发酵工艺学课件

,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,发酵工艺学,倪孟祥,张艳锋,生命科学与技术学院,微生物制药教研室,Email:nimx_2000,aliyun,.com201,4,.2,发酵工艺学倪孟祥 张艳锋,1,一、教材： 何建勇 主编 发酵工 艺学,二、参考书以及文献：,生物工艺学：储炬主编。,生物工程学报,食品与发酵工业,中国抗生素杂志,微生物学学报,应用微生物学杂志,Bioengineering and Biotechnology,一、教材： 何建勇 主编,2,第一章 绪论,一、生物技术与生物工程,1,生物技术（,Biotechnology,）,-,是应用自然科学以及工程学的原理，依靠生物作用剂（,biological agents,） 的作用将物料进行加工，以提供产品或为社会服务的技术。,-,是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程（包括医药卫生、能源及农业的产品）以及环境保护的技术。,-,是对生物作用和生物物料加以评价和应用，并进行工业产品生产的技术。,-,是生物系统或生物过程的工业利用,。,发酵工艺学课件,3,特点：,（1）多学科、综合性的科学技术,（2）有生物催化剂的参与,目的,：,是建立工业生产过程或进行社会服务。,生物技术的多学科性,生物学、化学、工程学、医学、药学、农学等。,发酵工艺学课件,4,化学,生物学,生化,生物工程,生物技术,化学工程,工程学,化学生物学生化生物工程生物技术化学工程工程学,5,2,生物工程（,bioengineering,）,一般是指医学工程、环境工程、卫生工程、农业工程、仿生工程、人体功能工程等的总称。,物理过程与生物学的结合。,发酵工艺学课件,6,3,生物化学工程（,biochemical,engineering,）,运用化学工程的原理和方法，对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科。,发酵工艺学课件,7,生物技术工程,基因工程,酶工程,细胞工程,发酵工程,产物,产品,产品,生物技术工程基因工程酶工程细胞工程发酵工程产物产品产品,8,发 酵 工 程,利用微生物进行产品生产,抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、,有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、,生物农药、生物肥料等,医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业,基因工程药物、疫苗及抗体产品,化学工程 生物化工 生物加工行业,传统生物技术,现代生物技术,基因工程菌发酵,发 酵 工 程 利用微生物进行产品生产医药、轻,9,二、生物反应过程的特点,生物反应过程：（,1,）原材料的预处理,（,2,）生物催化剂的制备,(3 ),生物反应器及反应条件,的选择,（,4,） 产物的分离纯化,特点,（,1,）常温、常压,（,2,）原料来源丰富、价廉,（,3),生产设备简单,(4),酶反应过程和发酵过程各具特,点。,发酵工艺学课件,10,三、生物技术的发展简史,1,传统（古老）的生物技术,2,第一代（初期）生物技术产品的出现：,19,世纪末,-20,世纪,30,年代,3,第二代（近代）生物技术产品的发展：,20,世纪,40,年代,4,第三代（现代）生物技术产品的出现,发酵工艺学课件,11,发酵现象酿造食品工业非食品工业青霉素抗菌素发酵工业氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）基因工程菌动物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物,第一个转折点：,非食品工业,第二个转折点：,青霉素抗菌素发酵工业,第三个转折点：,切断支路代谢,:,酶的活力调控,酶的合成调控,(,反馈控制和反馈阻遏,),解除菌体自身的反馈调节,突变株的应用,前体、终产物、副产物等,近代转折点：,基因、动物、海洋,发酵现象酿造食品工业非食品工业青霉素抗菌素发酵工业,12,发酵工程的重大转折点,二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。,1928年由 Fleming发现青霉素,1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究,表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 40u/ml,1943年沉浸培养： 5m,3, 200u/ml,当今：100m,3,200m,3, 5-,10,万u/ml,链霉素、金霉素、新霉索、红霉素,发酵工程的重大转折点二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，,13,主要的技术进展：,通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。,抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。,意义：,抗生素工业的发展,建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法,推动了整个发酵工业的深入发展,为现代发酵工程奠定了基础,主要的技术进展：,14,大型发酵罐搅拌装置,大型发酵罐搅拌装置,15,180M,3,发酵罐车间,大型空气压缩机,180M3发酵罐车间大型空气压缩机,16,发酵车间的空气过滤器,发酵车间的空气过滤器,17,20,世纪,70,年代,细胞融合技术、基因操作技术,等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物,：,增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量,将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物,将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护,20世纪70年代 细胞融合技术、基因操作技术等生,18,动物细胞反应器,动物细胞反应器,19,细胞大规模培养技术,细胞大规模培养 微生物、动植物细胞、藻类细胞等,细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等,占生物技术产品的,40%,以上，达,1OOO,亿美元。,细胞大规模培养技术细胞大规模培养 微生物、动植物细胞、,20,发酵工程产业化发展,目前，全球发酵产品的年销售额在,400,亿美元左右，并以每年约,7,8,的速率增长。,我国发酵行业生产企业有,5000,多家，主要发酵产品的年产值高达,1300,亿元。,发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力,涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题,发酵工程产业化发展目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元,21,21,世纪是生物技术世纪,未来学家说：,21,世纪是生物技术世纪；,科学家预言：,21,世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；,经济学家则认为：,21,世纪,20,年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。,21世纪是生物技术世纪未来学家说：21世纪是生物技术世纪；,22,现代生物技术：,以基因工程为主导，发酵工程为中心，加上酶工程、细胞工程、蛋白质工程等的一个综合体系。,主要包括：重组,DNA,技术、原生质体技术、突变生物合成、组合生物合成、单克隆抗体、组织培养技术,。,发酵工艺学课件,23,具体：,开发新产品、,改造现有生产菌种、,代谢途径工程、,生物转化、,诊断药物的研制及治疗药物的研制、,基因治疗、,转基因动物和转基因植物等。,发酵工艺学课件,24,四、发酵以及发酵工业的范畴,1.,发酵（,fermentation,）,原始定义,现代含义：,是指利用培养微生物来制得产物的需氧或厌氧的任何过程。,发酵工艺学课件,25,2.,发酵工业的范畴,（,1,）微生物菌体发酵,（,2,）微生物酶的生产,（,3,）微生物代谢产物发酵：初级代谢产物,和次级代谢产物,（,4,）微生物转化发酵,（,5,）工程菌发酵,（,6,）动植物细胞发酵,发酵工艺学课件,26,五、发酵工艺的培养方法和过程,（一） 培养方法：,1.,表面培养法,2.,深层培养法,（二） 生产过程,1.,菌种制备,2.,种子制备,3.,发 酵,4.,下游处理,五、发酵工艺的培养方法和过程,27,六、发酵工业的现状及发展趋向,发酵工艺学课件,28,发酵工程在生物技术产业发展中的地位,21,世纪的工业生物技术产业，究竟是一个什么样的格局,？,作为工业生物技术核心的发酵工程，在已经开始的生物经济时代，是处于一种什么状态,？,能起何种作用,？,又面临那些课题,？,这是人们所关注的问题,！,发酵工程在生物技术产业发展中的地位 21世纪的工业生,29,小结,1.发酵的定义，发酵工业的范畴,2.生物工程和生物技术的特点,3.生物反应过程的 一般特点,4.发酵工程的 发展简史,5.发酵过程的一般方法,小结1.发酵的定义，发酵工业的范畴,30,本课程的学习内容,通过,发酵工艺学,的学习，将技术基础课和专业课与发酵工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性及共性，并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今后从事生物技术的有关科研和生产打下良好的基础。,此外，发酵工程的最基本问题是过程优化与放大，通过本课程的学习，对上述过程工程问题与生物学基础有较深入的认识，对有关交叉学科的前沿技术在发酵工程中的应用有一定的了解。,本课程的学习内容通过发酵工艺学的学习，将技术基础课和专业,31,第八、九章 微生物代谢产物的生物合成与调控,微生物的,3,个重要特点：,1.,比表面积大,2.,及其多样化的代谢反应,3.,容易适应多种环境条件,两类代谢产物：,初级代谢产物,次级代谢产物,第八、九章 微生物代谢产物的生物合成与调控,32,初级代谢和次级代谢的关系：,1.,生化代谢,（,1,）具有一个共同的中间体,（,2,）次级代谢产物很多是以初级代谢产物为,母体衍生来的,初级代谢和次级代谢的关系：,33,葡萄糖碳架掺入途径：链霉素、卡那 霉素莽草酸途 径： 氯霉素、新生霉素与核苷有关的途 径： 杀结核菌素聚酮体和聚丙酸途径：四环素、制霉 菌素、灰黄霉素由氨基酸衍生的途径：青霉素、头孢 菌素甲羟戊酸途 径：赤霉素其他复合途 径：博雷霉素、大环内酯类,葡萄糖碳架掺入途径：链霉素、卡那,34,（,3,）两个代谢途径中所涉及的酶不完全相同,（,4,）都受到菌体代谢的调节，相互交错。,2.,遗传代谢,（,1,）都受到核内遗传物质,DNA,的调节控制,（,2,）次级代谢产物还受到与初级代谢产物合,成无关的遗传物质的控制。,发酵工艺学课件,35,第一节 微生物初级代谢产物的,生物合成与调控,一、 微生物生物合成的初级代谢产物,二、 初级代谢产物生物合成中的主要调控机,制,代谢调控的类型主要有：酶活性的调节，酶合成的调节。,（一）酶合成的调节,1.,酶合成的诱导调节,组成酶和诱导酶,第一节 微生物初级代谢产物的,36,底物的结构类似物诱导,顺序诱导,2.,酶合成的阻遏,降解酶：诱导和分解代谢产物调节,合成酶：反馈调节,（,1,）分解代谢物调节：葡萄糖效应,（,2,）反馈阻遏： 单一终产物阻遏、多价阻,遏、累加阻遏,底物的结构类似物诱导,37,3.,酶合成诱导及阻遏的调节机制：,操纵子学说,4.,分解代谢产物阻遏机制,发酵工艺学课件,38,（二）酶活性的调节,1.,酶活性的激活,2.,酶活性的抑制,包括：竞争性抑制和反馈抑制。,发酵工艺学课件,39,反馈抑制：,（,1,）协同反馈抑制,（,2,）累积反馈抑制,（,3,）增效反馈抑制,（,4,）顺序反馈抑制,（,5,）同功酶调节,发酵工艺学课件,40,3.,酶活性的调节的机制：,调节酶学说（变构酶学说,/,别构酶学说）,（三）能荷调节,能荷（,%,）,= 100%,三、初级代谢产物生物合成中的主要调控机,制的实际应用,3. 酶活性的调节的机制：,41,第二节 微生物次级代谢产物的,生物合成与调控,一、微生物合成的次级代谢产物的基本特征,1.,次级代谢产物具有种的特异性,2.,产生菌生长周期可分为三个时期,3.,次级代谢产物大多是结构相似的混合物,4.,次级代谢产物的合成受多基因控制,发酵工艺学课件,42,二、次级代谢产物的构建单位,前体,1.,短链脂肪酸与聚酮体,内酯环（大环内酯类）、四环类、蒽醌环,2.,甲羟戊酸,赤霉素、生物碱等,3.,糖类和氨基酸,大环内酯,二、次级代谢产物的构建单位,43,4.,非蛋白氨基酸,D-,氨基酸、,N-,甲基氨基酸、脱氢的和,B-,氨基酸,5.,环多醇和氨基环多醇,氨基糖苷类,发酵工艺学课件,44,三、次级代谢产物生物合成的主要调控机制,（一）酶合成的诱导调节,（二）反馈调节,1.,自身反馈调节,抑制抗生素自身合成需要的抗生素浓度与产生菌的生产能力成正比关系。,2.,前体物质的自身反馈抑制,缬氨酸的反馈作用,3.,支路产物的反馈抑制,赖氨酸和青霉素的合成,三、次级代谢产物生物合成的主要调控机制,45,4.,次级代谢产物的自身反馈调节,（三）磷酸盐的调节,0.3300mmol/L,生长,10mmol/L,表现出抑制,1.,促进初级代谢，抑制菌体的次级代谢,2.,抑制次级代谢产物前体的生物合成,3.,阻抑次级代谢中的磷酸酯酶,4.ATP,的调节,5.,对次级代谢产物生物合成的调节机制,4.次级代谢产物的自身反馈调节,46,（四）碳分解产物的调节作用及机理,（五）氮分解产物的调控,1.,次级代谢产物生物合成酶的合成,2.,铵能调节糖代谢中的某些酶的活性,3.,铵能调节某些氨基酸的合成,4.,铵能调节产生菌的淀粉酶和蛋白酶的活性,（六）产生菌生长速率的调节,（七）溶解氧的调节作用,（四）碳分解产物的调节作用及机理,47,小结,1.基本概念,2.酶调节的机制,3.次级代谢产物调节的特点。,小结1.基本概念,48,第二章 菌种选育理论与技术,利用工业微生物发酵生产的过程中，决定生产水平高低最主要的有三个方面的因素：生产菌种，发酵工艺和后提取工艺。其中最重要的是生产菌种。,菌种选育的最初目的是改良菌种的特性，使其符合工业生产的要求。,第二章 菌种选育理论与技术利用工业微生物发酵生产的过程中，决,49,菌种选育的目的,菌种选育的目的,50,菌种选育的基本内容,根据菌种自然变异而进行的自然选育，以及用人工方法引起菌种变异或形成新的杂种，再按照工业生产的要求进行筛选来获得新的变种或杂种。,菌种选育的基本内容 根据菌种自然变异而进行的自然选育，以及用,51,菌种选育技术,自然选育、诱变育种等方法属于经验育种的范畴 ；,原生质体技术、杂交育种、分子生物学方法等现代菌种选育技术。,菌种选育技术 自然选育、诱变育种等方法属于经验育种的范畴 ；,52,第一节 自然选育,自然选育,是一种纯种选育的方法。它利用微生物在一定条件下产生自发突变的原理，通过分离，筛选排除衰退型菌株，从中选择维持原有生产水平的菌株。,第一节 自然选育自然选育,53,一、自然选育的目的,1.纯化菌种,2.防止菌种衰退,3.稳定生产,4.提高产量,一、自然选育的目的1.纯化菌种,54,一、菌种退化与变异原因,1菌种遗传特性的改变,（1）遗传基因型的分离,异核体现象,（2）自发突变（回复突变）,自发突变的原因：,用沙土管等长期保藏；,菌种连续传代，这种自发突变比保藏过程中产生的比例要高；,活细胞内进行的新陈代谢活动，能产生一些具有诱变作用的物质，当这些物质在胞内累积到一定浓度时能诱发,DNA结构的改变。,DNA中存在的增变基因也能诱发基因突变。,有的微生物的染色体上还存在有导致菌体退化的死亡基因，DNA的代谢失调也会引起基因突变而造成菌种退化。,多因素低剂量的诱变效应,互变异构效应,一、菌种退化与变异原因 1菌种遗传特性的改变,55,2,经诱变剂处理后的退化变异,初筛出的菌落可能是由成对或成堆孢子发育成的，其中只有一个细胞诱发了基因突变，在传代中细胞核分裂时，未发生基因突变的细胞逐渐在数量上占优势，便表现出产量下降。,可能是诱变菌种的细胞是异核体，而发生基因突变的只是其中一个细胞核的遗传基因。那么在传代过程中由于产生细胞核的分离现象，高产突变基因的核在数量上失去了优势，便出现产量性状的退化变异。,突变发生在无意义链上，在遗传信息传递过程中被丢失，致使正突变性状的消失。,在诱变剂的作用下，被诱变菌种出现基因混杂，突变的高产基因虽然已经传递到下一代，但在传代使用过程中，当环境条件适合于低产型突变株繁殖时，使其在数量上占优势，便表现出低产水平。,2经诱变剂处理后的退化变异 初筛出的菌落可能是由成对或成,56,3.,菌种生理状况的改变,（,1,）一个菌种不是一个单一的群体，而是由一些变株混合而成的，这些变株所占的比例决定该菌种的特性。,（,2,）菌种培养基的影响。,（,3,）在某些培养条件下，菌体的某些基因处于活化状态或阻遏状态，而使得菌种的生理状态改变。,3.菌种生理状况的改变（1）一个菌种不是一个单一的群体，而是,57,二、自然选育的方法,二、自然选育的方法,58,1.,单孢子悬浮液的制备,定量稀释后制成,50,200,个单细胞,ml,的菌悬液,2.,分离及单菌落培养,根据计数结果，按丝状真菌、放线菌菌落大小不同，分离量以,5,20,个菌落平皿为宜。,3,筛选,将分离培养后的各型单菌落，接斜面培养，成熟后接入发酵瓶，测定发酵单位的过程称为筛选。它分初筛、复筛两个过程。,初筛系指初步筛选，以多量筛选为原则。,复筛是对初筛得到的高产菌株的复试，以挑选出稳定高产菌株为原则。,1. 单孢子悬浮液的制备,59,初筛、复筛都要同时以生产菌株作对照。复筛选出的高单位菌株至少要比对照菌株产量提高5以上，并经过菌落纯度、摇瓶单位波动情况，以及糖、氮代谢等的考察，合格后方可在生产罐上试验。复筛得到的高单位菌株应制成沙土管、冷冻管或液氮管进行保藏。,发酵工艺学课件,60,第二节 诱变育种,通过诱变剂处理就可以大大提高菌种的突变频率，扩大变异幅度，从中选出具有优良特性的变异菌株，这种方法就称为诱变育种。,诱变育种的特点：具有速度快、收效大、方,法简便 ；但是诱发突变缺,乏定向性、工作量大。,诱变育种工作主要包括出发菌株的选择、诱变处理和筛选突变株三个部分。,第二节 诱变育种通过诱变剂处理就可以大大提高菌种的突变频率,61,发酵工艺学课件,62,一、诱变剂的种类,1.,物理诱变剂,紫外线、快中子、,X,射线、,r-,射线、激光,2.,化学诱变剂,（,1,）碱基类似物：,5-Bu,（,2,）与碱基起反应的物质：亚硝酸、氮芥、,羟胺、硫酸二乙酯、,NTG,（,N-,甲基,-N-,硝基,-,N-,硝基胍）,（,3,）丫啶类,3.,生物诱变剂：噬菌体,一、诱变剂的种类1.物理诱变剂,63,二、突变诱发过程,前突变 ：诱变剂所造成的DNA分子的某一位,置的结构改变称之。,前突变可以通过影响DNA复制而成为真正的突变，也可以经过修复重新回到原有的结构，即不发生突变。,二、突变诱发过程,64,（一,),诱变剂接触,DNA,分子前,1.细胞对诱变剂的透性将影响诱变效果。,2.细胞质的某些组分和某些酶可和诱变剂相,互作用而影响诱变效果。,3.与基因所处的状态有关，而基因的状态又,和培养条件有关。,（一)诱变剂接触DNA分子前1.细胞对诱变剂的透性将影响诱变,65,(,二,)DNA,损伤的修复,微生物有五种方式来修复,DNA,损伤。,1,光复活作用,2,切补修复,:,四种酶的作用：核酸内切酶 、核酸外,切酶 、,DNA,多聚酶 、,DNA,连接酶,3.,重组修复 ：又称为复制后修复,4,SOS,修复系统,5,DNA,多聚酶的校正作用：增变突变型,(二)DNA损伤的修复,66,(,三,),从前突变到突变,校正差错 ：光复活作用、切补修复和,DNA,多聚,酶校正作用,引起差错 ：重组修复和,SOS,修复系统,一切影响这些修复系统中的酶活性的因素都能影响由前突变向突变转变这一过程 。,诱变前后的处理可影响诱变的效果 ：,1.,通过影响与,DNA,修复作用有关的酶的活性而影响诱,变的效果；,2.,通过使诱变的目的基因处于活化状态,(,复制或转录状,态,),，使之更容易被诱变剂所作用，从而影响目的基,因的突变率。,(三)从前突变到突变校正差错 ：光复活作用、切补修复和DNA,67,(,四,),从突变到突变型,表型迟延 ：突变基因的出现并不等于突变表型的出,现，表型的改变落后于基因型改变的现,象。,1,分离性迟延,是经诱变处理后，细胞中的基因处于不纯的状态,(,野生型基因和突变型基因并存于同一细胞中,),，突变型基因由于属于隐性基因而暂时得不到表达，需经过复制、分离，在细胞中处于纯的状态,(,一细胞中只有突变型基因，没有野生型基因,),时，其性状才得以表达。,2,生理性迟延,突变基因由杂合状态变为纯合状态时，还不一定出现突变表型，新的表型必须等到原有基因的产物稀释到某一程度后才能表现出来。,(四)从突变到突变型表型迟延 ：突变基因的出现并不等于突变表,68,三、诱变育种方案的设计,诱变育种包括三个环节：突变的诱发、突变株的筛选和突变高产基因的表现。,(,一,),制定筛选目标,(,二,),制定筛选方案,1,诱变过程,(1),出发菌种的斜面,(2),单孢子悬浮液制备,(3),孢子计数,(4),单菌落分离,三、诱变育种方案的设计诱变育种包括三个环节：突变的诱发、突变,69,2,筛选过程,(1),传种斜面,(2),留种保藏菌种,(3),筛选高产菌株,2筛选过程 (1) 传种斜面,70,四、突变的诱发,突变的诱发受到菌种的遗传特性、诱变剂、菌种的生理状态以及诱变处理时环境条件的影响。,1.,出发出株的选择,（,1,）选择纯种,选择发酵产量稳定、波动范围小的菌株,（,2,）选择具有优良性状的出发菌株,选择的出发菌株应当具有我们所需要的代谢特性,（,3,）,对诱变剂敏感,可以提高变异频率，而且高产突变株的出现率也大,（,4,）选择多个出发菌株,四、突变的诱发,71,2.,诱变剂的选择,（1）根据出发菌株的遗传背景,（2）菌株遗传性质的稳定程度,（3）诱变剂本身的特点,（4）诱变剂的剂量,2.诱变剂的选择（1）根据出发菌株的遗传背景,72,3.,影响诱变效果的因素,（,1,）菌种的遗传稳定性以及对诱变剂的敏感性,（,2,）菌种的生理状态,（,3,）菌种的预处理和后处理条件,（,4,）其他外界条件,3.影响诱变效果的因素,73,五、突变株的筛选,(,一,),随机筛选,1,摇瓶筛选法,2,琼脂块筛选法,3,筛选自动化和筛选工具微型化,(,二,),理性化筛选,指运用遗传学、生物化学的原理，根据产物已知的或可能的生物合成途径、代谢调控机制和产物分子结构来进行设计和采用一些筛选方法，以打破微生物原有的代谢调控机制，获得能大量形成产物的高产突变株的筛选方法。,五、突变株的筛选(一)随机筛选,74,1,初级代谢产物高产菌株的筛选,(1),降低终产物浓度：,筛选终产物营养缺陷型,筛选细胞膜透性改变的突变株,(2),筛选抗反馈调节突变菌株,筛选结构类似物,(,抗代谢物,),抗性突变株,抗反馈抑制 、抗反馈阻遏,利用回复突变筛选抗反馈突变菌株,1初级代谢产物高产菌株的筛选 (1)降低终产物浓度：,75,2,次级代谢产物,(,主要是抗生素,),高产 菌株的筛选,(1),利用营养缺陷型筛选,渗漏缺陷型是遗传性障碍不完全的营养缺陷型，突变使某一种酶的活性下降而不是完全丧失，所以这种缺陷型能够少量地合成某一代谢产物，能在基本培养基上少量地生长。,(2),筛选负变株或零变株的回复突变株,(3),筛选去磷酸盐调节突变株,(4),筛选去碳源分解代谢调节突变株,(5),筛选氨基酸结构类似物抗性突变株,2次级代谢产物(主要是抗生素)高产 菌株的筛选(,76,(6),筛选二价金属离子抗性突变株,(7),筛选前体或前体结构类似物抗性突变株,(8),筛选自身所产的抗生素抗性突变株,3.,营养缺陷型筛选,（,1,）营养缺陷型的富集,抗生素富集法、过滤法。,（,2,）营养缺陷型的检出,点种法、夹层琼脂法,（,3,）营养缺陷型的鉴定,点种法、生长谱法,六、突变高产基因的表现,发酵工艺学课件,77,七、诱变育种工作前的准备工作,1.菌种培养特性的摸索。,2.最佳培养条件的摸索。,3.产单位高峰时间。,4.菌种保藏条件的建立。,5.菌种的遗传背景。,七、诱变育种工作前的准备工作1.菌种培养特性的摸索。,78,第三节 杂交育种,杂交育种 是指将两个基因型不同的菌株经吻合,(,或接合,),使遗传物质重新组合，从中分离和筛选具有新性状的菌株。,杂交育种的目的在于：,（,1,）通过杂交使不同菌株的遗传物质进行交换和重新组合，从而改变原有菌株的遗传物质基础，获得杂种菌株,(,重组体,),；,（,2,）可以通过杂交把不同菌株的优良生产性能集中于重组体中，克服长期用诱变剂处理造成的菌株生活力下降等缺陷；,（,3,）通过杂交，可以扩大变异范围，改变产品的质量和产量，甚至出现新的品种；,（,4,）分析杂交结果，可以总结遗传物质的转移和传递规律，促进遗传学理论的发展。,第三节 杂交育种杂交育种 是指将两个基因型不同的菌株,79,霉菌的杂交育种,准性生殖(Parasexual reproduction)是指真菌中不通过有性生殖的基因重组过程。, 选择直接亲本, 异核体的形成, 杂合双倍体的形成, 体细胞重组,染色体交换 、染色体单倍化,霉菌的杂交育种,80,第四节 原生质体技术,一、原生质体制备,1菌体的预处理,2菌体的培养时间,3酶浓度,4酶解温度,5酶解时间,6渗透压稳定剂,第四节 原生质体技术一、原生质体制备,81,二、原生质体的融合,三、融合子的选择,四、原生质体的再生,五、原生质体的诱变,六、原生质体再生与常规诱变相结合,七、灭活原生质体融合技术在育种中的应用,1.,单一亲株灭活,2,双亲株或多亲株灭活,二、原生质体的融合,82,第三章 培养基,第一节 概述,一、培养基的组成,培养基：是人们提供给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。,培养基造成的影响：菌体生长、产物合成、产品的,分离精制、产品的产量和质量,第三章 培养基第一节 概述,83,二、配制工业发酵培养基的一般要求,1.满足菌体生长及产物合成。,2.理化性质稳定。,3.黏度适中。,4.原材料主要要有利于产物合成。,5.不影响通气搅拌和产物的分离精制,6.因地制宜，质优价廉。,二、配制工业发酵培养基的一般要求,84,第二节 培养基的成分,一、碳源,功能：碳架、能源,1.糖类：单糖、双糖、多糖,2.脂肪,3.有机酸、醇,4.碳氢化合物,二、氮源,功能：氮架,第二节 培养基的成分一、碳源,85,1.,无机氮源：,特点：成分单一、质量稳定；,容易被吸收利用,改变培养液的,PH,氨水、铵盐,2.,有机氮源,特点：成分复杂,被菌体利用的速度不一,微生物对氨基酸的利用有选择性,易引起发酵水平的波动,农副产品,发酵工艺学课件,86,三、无机盐和微量元素,四、水,五、前体,六、消沫剂,七、其它,发酵工艺学课件,87,第三节 培养基的种类和选择,一、培养基的种类,1.,孢子培养基,要求：能使菌体快速生长，产孢子的数量多、质量好，不引起菌种变异。,麸皮培养基、大（小）米培养基、琼脂培养基,2.,种子培养基,要求：营养适当地丰富和完全，氮源和维生素的含量适当略,高，但总浓度以略稀薄为宜，和发酵培养基相适应。,3.,发酵培养基,要求：组成要适当丰富和完全，满足菌体生长和产物合成,第三节 培养基的种类和选择一、培养基的种类,88,二、培养基的设计,1.,碳氮比,2.,生理酸性和碱性物质比,三、培养基的筛选,单因子试验、正交设计、均匀设计等,二、培养基的设计1.碳氮比,89,第四节 影响培养基质量的因素,一、原材料质量的影响,品种、产地、加工方法、批号等,二、水质的影响,三、灭菌的影响,四、其它,第四节 影响培养基质量的因素一、原材料质量的影响,90,第四章 灭菌与除菌,染菌的危害：,1.,消耗培养基中的营养成分。,2.,分泌某些对产生菌有毒或,能使抗生素失活得物质。,3.,影响后处理工艺。,4.,影响产品的质量和产量。,5.,可能会引起大幅度染菌，,连续染菌。,第四章 灭菌与除菌染菌的危害：1.消耗培养基中的营养成分。,91,第一节 灭菌的基本原理,一、几种常用的灭菌方法的基本原理,1.,化学物质灭菌,甲醛、苯酚、高锰酸钾、新洁尔灭、来苏儿等。,2.,辐射灭菌：紫外线、,X,射线、,r,射线,3.,干热灭菌,4.,湿热灭菌,5.,臭氧灭菌,6.,过滤灭菌,第一节 灭菌的基本原理一、几种常用的灭菌方法的基本原理,92,二、湿热灭菌的原理,范围,低限,高限,嗜冷菌,510,0,2030,嗜温菌,2537,5,4550,嗜热菌,5060,30,7080,二、湿热灭菌的原理范围低限高限嗜冷菌51002030嗜温,93,几个概念：,1.,致死温度,2.,致死时间,3.,热阻,4.,相对热阻,对数残留定律：,dN/dT = - KN,T=(2.303 log N,0,/N,S,)/K,几个概念：1.致死温度,94,第二节 培养基和发酵设备的灭菌,一、培养基灭菌温度的选择,杀死微生物的活化能大于营养成分破坏的活化能,-,-,高温快速灭菌法,二、培养基的灭菌方法,1.,分批灭菌（实罐灭菌，实消）,2.,连续灭菌 （连消）,第二节 培养基和发酵设备的灭菌一、培养基灭菌温度的选择,95,连续灭菌的特点：,1.,可采用高温快速灭菌工艺，营养成分破坏较少。,2.,发酵罐非生产占用时间缩短，容积利用率提高。,3.,热能利用合理，适合实行自动化控制。,4.,不适合黏度大或固形物含量高的培养基的灭菌。,5.,增加一套连续灭菌设备，增加了操作环节，增加 了染菌的机会。,发酵工艺学课件,96,三、发酵设备的灭菌,灭菌要点：,1.设备的严密度。,2.温度和压力是否相互对应。,3.防止灭菌死角。,三、发酵设备的灭菌灭菌要点：,97,第三节 空气除菌,主要的灭菌方法：,1.加热灭菌,2.静电除菌,3.介质过滤除菌,第三节 空气除菌主要的灭菌方法：,98,第四节 无菌检查与染菌的处理,一、无菌检查,分析：,无菌试验、培养液的显微镜检查、培养液的生化指标变化,无菌试验,肉汤培养法、斜面培养法、双碟培养法,第四节 无菌检查与染菌的处理一、无菌检查,99,二、染菌的判断,1.,染菌罐的判断,2.,染菌率的统计,三、染菌的处理,1.,种子罐染菌的处理,2.,发酵罐染菌的处理,前期,中后期,3.,染菌后的设备处理,4.,污染噬菌体的处理,二、染菌的判断1.染菌罐的判断,100,第五节 制服染菌的要点,一、染菌原因的分析,1.,设备渗漏,2.,空气系统,3.,种子带菌,4.,操作失误,二、制服染菌的要点,1.,对空气系统的要求,2.,对蒸汽的要求,3.,对设备的要求,4.,对工艺操作的要求,5.,环境的要求,第五节 制服染菌的要点一、染菌原因的分析,101,