生物工艺学原理教案

南昌大学教学档案课程名称：生物工艺原理学院：生命科学与食品工程学院教师姓名：熊涛职称：教授教学课时安排内容体系教学内容课时生物过程原理第一章生物技术概论2第二章菌种来源，生物活性物质的筛选和菌和保藏2第三章新技术育种原理及其进展3第四章基因工程原理3第五章代谢调控4第六章培养基2第七章种子扩大培养2第八章培养技术过与过程建模2第九章发酵工艺监控2第十章酶与细胞的固定化技术及其应用2第十一章蛋白质组学及其在微生物研究中的应用4第十二章动物细胞培养2第十三章植物细胞培养2生物物质分离和纯化原理第十四章下游加工过程概论2第十五章发酵液的预处理和固液分离方法4第十六章细胞破碎与非选择性蛋白分离3第十七章沉淀法2第十八章膜分离过程4第十九章溶剂萃取，两水相萃取法4第二十章离子交换法3第二十一章吸附法与色层分离4第二十二章电泳分离法4第二十三章结晶与干燥2合计64课程教材：储炬、李友荣主编，现代生物工艺学（上册），华东理东大学出版社，2007主要参考书：1陈代杰,朱宝泉.工业微生物菌种选育与发酵控制技术.上海:科学技术文献出版社,1995.2[美]C.贾德森.金.分离过程.北京：化学工业出版社，19903刘茉娥等.新型分离技术基础.杭州：浙江大学出版社，19934王学松.膜分离技术及其应用.北京：科学出版社，19945陆九芳等.分离过程化学.北京：清华大学出版社，19946刘国诠.生物工程下游技术.北京：化学工业出版社,2003.7WeatherLR.EngineerinProcessesforBioseparation.London:Butterworth-Heineman,1994第一部分生物过程原理（共32学时）第一章绪论教学基本要求：使学生掌握生物工艺学的定义，特点，生物技术概念的范畴，了解生物技术的发展及应用概况，了解生物技术在各个领域的应用及发展趋势，激发学生学习生物工艺原理的兴趣。教学内容：1.1生物技术的定义⑴1919年匈牙利艾里基提出：“凡是以生物机体为原料，无论其用何种生产方法进行产品生产的生物技术”都属于生物技术；⑵20世纪70年代末，80年代初提出的定义倾向于：必须采用基因工程等一类具有现代生物技术内涵或以分子生物学为基础的技术；⑶国际经济合作与发展组织（IECDO）在1982年提出定义：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用，将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务的技术；在国际经济合作与发展组织（IECDO）提出生物技术定义的特点：生物作用剂：指从活的或死的微生物、动物或植物的机体、组织、细胞、体液以致分泌物以及上组分中提取出来的生物催化剂——酶或其他生物活性物质；提供的产品：可以是工业、农业、医药、食品等产品；被作用的物料：可以是有关的生物机体或其中的有关器官，如细胞、体液以及极少量必须的无机物质；应用的自然科学：可以是生物学、化学、物理学等以及相关的分支学科，交叉学科；应用的工程学：可以是化学工程、机械工程、电气工程、电子工程；1.2生物技术的发展及应用概况生物技术的发展分为四个时期：经验生物技术时期；近代生物技术的形成和发展时期；近代生物技术的全盛时期，现代生物技术的建立和发展时期；1.2.1经验生物技术时期（人类出现到19世纪中期）生物技术的发展和利用可以追溯到1000多年（甚至4000多年）以前如酒类的酿造，豆粮轮作的方法等，主要产品有果酒、酸奶、啤酒、大豆酿酱油，多种植物配制剂——麻沸散等。经验生物技术时期的技术为其后生物技术相关理论的建立创造了条件。1.2.2近代生物技术建立时期（19世纪中期至20世纪40年代）这一时期的诞生是与显微镜的诞生和微生物的发展以及微生物学的问世密切相关的。20世纪初，人们发现某些梭菌能够引起丙酮、丁醇的发酵，随之引发了一系列初级代谢产物的生产。这一时期是人类有意识地利用某些微生物进行生产的时期，这一时期的发酵产物的特点：都属于微生物形成的初级代谢产物，发酵以厌氧发酵居多，发酵产品主要为某些有机溶剂。这一时期进行大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等。1.2.3近代生物技术全盛时期（20世纪40年代至20世纪70年代末）1929年Flemming发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的产品——抗生素。第二次世界大战促进许多科学家和工程师齐心协力，攻克许多难关，实现了青霉素的工业化生产。20世纪40年代，抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业。这一时期生物技术的发展主要成就有：青霉素的发现及其开发概况、酶反应过程和生物转化的过程的开发概况等，为基因工程的建立和新的生物技术时期的来临创造条件。区分初级代谢产物和次级代谢产物初级代谢产物：指微生物处于对数生长期所形成的产物，主要是与细胞生长有关的产物，如氨基酸、核酸、蛋白质、碳水化合物以及能量代谢有关的副产品，如乙醇、丙酮、丁醇等。次级代谢产物：次生代谢物的产生与产生这种产物的微生物本身的生长和生命活动并不是密切相关的，它们一般产生于微生物生长的稳定期，他们的结构往往非常复杂。1.2.4现代生物技术建立和发展时期（20世纪70年代末开始）现代生物技术时期是以分子生物学的理论为先导，基因工程的技术开始能作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术后算起的。80年代以来，随着重组DNA技术的发展，人们可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段。基因工程的应用首先集中于许多多肽或蛋白质的生化药物中，如胰岛素、干扰素等。这一时期生物技术的发展主要有：单克隆抗体的发展和应用；动、植物细胞培养技术的应用；杂交技术在动植物生产中的应用；转基因植物和动物的研究和开发，克隆动物的发展及取得的成就等方面。1.3生物技术的发展趋势1.3.1.深入开展人类后基因组学的研究，逐步掌握人类生、老、病、死的自然规律有关后基因组学的研究概括讲就是：首先要将完成图的碱基对序列中所有的基因识别出来，其次要鉴别每一个基因的生物化学结构和性质，最后要搞清所有基因与人类生、老、病、死的关系。后基因组学的研究主要包括：结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学。1.3.2.逐步深入的开展基因诊断和基因治疗研究基因诊断是通过基因工程的手段对生物体的基因组DNA片段及其转录产物进行定性和定量分析；基因治疗是以正常基因通过病毒载体原位转入病人体内以取代原来缺陷或病变的基因，也可以是使原来丧失表达能力或使原来丧失表达能力或使机体产生免疫基因已达到抗肿瘤、抗病毒的目的。1.3.3加强各种生物技术新药物的研究开发加强对重组激素、重组细胞因子、从足溶血栓物质、治疗性抗体的研究开发。1.3.4.人类干细胞培养或胚胎工程的发展人类干细胞可分为两类：全能性干细胞和多能性干细胞；前者能发育成完整的个体，后者只能发育成人体某一脏器或组织，如肝脏、肾脏、心脏或骨胳、皮肤、肌肉等。人类胚胎干细胞来自早期胚胎，这些全能型干细胞后来发育成多能性干细胞。1.3.5转基因动物的发展，克隆动物的发展成就转基因动物是通过基因工程手段获得在基因中整合了外源基因的动物。克隆动物是指通过无性繁殖的手段复制而诞生的动物，其外形和生理性状均与其供体细胞相同的动物。1.3.6加速对人类功能基因的研究开发由于功能基因对人类的健康以及药物研究开发的关系密切，因此各国科学家相互争先把已知的功能基因进行相当深入的研究以获得发明专利权。1.3.7基因农作物为农作物方面的发展前景转基因农作的重点发展方向是：抗虫害的转基因农作物；寻找新的抗病毒基因并将其转入一些重要农作物中；抗干旱、抗盐碱、抗重金属、抗水涝、抗寒冻等的转基因农作物；1.3.8加强与环境保护学科的合作研究主要集中在对环境污染的生物治理。1.3.9积极开展海洋生物技术的研究1.3.10大力发展与生物技术相关的工程技术学科的研究第二章菌种来源教学基本要求：使学生掌握典型微生物新种分离筛选过程，微生物选择性分离的原理和发展，并了解常见的工业微生物及其用途。教学内容：2.1微生物的特点微生物的资源非常丰富，广泛分布于土壤，水和空气中，尤其土壤中最多。有的微生物从自然界中分离出来就能被利用，有的需要对分离到的微生菌种进行人工诱变，得到突变株才能被利用。微生物的特点是：种类多，分布广；生长迅速，繁殖速度快；代谢能力强；适应性强，容易培养。2.2常见的工业微生物2.2.1细菌工业常用细菌有：枯草芽孢杆菌，醋酸杆菌，棒状杆菌，端杆菌等；用途：用于生产淀粉酶，乳酸，氨基酸和肌苷等。2.2.2酵母菌工业常用酵母菌有：啤酒酵母，假丝酵母，类酵母等。用途：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蛋白等。2.2.3霉菌工业常用霉菌有：藻状菌纲的根霉，毛霉，犁头霉，子囊霉纲的红曲霉，半知菌类的曲霉，青霉等。用途：多种酶制剂，抗生素，有机酸及辎体激素等。2.2.4放线菌工业常用放线菌有：链霉菌属，小单孢菌属和诺长菌属等。用途：产生抗生素，微生物中发现的抗生素，有60%来自放线菌。2.2.5担子菌通常所说的菇类微生物。用途：多糖，橡胶物质和抗癌药物的开发。2.2.6藻类自然界分布极广的一类自养微生物。人类保健食品和饲料，（螺旋藻）环境治理，产生能源。2.3典型的微生物新种分离筛选过程分离微生物新种的具体过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定等步骤，如下图所示。2.4微生物选择性分离的原理和发展在过去的半个世纪里曾筛选出许多产生新的有用的刺激代谢产物的菌种，这些菌种多半是利用经验式的筛选方法获得的。大多数的抗生素均由放线菌纲产生。下面介绍以放线菌为主的分离方法原理的发展。选择性分离方法大致分为五个步骤：①含微生物材料的选择；②材料的预处理；③所需菌种的分离；④菌种的培养；⑤菌种的选择和纯化。以上任何一个阶段都可以引入选择压力。2.4.1微生物材料的选择在选择菌种来源时，存在以下一些标准：①对于天然材料，如土壤的选择，来源越是广泛的样品，含有目的微生物的可能性就越大，越有可能获得新的菌种；②可寻找已适应相当苛刻的环境压力的微生物类群；③在酸性土壤圈的放线菌类群与紧接下层的中性圈的放线菌类群有很大的不同；④自然环境的菌群可因为人类活动而改变；⑤更新的生态环境有待于进一步开发。2.4.2材料的预处理为了提高菌种的分离效果，人们设计了各种处理材料的方法，有物理方法、化学方法和生物方法。物理方法：加热，过路，离心，沉淀池中搅拌。化学方法：加几丁质或碳酸钙提高PH。诱饵法：花粉，蛇皮，人的头发，涂石蜡的棒。2.4.3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。一般凭经验而不是绝对的选择。培养基养分：几丁质（用来分离土壤或水中的放线菌），淀粉——罗素（和几丁质相类同），M3群脂(阻滞链霉素的生长，容易分离到其他霉菌)。PH值：(1)6.7——7.5之间（大多数放线菌，嗜中型）(2)4.5——5.0（嗜酸性）(3)6.1——6.8（嗜碱性)选择抑制剂：抗细菌抗生素，抗真菌抗生素；分离培养基中加入抗生素。2.4.4菌种的培养温度，时间两方面主要变量为时间。放线菌平板通常在25-30℃；嗜热菌通常在45-55℃；嗜冷菌通常在4-10℃；在此三者中可加入时间变量。分离嗜温菌如链霉菌和小单胞菌一般培养7~14天；嗜热菌如高温放线菌只需1~2天。有时培养时间短会漏掉一些新的和不寻常的菌种，因此有人在30℃和40℃将培养时间延长1个月，结果分离出一些不寻常的种属。2.5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。在筛选所需菌种时宜考虑：（1）菌的营养特性；（2）菌的生长温度，应选择温度高于40℃的菌种；(3)菌对所采用的设备和生产过程的适应性；（4）菌的稳定性；（5）菌的产物的率；（6）容易从培养液中回收产物。理想的分离步骤是从土壤环境开始的，土壤中富于各种分离的菌。设计的分离步骤应有利于具有工业重要特征的菌的生长。2.5.1施加选择压力的分