发酵工程在现代生物技术中的应用.ppt

发酵工程在现代生物技术中的应用 生物技术 应用自然学和工程学的原理 依靠生物作用剂的作用将生物物料进行加工以提供产品和为社会服务的技术 20世纪70年代以后 以DNA重组技术的建立为标志 形成了一个以基因工程为主导 发酵工程为中心 包括细胞工程和酶工程的现代生物技术体系 第一节基因工程菌发酵 一 基因工程技术通过对核酸分子的插入 拼接和重组而实现遗传物质的重新组合 借助载体将重组的目的基因转移新的宿主细胞体系 并使目的基因在新的宿主体系细胞中进行复制扩增和表达所需的目的产物 基因工程菌的制备 一 目的基因的制备1 鸟枪法选用合适的内切酶 在Mg2 的激活下 切开供体DNA链获得目的基因 根据酶切末端特点分为a b两类 基因工程菌的制备 2 cDNA法又称反转录法 从细胞内提取目的基因的mRNA 在反转录酶的作用下 以mRNA反转录互补的cDNA 3 人工合成在电脑控制下通过合成仪合成获得的DNA片段 二 载体的准备目前常用的基因克隆载体 1 质粒 严密性质粒和松弛型质粒2 pBR322和pUC 去除原有质粒的非必须功能 引入选择标记和在适宜的位置设置限制酶单一切点 3 噬菌体载体有 噬菌体和M13噬菌体 三 基因与载体的连接外源DNA与载体DNA之间连接方式 1 粘性末端连接先用一种酶切割外源DNA并将拟插入的那个片段用凝胶电泳分离出来 再用同一种酶去切载体DNA 这样可以通过粘性末端连接起来 2 平末端连接3 在DNA片段末端加上均聚寡核苷酸后连接 末端核苷酸转移酶能催化DNA末端的3 OH上添加单核苷酸的反应 形成寡聚核苷酸连 如果在一个DNA片段的3 OH末端上添加寡聚T 那么另一DNA片段的3 OH末端上一定添加与T互补的寡聚A 四 目的基因导入受体细胞取决于是否用合适的受体细胞 合适的克隆载体和合适的基因转移方法 2 干热灭菌法进行干热灭菌时 微生物细胞发生氧化 微生物体内蛋白质变性和电解质浓缩引起中毒等作用 其中氧化作用导致微生物死亡是主要依据 由于微生物对干热的耐受力比对湿热强得多 故干热灭菌所需的温度要高 时间要长 一般160 170 1 1 5h 实际应用时 对一些要求保持干燥的实验器具和材料可以采用干热灭菌法 湿热灭菌法利用饱和蒸汽进行灭菌的方法称为湿热灭菌法 其原理是借助于蒸汽释放的热能使微生物细胞中的蛋白质 酶和核酸分子内部的化学键 特别是氢键受到破坏 引起不可逆的变性 使微生物死亡 由于蒸汽有很强的穿透能力 湿热灭菌对耐热芽孢杆菌来说 温度升高10 时 灭菌速度常数可增加8 10倍 对营养细胞更高 蒸汽来源方便 价格低廉 灭菌效果可靠 是目前最为常用的灭菌方法 一般的湿热灭菌条件为121 30min 湿热灭菌法 煮沸灭菌法将要消毒的物品放入水中煮沸 100 15 20min 一般微生物的营养细胞都可以杀死 但不能杀死芽孢 巴氏消毒法法国微生物学家 化学家巴斯德首创的低温消毒法 加热到62 经过30分钟 以杀死不耐高温的物质中的微生物和病原体的消毒法 牛奶 啤酒 黄酒 酱油和醋等用此法消毒 湿热灭菌法 间歇灭菌法反复几次的常压蒸汽灭菌 以达到杀死微生物营养体和芽孢的目的 操作步骤 100 30 60min 37 1h 同上重复三次 适用于不宜高压灭菌的物质 如糖类明胶牛奶培养基 方法简单 但却麻烦 工作周期长 湿热灭菌法 高压蒸汽灭菌法使用密闭的高压蒸汽灭菌锅 使灭菌锅内蒸汽不外溢 增加压力 由于压力的增高 温度也随之增高 从而提高杀菌力 缩短灭菌时间 最有效而广泛应用的灭菌方法实验室常用的是0 1MPa 121 15 30min 应用范围培养基 水 发酵罐等其他不适合干热灭菌的物品 高压蒸汽灭菌法的注意事项 完全排除锅内冷空气灭菌完毕后要缓慢减压压力降为零后打开盖子 二 辐射灭菌法利用高能量的电磁辐射和微粒辐射来杀死微生物以紫外线最常用 紫外线对芽孢和营养细胞都能起作用 但细菌芽孢和霉菌孢子对紫外线的抵抗力强 紫外线的穿透力低 仅适用于表面灭菌和无菌室 培养间等空间的灭菌 且距照射物不超过1 2m 对固体物料灭菌不彻底 也不能用于液体物料的灭菌 三 化学药品灭菌法某些化学药品与微生物发生反应 蛋白变性 酶失活 细胞通透性 而具有杀菌的作用 化学药剂适于生产车间环境的灭菌 接种操作前小型器具的灭菌等 不适用于培养基 化学药品的灭菌使用方法 根据灭菌对象的不同有浸泡 添加 擦拭 喷洒 气态熏蒸等 高锰酸钾高锰酸钾溶液的灭菌作用是使蛋白质 氨基酸氧化 使微生物死亡 一般用0 1 0 25 的溶液 漂白粉漂白粉的化学名称是次氯酸盐 次氯酸钠 NaOCl 它是强氧化剂 也是廉价易得的灭菌剂 它的杀菌作用是次氯酸钠分解为次亚氯酸 后者不稳定 在水溶液中分解为新生态氧和氯 使细菌受强烈氧化作用而导致死亡 对杀死细菌和噬菌体均有效 75 酒精溶液75 酒精溶液的杀菌作用在于使细胞脱水 引起蛋白质凝固变性 对营养细胞 病毒 霉菌孢子均有杀死作用 但对细菌的芽孢杀死作用较差 常用于皮肤和器具表面杀菌 新洁尔灭新洁尔灭是表面活性剂类洁净消毒剂 它在水溶液中以阳离子形式与菌体表面结合 引起菌体外膜损伤和蛋白变性 10min能杀死营养细胞 但对细菌芽孢几乎没有杀灭作用 一般用于器具和生产环境的消毒 不能与合成洗涤剂合用 不能接触铝制品 甲醛甲醛 HCHO 是强还原剂 它能与蛋白质的氨基结合 使蛋白质变性 对氨基和蛋白质的变性有较强活性 这是用甲醛作为灭菌剂的根据 使用时可以以2份37 甲醛溶液与1份KMnO4混合 或者将37 甲醛溶液直接加热 产生气态甲醛用于灭菌 甲醛灭菌的缺点是穿透力差 过氧乙酸过氧乙酸是强氧化剂 它是广谱 高效 速效的化学杀菌剂 对营养细胞 细菌芽孢 真菌孢子和病毒都有杀灭作用 戊二醛在酸性条件下 不具有杀死芽孢的能力 只有在碱性条件下 才具有杀死芽孢的能力 常用2 的溶液 常用于器具 仪器和工具等灭菌 酚类苯酚毒性较大 易污染环境 且水溶性差 使应用受到限制 而酚类衍生物的使用 扩大了作为消毒剂的使用范围 四 臭氧灭菌 利用臭氧的氧化作用杀死微生物细胞 氧化分解葡萄糖所必需的酶 从而直接破坏其细胞膜 从而将细菌杀死 无污染消毒剂对细菌 霉菌等杀菌效果好安全 杀菌效果明显 安装灵活等特点用于洁净室 净化设备的消毒 五 过滤除菌法利用过滤方法阻留微生物 也可达到除菌的目的 这就是过滤除菌法 此法仅适用于澄清液体和气体的除菌 工业上常用过滤法大量制备无菌空气 供好氧微生物培养过程使用 第二节培养基和发酵设备的湿热灭菌 一 灭菌条件的选择选择的原则 达到灭菌的目的 同时使培养基成分破坏减至最小 1 灭菌温度和灭菌时间的选择为什么选择高温快速灭菌 温度升高 反应速率升高 微生物死亡速率远大于营养成分的的破坏速率灭菌程度与灭菌时间的影响微生物的热死规律 对数残留定律 灭菌程度与灭菌时间的影响微生物的热死规律 对数残留定律微生物受热死亡的主要原因是高热能使蛋白质变性 这种反应可认为是单分子反应 死亡速率可视为一级反应 即与残存的微生物数量成正比 式中N 经时间t后残存的活菌浓度 个 L N0 开始灭菌时原有活菌浓度 个 L t 灭菌时间 s min K 灭菌速率常数或比死亡速率常数 s 1 min 1 它的大小与微生物的种类和加热温度有关 在同等温度下 其值小 微生物的耐热性强 从上式得出 t N之间的关系为对数式中N N0菌体存活率 而N0 N为灭菌度 t 2 303 K N0 N 影响培养基灭菌的因素 培养基成分油脂 糖类 低质量分数 1 2 的NaCl溶液 pH值pH值6 0 8 0 微生物最耐热 pH 6 0 氢离子易渗入微生物细胞内 从而改变细胞的生理反应促使其死亡 培养基中的颗粒 泡沫泡沫中的空气形成隔热层 使传热困难 热难穿透过去杀灭微生物 二 培养基的灭菌方法 1 分批灭菌分批灭菌是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 维持一定时间 再冷却到接种温度 实罐灭菌时 发酵罐与培养基一起灭菌 不需要附属设备 操作简便 常用的灭菌方法加热和冷却时间较长 营养随时间降低 罐利用率低 不能采用高温快速灭菌工艺 发酵罐溶积越大 加热冷却时间越长T总 t1 t2 t3式中t1 t2 t3分别为加热 维持 冷却所需要的时间其他灭菌设备一般采用蒸汽灭菌 如设备十分耐压 则可采用较高的温度 但必须注意设备内部的凹处及露出的小配管等蒸汽不能到达的部位 2 连续灭菌连续灭菌也叫连消 是指培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续的加热灭菌 冷却后送入已灭菌的发酵罐内的灭菌工艺流程 其温度一般以126 132 为宜 总蒸汽压力要求达到0 044 0 049MPa以上 优点营养成分破坏少 发酵罐非生产占用时间短 溶积利用率提高 蒸汽负荷均衡 锅炉利用率高 操作方便 适用于自动化控制 降低劳动强度 缺点不适用于黏度大或固形物含量高的培养基的灭菌 增加了一套连续灭菌设备 增加了操作环节 增加了染菌的概率 按设备和工艺条件分 1 蒸汽直接加热 2 蒸汽间接加热 1 蒸汽直接加热连续灭菌系统定义 蒸汽通入培养基中 快速加热至杀菌温度 维持一段时间 后冷却至发酵温度的过程 分两种形式 1 由连消塔 维持罐和冷却器组成 配料罐将培养基预热60 70 防止培养基在杀菌时料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击声 连消塔使培养基迅速 20s 升温 126 132 维持罐 使培养基温度保持在灭菌温度下一段时间 2 7min 冷却管 将培养基迅速冷却到40 50 输送到灭菌后的发酵罐内 连续灭菌流程 培养基配料配料罐加热器维持罐冷却器无菌培养基 2 喷射加热连续灭菌流程 由喷射加热 维持罐和真空冷却器组成的连续灭菌系统 蒸汽直接喷入待灭菌的培养液 培养液急剧升温到预定的灭菌温度 培养基在该温度送入维持管维持一段时间后 通过一膨胀阀进入真空冷却器冷却 保证培养基先进先出 避免过热或者灭菌不彻底升温快 营养损失小随着蒸汽的冷凝使培养基稀释 2 蒸汽间接加热连续灭菌系统 蒸汽不直接与培养基接触 而是通过热交换器对培养基进行加热 热交换器有板式和螺旋板式两种螺旋板式交换器的特点 流道宽 流速快 可减少热交换器表面结垢现象 适用于含有固行悬浮物的培养基的灭菌 板式交换器的特点 适用于含有少量固行悬浮物的培养基的灭菌 温度随时间的变化 连续灭菌与分批灭菌的比较与选择 分批灭菌优点 1 不需附加设备2 蒸汽利用率高3 节约劳动力缺点1 培养基质量差2 罐的利用率低3 冷却水用量大 连续灭菌优点 1 采用高温快速灭菌法2 可以把培养基按其性质分开灭菌3 有利于自动控制4 节省冷却水缺点1 投资费用高2 对物料要求高3 蒸汽用量大 三 发酵设备灭菌 实罐灭菌时 发酵罐与培养基一起灭菌连续灭菌时 发酵罐 种子罐等要先进行空罐灭菌 0 147 0 180MPa 维持45 60min 空消后不能立即冷却 先保压 待培养基进入后 再开冷却系统 附属设备 空气过滤器 补料系统和消泡剂系统等 各个管路在灭菌前 要严格检查 以防泄露和 死角 的存在