸（有机酸的氧化伴随着碱性物质的生成，是PH升高）（四）烃醇类氮源：构成菌体成分，作为酶的组分或维持酶的活性，合成含氮的产物）（一）有机氮源：为微生物提供营养物质，提供产物的含氮骨架，为产物提供前体物质、金属离子和维生素，作为辅酶，提高酶的催化活性种类：牛肉膏，蛋白胨，玉米浆，尿素，麸皮，米糠特点：利用速率慢，营养成分全面丰富（二）无机氮源种类：氨水，铵盐或硝酸盐等特点：细胞利用速率快，易引起PH变化（三）生理酸/碱性盐生理酸性盐：经微生物细胞生理代谢后生成酸性物质的无机氮源（NH4）2SO2生理碱性盐：经微生物细胞生理代谢后生成碱性物质的无机氮源NaNO3无机盐及微量元素：构成菌体成分，作为酶的组成部分，酶的激活剂，调节培养基渗透压，调节ph值（1）磷酸盐：提供细胞、产物的磷；能量传递；磷酸盐缓冲液调节PH（2）硫酸盐：构成含S产物，细胞内容物；构成辅酶活性基（3）镁盐、钾盐、钠盐：酶的激活剂；调节细胞渗透压；改变细胞通透性（4）微量元素：细胞产物的构成生长因子：构成细胞的组分，促进生命活动的进行水：微生物吸收营养物质或排泄代谢废物的介质；调节细胞生理环境的温度；作为培养基的溶剂前体、促进剂、抑制剂前体：加入培养基中，能直接被微生物在生物合成过程结合到产物分子中去，而自身的结构并没有多大的变化，但产物的量却因加入而有较大的提高作用：提高产物的产量（提高合成速率，调节代谢方向，减少结构相似的其他产物的合成）有利于提取分离。缺点：细胞毒性→分批添加，定量流加，在产物的生产期添加。促进剂：对发酵起一定促进作用的物质作用：促进细胞生长；改善细胞通透性；推迟菌体自溶；调节代谢过程；改善发酵液的性质；降低发酵严重产物的浓度抑制剂：抑制一种途径而使另一种途径活跃起来制备培养基应该注意的问题：快速利用的碳氮源与慢速利用的碳氮源相结合；适宜的碳氮比；生理酸/碱性盐与PH调节剂配合使用影响培养基质量的因素：原材料的质量和品种、灭菌操作、水质的影响淀粉水解糖：把淀粉经一定程度水解得到的混合物原料：薯类、玉米、小麦、大米。制备方法：酸解法、酶解法、酸酶结合法。灭菌：利用物理和化学方法杀灭或除去物料及设备中一切有生命物质的过程消毒：用物理或化学的方法杀死无聊、容器、器具内外的病原微生物，一般只能杀死营养细胞而不能杀死芽孢灭菌方法：（1）干热灭菌法：要求保持干燥的实验器具和材料（2）火焰灭菌（灼烧法）：接种针、玻璃棒、三角烧瓶（3）电磁波、射线灭菌法：表面灭菌和无菌室、培培养间灯空间的灭菌（4）湿热灭菌法（5）化学试剂灭菌法：生产车间环境的灭菌，接种操作前小型器具的灭菌（6）过滤灭菌法：热敏性澄清液体和气体灭菌致死温度：杀死微生物的极限温度。致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间。热阻：微生物在某一特定条件下的致死时间。相对热阻：某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。微生物的热死规律—对数残留定律：dN/dt=-kNN----培养基中残留活菌数在相同的温度下，K值越小则微生物越耐热；同种微生物在不同的灭菌温度下，k值不同，灭菌温度越低，k值越小；温度越高，K值越大。高温瞬时灭菌的依据①营养成分分解动力学：dc/dt=-k’ck’=A’e-E’/RT(阿累尼乌斯方程)②细胞死亡：dN/dt=-kNk=Ae-E/RT③高温瞬时灭菌：T：T1→T2k’：k’1→k’2k1’=A’e-E’/RT1k’2=A’e-E’/RT2211211''lnTTREkkEEkkkk1212''lnln实消（间歇灭菌）：在每批培养基全部流入发酵罐后，就在罐内通入蒸汽，加热至灭菌温度后维持一段时间，再冷却到接种温度流程：配料罐→发酵罐→通蒸汽→维持一段时间→通气→降温优点：附属设备少，二次污染几率低，适合于粘度较大、固形物含量高的培养基的灭菌缺点：营养成分损失多，发酵罐利用率低，能量利用率低，不能避免营养成分之间的反应连消（连续灭菌）：培养基在通入到发酵罐的过程中进行加热，保温，降温灭菌的过程。流程：由热交换器组成的连消系统，由连消塔、维持罐、冷却器组成的连消系统优点：营养成分损失少，发酵罐的利用率高，能量利用率高，能分开灭菌，避免营养成分的相互反应缺点：附属设备多，二次污染几率高，不适合黏度较大、固形物含量高的培养基灭菌影响培养基灭菌的因素：物料、培养及成分（固形物、油脂、蛋白质类物质）、泡沫、空气发酵用空气所需达到的要求：气流和压强（0.1—2.0vvm）、相对湿度（＜70%）、洁净程度空气净化的方法：热灭菌法、静电除菌、介质过滤除菌法空气净化的流程：吸气口吸入→粗过滤器过滤→空气压缩机压缩→冷却除油水→加热降湿度→过滤器→净化空气共价修饰：酶中的氨基酸残基与化学物质共价结合或解离别/变构效应：一种小分子物质与酶分子上的相应部位非共价结合改变酶分子构象从而改变酶催化活性别/变构酶特性：多亚基结构（活性中心和调节中心）、反馈抑制作用、脱敏作用（酶经特定处理后，不丧失酶活性而失去对效应物的敏感性的作用）酶合成的调节：酶合成的诱导、代谢产物的反馈阻遏、分解代谢阻遏针对基本代谢的调控思路：改变酶活性、变构酶脱敏、基因水平上的去阻遏、加诱导物、降低终产物在细胞内的浓度谷氨酸发酵代谢调控：筛选菌种：谷氨酸棒状杆菌（α—酮戊二酸脱氢酶活力低，谷氨酸脱氢酶活力高）、生物素缺陷性菌株（异柠檬酸裂解酶活力低）生产过程：前期充足供应生物素，中后期限量供应生物素初级代谢：微生物在生命前期进行的，与其生长繁殖密切相关的代谢活动特点：代谢产物合成速率与细胞生长速率成正比vp=kvx初级代谢产物：微生物在生命前期产生的，与其生长繁殖密切相关的代谢产物次级代谢：微生物在生命后期进行的，与其生长繁殖无关的代谢活动特点：次级代谢产物不参与细胞的生长繁殖；次级代谢产物的合成至少部分受到与初级代谢无关的遗传物质的控制；次级代谢产物发酵经过两个阶段，即营养增殖期和生产期；产物的合成速率与细胞浓度有关；次级代谢酶的特异性低次级代谢产物：微生物在生命后期产生的，与其生长繁殖无关的代谢产物初、次级代谢之间的关系：次级代谢产物由初级代谢产物衍生而来；次级代谢过程要求细胞在初级代谢过程中有一定的积累量工业生产常用微生物原核：细菌、放线菌；真核：酵母菌、霉菌、担子菌、黑曲霉、藻类细菌营养特性：不能利用多糖，没有水解多糖的酶，发酵主要用淀粉水解糖（含无机盐、氨基酸等）培养特性：个体小，随菌体数量增加，培养液黏度不会显著增大，供氧压力影响小，对搅拌引起的剪切力不敏感，可通过增加搅拌增加溶O2量产品：氨基酸、维生素B12、核黄素、纳豆激酶、乳酸放线菌营养特性：可以利用多糖，在含有机质丰富的微碱性土壤中分布较广培养特性：丝状菌，随菌体浓度增加，发酵液浓度增加，黏度显著增大，对搅拌引起的剪切力敏感，搅拌可破坏菌体细胞使产量降低产品：抗生素、红霉素、克拉维酸、链霉素对剪切力敏感在发酵罐中加入挡板，利用气化式搅拌霉菌营养特性：可以利用多糖培养特性：浓度大，培养液呈纸浆状，接种量5%，引起黏度增大，慢速C源，搅拌速度慢产品：抗生素，果胶酸，酶制剂，玆体激素工业发酵对菌种的要求：生长迅速，发酵单位高，遗传性能稳定，具备抗感染能力，营养要求低，工艺条件易控制，代谢产物无毒害作用，不影响产品质量自然选育菌种：1.样品采集：根据待生产产物的特性来筛选样品2.增殖培养：特定营养物质、特殊培养条件、加指示菌3.纯种分离：单菌落分离法（划线法）、稀释法4.生产性能的测定：遗传稳定性、能否生产产物、生产产物的能力、是否产生毒害物质诱变育种：目的菌株→诱变，确定诱变剂量→初筛→复筛→生产菌株菌种改良：1）DNA重组技术：目标DNA片段的获得→与载体DNA分子连接→重组DNA分子引入宿主细胞→从中选出含有所需重组DNA分子的宿主细胞2）杂交育种（原生质体融合技术）：标记菌株的筛选、原生质体的制备、原生质体的融合、融合子的选择、实用性菌株的筛选种子扩大培养：将处于休眠状态的保藏菌种接入试管斜面，活化后经扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程任务：为发酵提供相当数量，质量的种子要求：种子液中菌体的数量和浓度满足要求，菌体活力强，菌体生理性状，生产性能稳定，无杂菌污染。工艺：保藏菌种→活化→种子的制备→发酵→发酵菌活化：剔除变异菌，使菌株恢复活力种子扩培级数的确定：由菌体在种子罐中的培养次数确定（生产规模、菌种的生长特性）发酵级数=种子扩培级数+1种龄：种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子发酵罐的培养时间接种量：接入的种子液的体积和接种后培养液的体积比接种目的：提供菌种，为菌种在新环境中的生长提供酶，保证生产菌的优势状态种子质量控制指标：菌体细胞的形态，培养液的颜色，气味，形态影响种子质量的因素：培养基，培养条件，种龄，接种量，种子质量标准种子异常分析：1）菌种生长发育缓慢或过快：与孢子质量以及种子罐的培养条件有关2）菌丝结团：搅拌效果差，接种量小3）菌丝粘壁：搅拌效果不好，泡沫过多以及种子罐装料系数过小OD：光密度（反映阶段）DO：溶氧RG：残糖：（1）适应期细胞数目少，变化缓慢（2）对数期，细胞数目急剧升高（3）稳定器：糖的消耗主要用于产物的合成参数的检测形式：（1）在线检测：T、pH、DO（2）取样检测：RG、残氮、产物产量在线检测对传感器的要求：耐高温，高压；探头稳定性好，实用维护方便；探头不易堵塞；介个合理，便于推广发酵过程中的主要控制参数：pH值，温度，溶解氧浓度，基质含量，空气流量，压力，搅拌速度，搅拌功率，黏度，浊度，料液流量，产物的浓度，氧化还原电位，废气其中的氧含量，废气中德CO2含量，菌丝形态，菌体浓度温度对发酵过程的影响：影响酶的活性，影响细