發(fā)酵工程二課件

1、第一節(jié) 概 述第二節(jié) 優(yōu)良菌種的選育第三節(jié) 發(fā)酵的基本過程第四節(jié) 發(fā)酵方式第五節(jié) 發(fā)酵工藝控制第六節(jié) 發(fā)酵產(chǎn)物的提取第七節(jié) 發(fā)酵設(shè)備第八節(jié) 基因工程菌生長代謝的特點第九節(jié) 基因工程在發(fā)酵工程中的應(yīng)用第十節(jié) 發(fā)酵工程的發(fā)展展望 第七章 發(fā)酵工程制藥 第一節(jié) 概 述 一、發(fā)酵工程 二、發(fā)酵工程發(fā)展的4個階段 三、發(fā)酵工程的研究內(nèi)容一、發(fā)酵工程 發(fā)酵工程（fermentation engineering）又稱為微生物工程，是利用微生物制造工業(yè)原料與工業(yè)產(chǎn)品并提供服務(wù)的技術(shù)。 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)已經(jīng)形成完整的工業(yè)體系，包括抗生素、氨基酸、維生素、有機酸、有機溶劑、多糖、酶制劑、單細胞蛋白、基因工程藥物、核酸

2、類物質(zhì)及其他生物活性物質(zhì)等的生產(chǎn)。二、發(fā)酵工程發(fā)展的4個階段 第一階段： 20世紀以前時期，人類利用傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵過程來生產(chǎn)葡萄酒、酒、醋、醬、奶酪等食品。 巴斯德關(guān)于發(fā)酵作用的研究，從 1857年到1876年前后持續(xù)了近20年。巴斯德以自己研究實踐的科學結(jié)論說服了當時盛行的所謂“自然發(fā)生學說”，他認為：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果。發(fā)酵是沒有空氣的生命過程。微生物是引起化學變化的作用者”。 二、發(fā)酵工程發(fā)展的4個階段 第二階段： 19001940年期間，隨著微生物培養(yǎng)技術(shù)的不斷進步，新的發(fā)酵產(chǎn)品不斷問世。新產(chǎn)品主要有甘油、乳酸、檸檬酸、丁醇和丙酮等。 二、發(fā)酵工程發(fā)展的4個階段 第三

3、階段： 發(fā)酵工業(yè)大發(fā)展時期，青霉素工業(yè)化成功推動了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。 主要標志有：深層培養(yǎng)、生產(chǎn)大規(guī)?；?，多種抗生素、氨基酸、核酸發(fā)酵成功，甾體的微生物轉(zhuǎn)化。采用純種發(fā)酵，進行無菌操作，對操作條件有嚴格的控制，相應(yīng)地采用較復雜的工藝和裝備。 以青霉素工業(yè)生產(chǎn)為標志的深層通氣培養(yǎng)法的建立標示了發(fā)酵工程發(fā)展的一次新飛躍，這一飛躍發(fā)生在1942年。 二、發(fā)酵工程發(fā)展的4個階段 第四階段： 基因工程等高新技術(shù)應(yīng)用階段。 分子生物學和基因工程、細胞工程等新技術(shù)的發(fā)展將進一步加深對微生物代謝產(chǎn)物生物合成的遺傳學與調(diào)節(jié)機制的了解，從而也為這些新技術(shù)在此領(lǐng)域中更好地應(yīng)用創(chuàng)造了條件。 為了提高產(chǎn)物的單位產(chǎn)量，或有

4、可能針對解除某一“限速步驟”，提高有關(guān)生物合成酶的表達水平或改變其調(diào)節(jié)機制，大大減少傳統(tǒng)育種方法的隨機性。 在開發(fā)新品種方面，重組DNA和細胞融合技術(shù)不僅能在不同的程度上打破生物種屬間的屏障，獲得“雜交”分子的新產(chǎn)物，而且通過活化微生物的某些沉默基因，也可能獲得一些新結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)。三、發(fā)酵工程的研究內(nèi)容發(fā)酵工程內(nèi)容： 涉及菌種的培養(yǎng)和選育、菌的代謝與調(diào)節(jié)、培養(yǎng)基滅菌、通氣攪拌、溶氧、發(fā)酵條件的優(yōu)化、發(fā)酵過程各種參數(shù)與動力學、發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計和自動控制、產(chǎn)品的分離純化和精制等。 發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)水平取決于三個要素： 生產(chǎn)菌種、發(fā)酵工藝和發(fā)酵設(shè)備。 第二節(jié) 優(yōu)良菌種的選育 菌種選育包括自然選育、誘

5、變育種、雜交育種等經(jīng)驗育種方法，還包括控制雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程等定向育種 方法。 一、菌種選育的物質(zhì)基礎(chǔ) 脫氧核糖核酸（DNA）是微生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。 決定遺傳性狀的DNA主要集中在染色體上，只有少許游離在外。DNA分子結(jié)構(gòu)的改變是誘變育種的工作根據(jù)，染色體交換是雜交育種的根據(jù)。質(zhì)粒也是遺傳物質(zhì)，它是染色體外的遺傳結(jié)構(gòu)。許多質(zhì)粒攜帶一些能影響宿主細胞類型的基因，例如用來控制抗生素的形成。二、自然選育 1自然選育的概念： 不經(jīng)人工處理，利用微生物的自然突變進行菌種選育的過程稱 為自然選育。 2. 正變菌株： 由于微生物可以發(fā)生自發(fā)突變，所以菌種在群體培養(yǎng)過程 中會產(chǎn)生變異個體。變異

6、個體生長良好，生產(chǎn)水平提高，對生 產(chǎn)有利，這類菌株稱為正變菌株； 負變菌株： 變異個體生產(chǎn)能力下降，形態(tài)出現(xiàn)異型，生產(chǎn)水平下降，導 致菌種退化，這類菌株稱為負變菌株。 自然選育就是將正變菌株挑選出來，進行擴大培養(yǎng)。 二、自然選育3. 自然選育的優(yōu)點： 可以達到純化菌種、防止菌種衰退、穩(wěn)定生產(chǎn)水平、提高產(chǎn)物 產(chǎn)量的目的。4. 自然選育的缺點： 效率低，進展慢。三、誘變育種 用人工方法來誘發(fā)突變是加速基因突變的重要手段，它的突 變率比自然突變提高成千上百倍。突變發(fā)生部位一般是在遺傳物 質(zhì)DNA上，因此突變后性狀能穩(wěn)定地遺傳。 三、誘變育種誘變育種的方法和原理 通常用物理、化學、生物等因素進行對微生

7、物誘變，導致遺傳物質(zhì)DNA結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化。 （1）誘變機制 由誘變而導致微生物DNA的微細結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化，主要分為： 微小損傷突變 染色體畸變即大損傷突變 染色體組突變?nèi)N類型。三、誘變育種 1. 誘變育種的方法和原理 （2）誘變劑 誘變劑：能誘發(fā)基因突變并使突變率提高到超過自發(fā)突變水平的 物理化學因子都稱為誘變劑。 誘變劑可分為物理、化學、生物誘變劑三大類。 三、誘變育種 1. 誘變育種的方法和原理 （2）誘變劑 物理誘變劑 主要有紫外線、X射線、射線、快中子、射線、射線 和超聲波等。其中以紫外線應(yīng)用最廣。 三、誘變育種 1. 誘變育種的方法和原理 （2）誘變劑 化學誘變劑 包括金屬離子、一

8、般化學試劑、生物堿、抗代謝物、生長刺 激素、抗生素及高分子化合物、殺菌劑、染料等。 三、誘變育種 1. 誘變育種的方法和原理 （2）誘變劑 生物誘變劑 轉(zhuǎn)導作用 轉(zhuǎn)化作用 轉(zhuǎn)座作用 三、誘變育種 2. 誘變和篩選 誘變育種主要有誘變和篩選兩步。 在具體進行某一項工作時首先要制定明確的篩選目標（如：提高產(chǎn)量或菌體量），其次是制定合理步驟，再次是建立正確快速的測定方法和摸索培養(yǎng)最適條件。 四、原生質(zhì)體融合 原生質(zhì)體融合就是把兩個親株分別通過酶解去除細胞壁，使菌體細胞在高滲環(huán)境中釋放出由原生質(zhì)膜包被著的球狀體，在高滲條件下混合兩個親株的原生質(zhì)體，由聚乙二醇(polyethyleneglycol, P

9、EG)作為助融劑使它們相互凝集發(fā)生細胞融合，接著兩親株細胞基因組由接觸到交換，從而實現(xiàn)遺傳重組，在再生細胞中就有可能挑選到較理想的重組子。第26講主講教師：董洪缽學時32五、基因工程定向育種 第三節(jié) 發(fā)酵的基本過程 一、菌種 發(fā)酵的基本過程為：菌種種子制備發(fā)酵發(fā)酵液預(yù)處理提取精制。 要求用于生產(chǎn)的菌種產(chǎn)量高、生長快、性能穩(wěn)定、容易培養(yǎng)。 目前國內(nèi)外發(fā)酵工業(yè)中所采用的菌種絕大多數(shù)是經(jīng)過人工選育的優(yōu)良菌種。為了防止菌種衰退，生產(chǎn)菌種必須以休眠狀態(tài)保存在砂土管或冷凍干燥管中，并且置于04恒溫冰箱（庫）內(nèi)。使用時可臨時取出，接種后仍需冷藏。生產(chǎn)菌種一般都嚴格規(guī)定其使用期，一般砂土管為12年。生產(chǎn)菌種應(yīng)

10、不斷純化，淘汰變異菌落，防止衰退。 二、種子的制備 種子是發(fā)酵工程開始的重要環(huán)節(jié)。這一過程是使菌種繁殖、以獲得足夠數(shù)量的菌體，以便接種到發(fā)酵罐中。 種子制備可以在搖瓶中或小罐內(nèi)進行，大型發(fā)酵罐的種子要經(jīng)過兩次擴大培養(yǎng)才能接入發(fā)酵罐。 三、發(fā)酵 這一過程的目的是使微生物產(chǎn)生大量的目的產(chǎn)物，是發(fā)酵工序的關(guān)鍵階段。 發(fā)酵一般是在鋼制或不銹鋼的罐內(nèi)進行，有關(guān)設(shè)備和培養(yǎng)基應(yīng)事先經(jīng)過嚴格滅菌，然后將長好的種子接入，接種量一般為520。在整個發(fā)酵過程中要不斷地通氣、攪拌、維持一定的罐溫、罐壓，并定時取樣分析和無菌試驗，觀察代謝和產(chǎn)物含量情況，有無雜菌污染。 四、產(chǎn)物提取 發(fā)酵完成后得到的發(fā)酵液是一種混合物，

11、其中除了含有表達的目的產(chǎn)物外，還有殘余的培養(yǎng)基、微生物代謝產(chǎn)生的各種雜質(zhì)和微生物的菌體等。 提取過程包括以下三個方面： 發(fā)酵液的預(yù)處理和過濾。 提取。 精制。 第四節(jié) 發(fā)酵的方式 在制備大量微生物菌體或其代謝產(chǎn)物時，可采用不同的發(fā)酵方式。 微生物的發(fā)酵方式可分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵。一、分批發(fā)酵 簡單分批發(fā)酵是將全部物料一次投入到反應(yīng)器中，經(jīng)滅菌，接種，經(jīng)過若干時間的發(fā)酵后再將發(fā)酵液一次放出的操作過程。放料后再重復投料、滅菌、接種、發(fā)酵過程。 它以微生物生長、各種基質(zhì)消耗和代謝產(chǎn)物合成都處于瞬變之中為特征，整個發(fā)酵過程處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 分批發(fā)酵過程中的pH、溫度、溶氧濃度以及多種營

12、養(yǎng)物質(zhì)濃度都可作為控制變量加以優(yōu)化。二、補料分批發(fā)酵 補料分批培養(yǎng)是將種子接入發(fā)酵反應(yīng)器中進行培養(yǎng)，經(jīng)過一段時間后，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基，使菌體進一步生長的培養(yǎng)方法。所補材料可為全料（基礎(chǔ)培養(yǎng)基）或簡單的碳源、氮源及前體等。三、連續(xù)發(fā)酵 連續(xù)發(fā)酵是將種子接入發(fā)酵反應(yīng)器中，攪拌培養(yǎng)至一定菌體濃度后，開動進料和出料的蠕動泵，以控制一定稀釋率進行不間斷的培養(yǎng)，發(fā)酵反應(yīng)器中的細胞總數(shù)和總體積均保持不變，發(fā)酵體系處于平衡狀態(tài)，發(fā)酵中的各個變量都能達到恒定值而區(qū)別于瞬間狀態(tài)的分批發(fā)酵。 第五節(jié) 發(fā)酵工藝控制一、培養(yǎng)基的影響及其控制 細胞的生長需要一定的營養(yǎng)，用于維持細胞生長的營養(yǎng)基質(zhì)稱為培養(yǎng)基。 微

13、生物的生長需要較多供給構(gòu)成有機碳架的碳源，構(gòu)成含氮物質(zhì)的氮源氣，其次還需要一些含磷、鎂、鉀、鈣、鈉、硫等的鹽類以及微量的鐵、銅、鋅、錳等元素。 配制培養(yǎng)基的成分應(yīng)包括碳源、氮源、無機鹽和水等物質(zhì)。一、培養(yǎng)基的影響及其控制適應(yīng)期對數(shù)生長期靜止期二次生長細胞自溶TLnc 細菌生長對數(shù)曲線一、培養(yǎng)基的影響及其控制：細菌比生長速率：細菌自溶率X：菌體濃度m：最大比生長速率kS：細菌對基質(zhì)的親和系數(shù) S：基質(zhì)濃度 一、培養(yǎng)基的影響及其控制基質(zhì)抑制作用 ： 由莫氏方程可以看出隨著底物濃度的增加，比生長速率逐漸趨近，但事實上當?shù)?物濃度的增加到一定數(shù)值后，會出現(xiàn)比生長速率下降的情況，這種效應(yīng)通常稱為基質(zhì)抑制

14、作用。 一、培養(yǎng)基的影響及其控制 競爭性抑制：細菌比生長速率X：菌體濃度m：最大比生長速率kS：細菌對基質(zhì)的親和系數(shù) S：基質(zhì)濃度I：抑制劑濃度ki：抑制劑與菌體的親和系數(shù) 一、培養(yǎng)基的影響及其控制 非競爭性抑制：細菌比生長速率m：最大比生長速率kS：細菌對基質(zhì)的親和系數(shù) S：基質(zhì)濃度I：抑制劑濃度ki：抑制劑與菌體的親和系數(shù) 1.碳源 碳源是構(gòu)成微生物細胞和各種代謝產(chǎn)物碳架的營養(yǎng)物質(zhì)，同時碳源在微生物代謝過程中被氧化降解，釋放出能量，并以ATP形式貯存于細胞內(nèi)，供給微生物生命活動所需的能量。 生產(chǎn)中使用的碳源有糖類、脂肪、有機酸、碳氫化合物。常用的糖類有單糖、雙糖和多糖。 一、培養(yǎng)基的影響及

15、其控制2.氮源 氮源是構(gòu)成菌體細胞物質(zhì)，也是細胞合成氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、酶類及含氮代謝產(chǎn)物的成分。選擇氮源時需要注意氮源促進菌體生長、繁殖和合成產(chǎn)物間的關(guān)系。 氮源有無機氮源和有機氮源兩大類。 常用的有機氮源有黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉、蛋白胨、酵母粉。 一、培養(yǎng)基的影響及其控制 3.無機鹽和微量元素 各種無機鹽和微量元素的主要功能是：構(gòu)成菌體原生質(zhì)的成分（如磷、硫等），作為酶的組成部分或維持酶的活性（如鎂、鋅、鐵、鈣、磷等），調(diào)節(jié)細胞的滲透壓（如NaCl、KCl等）和pH，參與產(chǎn)物合成（磷、硫等）。 4水 培養(yǎng)基必須以水為介質(zhì)，它既是構(gòu)成菌體細胞的主要成分，又是一切營養(yǎng)物質(zhì)傳遞的介質(zhì)，所

16、以水的質(zhì)量對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成有很重要的作用。一、培養(yǎng)基的影響及其控制二、溫度的影響及其控制 溫度的變化對發(fā)酵過程可產(chǎn)生兩方面的影響： 一方面是影響各種酶反應(yīng)的速率和蛋白質(zhì)的性質(zhì)。 另一方面是影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)，如發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解和吸收速率等，進而影響發(fā)酵的動力學特性和產(chǎn)物的生物合成。 因此溫度對菌體的生長和合成代謝的影響是極其復雜的，要綜合考察它對發(fā)酵的影響。二、溫度的影響及其控制1. 影響發(fā)酵溫度變化的因素 在發(fā)酵過程中，既有產(chǎn)生熱能的因素，又有散失熱能的因素，因而引起發(fā)酵溫度的變化。 產(chǎn)熱的因素有生物熱和攪拌熱，散熱的因素有蒸發(fā)

17、熱、輻射熱和顯熱。 產(chǎn)生的熱能減去散失的熱能，所得的凈熱量就是發(fā)酵熱，它就是發(fā)酵溫度變化的主要因素。二、溫度的影響及其控制 1. 影響發(fā)酵溫度變化的因素（1）生物熱：微生物在生長繁殖過程中產(chǎn)生的熱能，稱為生物熱。 （2）攪拌熱：攪拌器轉(zhuǎn)動引起的液體之間和液體與設(shè)備之間的摩擦所 產(chǎn)生的熱量，即攪拌熱。（3）蒸發(fā)熱：空氣進入發(fā)酵罐與發(fā)酵液廣泛接觸后，排出引起水分蒸 發(fā)所需的熱能，即為蒸發(fā)熱。（4）輻射熱：由于罐外壁和大氣間的溫度差異而使發(fā)酵液中的部分熱 能通過罐體向大氣輻射的熱量，即為輻射熱。二、溫度的影響及其控制2. 溫度的選擇與控制（1）最適溫度的選擇 （2）溫度的控制三、溶氧的影響及其控制

18、大部分工業(yè)微生物需要在有氧環(huán)境中生長，培養(yǎng)這類微生物需要采取通氣發(fā)酵，適量的溶解氧可維持其呼吸代謝和代謝產(chǎn)物的合成。 對大多數(shù)發(fā)酵來說，供氧不足會造成代謝異常，降低產(chǎn)物產(chǎn)量。三、溶氧的影響及其控制1.溶氧的影響 溶氧是需氧發(fā)酵控制的最重要參數(shù)之一。氧在水中的溶解度很小，所以需要不斷通氣和攪拌，才能滿足溶氧的要求。溶氧的大小對菌體生長和產(chǎn)物的性質(zhì)及產(chǎn)量都會產(chǎn)生不同的影響。 需氧發(fā)酵并不是溶氧愈大愈好。溶氧高雖然有利于菌體生長和產(chǎn)物合成，溶氧太大有時反而抑制產(chǎn)物的形成，因此，為避免發(fā)酵處于限氧條件下，須要考查每一種發(fā)酵產(chǎn)物的臨界氧濃度和最適氧濃度，并使發(fā)酵過程保持在最適濃度。最適溶氧濃度的大小與菌

19、體和產(chǎn)物合成代謝的特性有關(guān)，具體須由實驗來確定。三、溶氧的影響及其控制2. 發(fā)酵過程的溶氧變化 在發(fā)酵過程中，在已有設(shè)備和正常發(fā)酵條件下，每種產(chǎn)物發(fā)酵的溶氧濃度變化有自己的規(guī)律。 發(fā)酵時生產(chǎn)菌大量繁殖，需氧量不斷增加，此時的需氧量超過供氧量，使溶氧濃度明顯下降。 從發(fā)酵液中的溶解氧濃度的變化，就可以了解微生物生長代謝是否正常，工藝控制是否合理，設(shè)備供氧能力是否充足等問題，幫助查找發(fā)酵不正常的原因和控制好發(fā)酵生產(chǎn)。三、溶氧的影響及其控制3. 溶氧濃度的控制 發(fā)酵液的溶氧濃度，是由供氧和需氧兩方面所決定的。也就是說，當發(fā)酵的供氧量大于需氧量，溶氧濃度就上升，直到飽和；反之就下降。因此要控制好發(fā)酵液

20、中的溶氧濃度，需從這兩方面著手。 在供氧方面，主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動力和液相體積氧傳遞系數(shù)的值。在可能的條件下，采取適當?shù)拇胧﹣硖岣呷苎鯘舛?，如調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速或通氣速率來控制供氧。 三、溶氧的影響及其控制 3. 溶氧濃度的控制 供氧量的大小還必須與需氧量相協(xié)調(diào)， 發(fā)酵液的需氧量受菌體濃度、基質(zhì)的種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響 。 其中以菌濃的影響最為明顯。 可以控制菌的比生長速率比臨界值略高一點的水平，達到最適濃度。這是控 制最適溶氧濃度的重要方法。 可以通過控制基質(zhì)的濃度來實現(xiàn)。除控制補料速度外，在工業(yè)上，還可采用調(diào) 節(jié)溫度（降低培養(yǎng)溫度可提高溶氧濃度）、液化培養(yǎng)基、中間補水、添加表面

21、活性劑 等工藝措施，來改善溶氧水平。四、pH的影響及其控制 1. pH對發(fā)酵的影響 發(fā)酵培養(yǎng)基的pH影響微生物生長及發(fā)酵過程中各種酶活。 不同的微生物發(fā)酵有各自的最適生長pH和最適生產(chǎn)pH。 大多數(shù)微生物生長的pH范圍是36，最大生長速率的pH變化范圍為0.51.0。多數(shù)微生物生長都有最適pH范圍及其變化的上下限，上限都在8.5左右，超過此上限，微生物將無法忍受而自溶；下限以酵母為最低，是2.5。但菌體內(nèi)的pH一般認為是中性附近。 四、pH的影響及其控制 2. pH的變化 在發(fā)酵過程中，pH的變化決定于所用的菌種、培養(yǎng)基的成分和培養(yǎng)條件。在生產(chǎn)菌的代謝過程中，菌本身具有一定的調(diào)整周圍pH的能力

22、，建成最適pH的環(huán)境。 培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)的代謝，也可引起pH變化，發(fā)酵所用的碳源種類不同，pH變化也不一樣。四、pH的影響及其控制 3.發(fā)酵pH的確定和控制（1）發(fā)酵pH的確定 微生物發(fā)酵的合適pH范圍一般是在58之間，由于發(fā)酵是多酶復合反應(yīng)系統(tǒng)，各酶的最適pH也不相同，因此，同一菌種，生長最適pH可能與產(chǎn)物合成的最適pH是不一樣的。最適pH是根據(jù)實驗結(jié)果來確定的，以菌體生長達到最高值的pH為菌體生長的最適pH。 四、pH的影響及其控制 3.發(fā)酵pH的確定和控制（2）pH的控制 首先考慮和試驗發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)配方，配比適當，使發(fā)酵過程中的pH變化在合適的范圍內(nèi)。培養(yǎng)基中含有代謝產(chǎn)酸（如葡萄糖

23、產(chǎn)生酮酸）和產(chǎn)堿（如NaNO3、尿素）的物質(zhì)以及緩沖劑（如CaCO3）等成分，它們在發(fā)酵過程中影響pH。 在發(fā)酵過程中直接加酸或堿和補料 。 現(xiàn)在常用的是以生理酸性物質(zhì)（NH4）2SO4 和堿性物質(zhì)氨水來控制。 第六節(jié) 發(fā)酵產(chǎn)物的提取 提取過程：是指發(fā)酵液中的微生物代謝產(chǎn)物初步抽提、濃縮和純化。 提取方法：一般包括吸附法、沉淀法、溶劑萃取法、離子交換法等。一、吸附法 1. 概念： 利用適當?shù)奈絼ㄈ缁钚蕴浚淄?、氧化鋁等），在一定的pH下，使發(fā)酵液中的抗生素被吸附劑吸附，然后改變pH，以適當?shù)南疵搫ㄒ话銥橛袡C溶劑）把抗生素從吸附劑上解吸下來，以達到濃縮和提純的目的，稱為吸附法。 一、吸附法

24、 2. 吸附法的優(yōu)點： 操作簡單、原料易解決、成本低。 3. 吸附法的缺點： 吸附性能不穩(wěn)定、選擇性不高、不能連續(xù)操作、勞動強度大。 二、沉淀法 1. 概念： 沉淀法是指利用某些抗生素具有兩性的性質(zhì)，使其在等電點時從溶液中游離沉淀出來或在一定pH條件下，能與某些酸、堿或金屬離子形成不溶性或溶解度很小的復鹽，使抗生素從發(fā)酵濾液中沉淀析出，以及改變 pH等條件時，此種復鹽又易分解或重新溶解的特性，來提取抗生素的一種方法。 二、沉淀法 2. 沉淀法的優(yōu)點： 設(shè)備簡單、原料易解決、節(jié)省溶劑、成本低、收率高。 3. 沉淀法的缺點： 過濾較困難、產(chǎn)品質(zhì)量比溶劑法差。 三、溶劑萃取法 1. 概念： 利用抗生

25、素在不同的pH條件下以不同的化學狀態(tài)（游離酸、堿或成鹽狀態(tài)）存在，以及它們在水及與水不互溶的溶劑中溶解度不同的特性，使抗生素從一種液體轉(zhuǎn)移到另一種液體中去，以達到濃縮和提純的目的。這種提取方法稱為溶劑萃取法。 三、溶劑萃取法 2. 溶劑萃取法的優(yōu)點： 濃縮倍數(shù)大、產(chǎn)品純度高、能進行連續(xù)生產(chǎn)、生產(chǎn)周期短。 3. 溶劑萃取法的缺點： 設(shè)備要求高、溶劑消耗大、成本較高。 四、離子交換法 1. 概念： 利用某些抗生素能離解為陽離子或陰離子的特性，使其與離子交換樹脂進行選擇性交換作用，再用洗脫劑（一般為酸、堿或有機溶劑）從樹脂上將抗生素洗脫下來，以達到濃縮和提純的目的。 四、離子交換法 2. 離子交換法

26、的優(yōu)點： 成本低、設(shè)備較簡單、操作方便、節(jié)約大量有機溶劑。 3. 離子交換法的缺點： 生產(chǎn)周期長、pH變化較大。 第七節(jié) 發(fā)酵設(shè)備理想的微生物細胞生物反應(yīng)器必須具備如下一些基本要求：（1）制造生物反應(yīng)器所采用的一切材料穩(wěn)定性要好，對微生物必須無毒 性，一般要用 不銹鋼制成；（2）密封性能良好，可避免一切外來的不需要的微生物的污染；（3）生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)必須使之具有良好的傳質(zhì)、傳熱和混合的性能；（4）生物反應(yīng)器內(nèi)壁及管道焊接部位平整光滑和無裂縫，以減少微生物的沉積，利于 清洗，消除滅菌死角；（5）所有的連接接口均要用密封圈封閉，不留“死腔”，任何接口處均不 得有泄漏；（6）攪拌器轉(zhuǎn)速和通氣應(yīng)適當

27、；（7）對培養(yǎng)環(huán)境中多種物理化學參數(shù)能自動檢測和調(diào)節(jié)控制，控制的精確度高。 第八節(jié) 基因工程菌生長代謝的特點 菌體生長是菌體各成分尤其是生物大分子核酸和蛋白 質(zhì)合成的綜合表現(xiàn)，通常用比生長速率來表示。 控制菌體生長對提高質(zhì)粒的穩(wěn)定性、減少代謝副產(chǎn)物的積 累、提高外源蛋白產(chǎn)率都有重要意義。 對菌體生長的調(diào)控主要有兩種觀點：一種觀點認為能量的供應(yīng)決定了菌體的最大比生長速率；另一種觀點認為是小分子前體和催化組分（如RNA聚合酶、核糖體等）的限制決定了菌體的最大比生長速率。 這兩種觀點分別從能量和合成反應(yīng)的前體這兩個不同的角度研究菌體的生長。一、菌體生長與能量的關(guān)系1.各種碳源通過有限的呼吸能力所能提

28、供的最大能量決定了菌體 在這種培養(yǎng)中的最大比生長速率。 2. 當菌體生長所需能量大于菌體有氧代謝所能提供的能量時，由 于呼吸鏈或三羧酸循環(huán)的功能不足，使部分乙酰輔酶A通過轉(zhuǎn) 化為乙酸來供能，菌體往往會產(chǎn)生代謝副產(chǎn)物乙酸。 3. 分批培養(yǎng)中選用不同的碳源，補料培養(yǎng)中控制補料速度，連續(xù) 培養(yǎng)中通過控制稀釋速率等培養(yǎng)方法，都能在一定范圍內(nèi)控制 菌體的生長。二、菌體生長與前體供應(yīng)的關(guān)系1. 在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中加入氨基酸能使菌體比生長速率提高和蛋白合成增加。 2. 各個基因互相競爭共同的前體和催化功能。 第九節(jié) 基因工程在發(fā)酵工程中的應(yīng)用 一、基因工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用 提高微生物產(chǎn)生抗生素的能力常用的方

29、法是用誘變劑單獨或復合處 理（如紫外線、化學試劑等）微生物. 80年代，分子生物學技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)比較復雜的次級代謝產(chǎn)物的生 物合成，并通過DNA重組技術(shù)，在適宜的宿主菌中將特定的抗生素基因 進行重組，產(chǎn)生了幾種新的“雜合”抗生素(hybrid antibiotic)。 當今已對一些抗生素的生物合成基因和抗性基因的結(jié)構(gòu)、功能、表 達和調(diào)控有了較深入的了解， 1.抗生素生物合成基因的結(jié)構(gòu)特點： （1）鏈霉菌抗生素生物合成基因組的一個典型特性是高G-C堿基組成，（G 十C）含量達70以上；三聯(lián)體密碼子中的第三個堿基的G、C比例極高。 （2）抗生素生物合成基因大多處于一個基因簇中，參與每種抗生素生物合

30、成的基 因為1030個，幾乎總是成簇存在的，不僅包括生物合成酶結(jié)構(gòu)基因，也包 括抗性基因、調(diào)節(jié)基因、抗生素分泌和與胞外處理功能有關(guān)的基因。 一、基因工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用幾種典型的抗生素生物合成基因的結(jié)構(gòu) 2.克隆抗生素生物合成基因的策略和方法： （1）在標準宿主系統(tǒng)中克隆檢測單基因產(chǎn)物。 （2）阻斷變株法。 （3）突變克隆法。 （4）直接克隆法。 （5）克隆抗生素抗性基因法。 （6）寡核苷酸探針法。 （7）同源基因雜交法。一、基因工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用 3.提高抗生素的產(chǎn)量 （1）增加參與生物合成限速階段基因的拷貝數(shù) （2）通過調(diào)節(jié)基因的作用 （3）增加抗性基因 一、基因工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用 4.改善抗生素組分 許多抗生素產(chǎn)生菌可以產(chǎn)生多組分抗生素，由于這些組分的化學結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常相似，而其生物活性有時卻相差很大，這給有效組分的發(fā)酵、提取和精制帶來很大不便。隨著對各種抗生素生物合成途徑的深入了解以及基因重組技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用基因工程方法可以定向地改造抗生素產(chǎn)生菌，獲得只產(chǎn)生有效組分的菌種。一、基因工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用 5.改進抗生素生產(chǎn)工藝 抗生素的生物合成一般對氧的供應(yīng)較為敏感，不能大量供氧往往是高產(chǎn)發(fā)酵的限制因素。為了使細胞處于有氧呼吸狀態(tài)， 傳統(tǒng)方法往往只能改變最適操作條件、降低細胞生長速率或培養(yǎng)密度。 利用重組DNA技術(shù)克隆血紅蛋白