生物工艺原理 重点1

1.生物工程一般是医学工程、农业工程、环境工程,卫生工程、人体功能工程等的总称，特点是不涉及化学催化反应过程，仅是生物过程与物理过程的结合。

生物技术（又称生物工艺学）则涉及的是生物催化反应过程。

2.生物工艺：生物技术是一门多学科、综合性的科学技术；过程中需生物催化剂参与；目的是建立工业生产过程或进行社会服务。

3.胞内酶：在细胞内起催化作用的酶，这些酶在细胞内常与颗粒体结合并有着一定的分布。

胞外酶：细胞内合成而在细胞外起作用的酶。

4.初级代谢产物：对数生长期形成的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸等，是菌体自身生长繁殖所必须的，称初级代谢产物或中间代谢产物。

它们受许多调节机制的控制。

次级代谢产物：在生长的稳定期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。

它们与菌体生长繁殖无明显关系，称为次级代谢产物，它也受许多调节机制的控制，如诱导调节、分解代谢物的阻遏和反馈调节等。

5.微生物的生物转化：利用微生物细胞的一种或多种酶对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。

6.现代生物技术：以DNA重组为主要手段，依靠清洁、经济的生物反应器，利用可再生性资源加工人类所需产品的具有可持续发展特性的技术。

包括：基因工程、细胞工程、酶工程，发酵工程。

基因工程在其中处于主导地位。

7.生物过程工程：尽管生物过程所生产的产品性质、加工方法、工艺流程以及设备型式等完全不同，甚至差异很大。

但却有共同点，即从原料转变为产品，均包括一系列生物反应过程、化学反应过程和物理操作过程，按照不同方式串联或并联而成。

生物反应过程是具有决定意义的一步。

是生物生产过程的核心，其他过程是为生物反应过程服务的。

8.工程理念：研究工业生产过程系统规律性的科学，实际上是探索如何有效地在合理的生产设备将原料转变为工业产品的科学。

对待任何工程问题，均需有以下四种工程理念：理论上的正确性技术上的可行性操作上的安全性经济上的合理性（核心）
9.生产选种：是在长年累月的生产实践中，在培养工艺条件没有任何可见变更情况下，突然发现某些批次生产水平提高较大，这就有可能是个别自然变异朝更好的方向变的细胞，在这种条件下很适应于培养条件，并逐渐显示出它的生长优势，这种优势的发展，促使它优良的生产性能表露。

进行类似新种筛选分离，达到获得新的优良生产菌种的目的。

10.菌种选育：自然界中存在不少低浓度的诱变物质在微生物复制过程中发生影响，所以在生产上经过一段时间都要进行自然选育。

选育分为随机选育和定向选育。

11.自然选育（自然分离）：在生产过程中不经人工处理，利用菌种的自然突变而进行菌种筛选的过程。

12.诱变育种：采用诱变剂处理可以提高诱变频率，扩大诱变幅度，从而选出优良的突变株。

13.原生质体融合：是通过人为的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组以产生同时带有双基因性状的、遗传性能稳定的融合子的过程。

14.杂交育种：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。

15.筛选模型：为避免致病菌的感染与扩散一般不采用致病菌作为试验菌，尽可能选择非致病性又能代表某些类型致病菌的微生物作为试验菌，这些试验菌被称为筛选模型。

16.理性化筛选技术：运用遗传学和生物化学方法，科学设计选择性“筛子”，把大部分不符合要求的菌株经过第一轮预筛就淘汰掉，使具有有效性状的突变株很方便地筛选出来，从而大大提高了筛选效率。

这种方法就是理性化筛选。

17.培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长繁殖所需的一组营养物质和原料。

同时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。

18..葡萄糖值（DE值）：淀粉糖的含糖量，液化液或糖化液中的还原糖含量（所测得的糖以葡萄糖计算）占干物质的百分率为DE值DX值：糖化液中葡萄糖含量占干物质的百分率。

19.生长因子从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。

前体:指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接彼微生物在生物合成过程中合成到产物物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。

作用：前体前体有助于提高产量和组份。

产物促进剂:指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。

20.理论转化率：理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。

实际转化率：实际发酵过程中转化率的大小。

21.连续培养：发酵过程中一边补入新鲜的料液，一边以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。

分批培养的动力学属于间歇的培养方法，生物反应器中培养基灭菌、接种后，除了无菌空气、消泡剂（好氧过程）和酸碱（维持适当的pH），在培养过程中，不再加入其它物料。

在此简单系统内所有液体的流量等于零。

反应结束，将培养液全部放出，进行后处理。

补料（流加）—分批发酵:在分批发酵过程中补入新鲜料液，以克服由于养分不足导致的发酵过早结束。

半连续发酵：在补料—分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液（行业中称为带放）。

带放：是指放掉的发酵液和其他正常的放罐的发酵液一起送去提炼工段。

22.透析培养：透析培养是对微生物培养用透析膜包裹，并使外部有新鲜培养液流动着的一种培养方法。

过滤培养：过滤与培养相耦合的培养方法。

过滤操作时，培养液中的培养基成分和溶解的胞外产物都随滤液排出，同时补充补充培养液的体积和营养的缺失，即不断添加培养基。

23.微生物培养过程的动力学:研究细胞的生长繁殖、基质的消耗和产物生成之间关系和规律。

有助于对生物反应的了解，以便制定最佳控制策略提高过程经济效率。

24.维持消耗(m)：指维持细胞最低活性所需消耗的能量，一般来讲，单位重量的细胞在单位时间内用于维持消耗所需的基质的量是一个常数。

1.生物工艺组成从广义上讲，由三部分组成：上游工程、中游工程、下游工程
2.生物反应过程
•生物反应过程的实质是利用生物催化剂从事生物产品的生产过程。

•生物催化剂a.酶游离酶/固定化酶---酶反应过程b.细胞固定化细胞/游离细胞--发酵过程•生物反应过程：（1）动、植物细胞（组织）培养过程（2）污水生化处理过程（3）从天然物质中应用生物技术提取有效成分
•生物反应过程可分为四个部分A.发酵原料的预处理：发酵原料是很丰富的，如薯类、谷类等，但许多工业微生物都不能直接利用这些发酵原料，通常需要将它们进行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供给微生物利用。

还可以利用废糖蜜、工农业的下脚料。

B.发酵过程的准备：发酵前必须进行种子制备与无菌消毒。

无菌消毒是种子制备与发酵的必要条件，一般在发酵前对发酵原料蒸汽高温灭菌，冷却后，在无菌条件下接入菌种。

在发酵过程中要绝对保证无杂菌的污染，即没有目标微生物以外的微生物存在，这是发酵成功与否的关键，对于好氧性发酵，还需要通入无菌空气。

C.生物反应器及反应条件的选择：由于使用的微生物不同，其代谢规律不一样，因而有厌氧发酵和好氧发酵两种方法。

厌氧发酵亦称静置发酵，如酒精、啤酒、丙酮,丁醇及乳酸等均为厌氧发酵产品，其发酵设备不需供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。

好氧发酵，顾名思义，就是微生物发酵过程中需要消耗大量的氧气，以供代谢需要。

味精、赤霉素、土霉素等的生产都属此类。

D.产品的分离与纯化（下游技术)：分离与纯化是从发酵液中制取符合质量指标的制品。

首先，将发酵液进行过滤、离心以除去固体杂质，然后采用吸附法、溶煤萃取法、离子交换法、沉淀法或蒸馏法等，对发酵液中的
产品进行进一步的提炼，以得到符合要求的目标产品。

•生物反应过程的特点：A.生产过程通常在常温下进行，操作条件温和，不需要考虑防爆问题，一种设备具有多种用途。

原料以碳水化合物为主，并加入少量有机和无机氮源。

不含有毒物质B.生产反应过程是以生命体的自动调节方式进行的，多个反应像一个反应一样，可在单一设备中进行C.易于进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学活性体等D.能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团导入等E.生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白质、酶等；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物造成危害F.生产过程中需要注意防止杂菌污染，尤其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害G.通过改良生物体生产性能，可在不增加设备投资的条件下，利用原有的生产设备使生产能力飞跃上升。

•生物生产过程的共性（1）作为培养基成分有碳源、氮源、微量元素及生长因子等，并确定培养基中各成分的含量及比例（2）合理设计一级、二级乃之三级种子培养系统，各级培养时间以及种子培养系统要与生产过程合理配套（3）合理控制不同阶段的环境条件，保证细胞正常生长和所需产物的形成，以最低的消耗获得最大的得率（4）生产过程需要防止杂菌污染，保证生产正常进行（5）选择合适的分离方法，使之高效率、低成本地从细胞或培养液中提取、分离、纯化和精制所需产品；
•生物反应过程应关注的普遍性问题：目的产物中心观点能量最小的观点细胞经济与生产经济矛盾的观点(1)目的产物中心的观点——为提高产物对原料的转化率，要求关注生物反应代谢过程和培养产物分离纯化两个方面。

对于前者，要促进细胞对营养物质的吸收；减少与目的产物形成无关的代谢支流，使各个分支的物质相对集中流向目的产物；消除目的产物进一步代谢的途径。

在设计育种和生物反应工艺控制中要建立该工程理念。

对于后者的单元操作，应根据质量守恒定律对目的产物进行物料衡算。

以此去分析和解决单元操作集成问题。

即：输入的产物量＝输出的产物量+目的产物损失（2）能量最小的观点——在细胞代谢和生产过程中均消耗一定能量，并以不同形式提供。

对于细胞代谢，生物能是细胞独立自主生活的基础，每个细胞都有能量转换机构，此亦是生物技术工业具有生物学属性的重要体现。

在控制细胞代谢中，可通过减少支流途径的能量和增加目的产物主流途径的生物能支持。

提高能量利用率。

对于生产过程，可根据能量守恒定律和能量系统集成技术进行衡算，减少生产过程中的能量消耗。

(3)细胞经济与生产经济矛盾的观点——生物进化，细胞形成了越来越完善的代谢调节机制，使细胞内复杂的代谢反应高度有序进行。

故，细胞平衡生长不会有代谢产物积累。

——细胞经济。

细胞过量生产目的产物对细胞来讲不经济。

要获得细胞代谢产物的过量生产，一是要改变细胞基因型而改变代谢途径；另一种方法是通过改变培养条件改变控制代谢。

过量表达代谢产物的细胞是“病态”细胞。

工业上利用“病态”细胞的不经济性生产对人类经济的产品。

3.生物技术产业化中工程学基本概念
恒算概念:通过质量衡算、热量衡算、动量衡算达到物料和能量有效集成。

物料集成是按照质量守恒定律进行物料衡算，运用此概念分析和解决工程问题；根据能量守恒定律进行工程过程的系统能量衡算，达到能量最大利用，是工程能量问题的基本方法。

质量、热量和动量衡算概念是保证技术上可行性和经济上合理性的重要工程措施和环节。

速率概念:速率问题是理论上正确性和技术上可行性的一个重要衡量标志和判断标准，也是技术先进性的反映，更是生物反应工艺、工程探索结果的表现。

一般来讲，过程速率与过程推动力成正比，与过程阻力成反比。

即：过程速率＝f（过程推动率/过程阻力）
最优化概念: 生物技术反应过程优化中，目前主要采用基于动力学的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的延伸。

现在，以细胞代谢流分析与控制为核心的生物反应最优化观点正日益受到重视。

生物反应过程中的基因、细胞、工
程三个水平上进行过程优化。

从单元操作到系统工程，从宏观经验描述到微观的本质认识，对于过程工艺优化具有重要意义。

技术经济概念:技术经济概念始终贯穿于生物技术产品的整个开发中，对于不同阶段，均应有技术评价。

特别在小试阶段，往往不容忽视。

可以通过技术经济分析判断科学自由探索中的潜在应用价值，以便进一步开发。

在中试和示范工程建设中，更不能离开技术经济的参与。

只有经过反复技术经济评价。

才能确保所开发的生物技术方案的科学性和合理性。

上游生物技术工程化概念:随着基因重组技术、蛋白修饰技术，细胞融合技术和固定化技术的逐步成熟，上游生物技术已经进入工程化阶段。

特征是可以根据需要设计改进天然的或构建新的生化物质或体系（核酸、蛋白质、脂质体及多糖复合物等）以及新的代谢步骤与途径，并对他们在生物体内外的作用加以研究与应用。

细胞代谢和培养工艺过程一体化概念:生物反应过程产物实质上是细胞代谢产物，胞内基因水平的信息流决定了细胞代谢流分布的空间与时间的基本特征，而生物反应器只是在环境条件和过程传递特征上，从物料和能量供应上对这一代谢流产生影响。

当前生物技术产业化发展的特点是必须将细胞代谢过程（微观分子细胞水平的代谢调节）与培养工艺过程（宏观工程水平的传递特性）进行深度结合；由宏观推向微观，强调在对细胞代谢深入发展的认识基础上，以多尺度的工程学观点研究过程特性。

4.微生物工业对菌种的要求（1）原料廉价、生长迅速、目的产物产量高。

（2）培养条件易于控制，酶活性高，发酵周期短（3）抗杂菌和噬菌体的能力强（4）遗传性能稳定，不易变异和退化，不产任何有害生物活性物质和毒素，保证安全生产。

5.获得菌种的主要途径：从菌种保藏机构获取；从自然界中分离、筛选；菌种的基因改造。

6.从自然环境中分离筛选新的工业微生物菌种
（1）分离思路①新菌种的分离是要从混杂的各类微生物群体中依照生产要求、菌种特性，采用各种筛选方法和方案，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。

②实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌，也必须重新进行分离纯化。

③有了优良的菌种，还要有合适的工艺条件和合理先进的设备与之配合。

（2）新种分离与筛选的步骤：①定方案：查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。

②采样：有针对性地采集样品。

③增殖：控制培养基成分或培养条件，使所需菌种增殖培养后，在数量上占优势。

④分离：利用分离技术得到纯种。

⑤性能测定：进行生产性能测定。

这些特性包括形态、培养特征、营养要求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵最适温度、最适pH值、提取工艺等。

6.样品采集A.采样地点的选择：从菌种特点和环境因素两方面考虑（如：土壤）B.温度：一般地说热带和亚热带的有机质较丰富的土壤中放线菌种类多，拮抗菌多，菌的拮抗能力强，而温带和寒带的土壤中拮抗菌数量少，拮抗能力较专一C.营养：土壤有机质多，细菌和放线菌的数量亦较多。

过于肥沃的土壤细菌数量往往很大。

真菌需要较多的碳水化合物，在植物残体多的土壤如山区的枯枝落叶层和沼泽土中真菌较多D.pH：不同微生物pH要求不同，如霉菌和酵母菌适合偏酸性条件，细菌和放线菌适合偏碱性和中性条件。

所以盐碱土中放线菌比例高，稻田土中诺卡氏菌数量多，湖底土、池塘土中小单孢菌多，土壤pH6.8～8.0放线菌多，pH5.0左右真菌多。

E.采土季节：同一土壤中微生物分布和数量随季节变化。

一般春秋季土壤中微生物数量较多，夏季和冬季较少。

春季温度上升，水分适宜，加上前一年未被利用的丰富的有机质，所以微生物数量多、生命力强。

夏季的土壤中，残存的有机质逐渐减少，拮抗性物质逐渐积累，使微生物生命活动受到限制，数量也受到影响。

到了秋季，土壤中的拮抗性物质逐渐失去作用，大量新鲜的植物残体重新进入土壤中，气温较温和，所以微生物数量增加。

入冬以后，气温下降，水分减少甚至结冰，微生物生命活动受到严重抑制甚至死亡。

因而春秋两季适宜采土。

F.采集土壤要根据需分离的菌种对土壤作选择。

G.
对有特殊要求的菌种，可选择特殊土壤。

比如：筛选苎麻脱胶细菌就到苎麻园有腐烂麻杆的土壤中取样。

赤霉素由水稻恶苗病菌产生，到患水稻恶苗病的植株或稻田去找。

还可以到生产某一产品的工厂附近采集分解该产品的微生物。

如选可将丙烯腈转化成丙烯酰胺的菌种到生产丙烯腈的化工厂附近采集土壤。

富含碳水化合物的土壤和沼泽地中，酵母和霉菌较多，如一些野果生长区和果园内。

•采样的注意事项：①采样时应尽可能保持相对无菌②所采集的样本必须具有某种代表性③必须完整地标注样本的种类及采集日期、地点以及采集地点的地理、生态参数等④应充分考虑采样的季节性和时间因素，因为真正的原地菌群的出现可能是短暂的⑤采好的样应及时处理，暂不能处理的也应贮存于4℃下，但贮存时间不宜过长。

因为一旦采样结束，试样中的微生物群体就脱离了原来的生态环境，其内部生态环境就会发生变化，微生物群体之间就会出现消长。

•土样采集方法：①森林、旱地，草地可先掘洞，由土壤下层向上层顺序采集；采土要采5～10厘米深处的土壤，因为表层土日光直接照射，比较干燥，微生物生存受到影响。

②水田等浸水土壤在不损土层结构的情况下插入圆筒采集。

如果层次要求不严格，可取离地面5～15cm处的土。

将采集到的土样盛入牛皮纸袋、聚乙烯袋或玻璃瓶中。

扎好，标记，记录采样时间、地点、环境条件等，以备查考。

为使土样中微生物的数量和类型尽少变化，采样后及时分离。

③在采集植物根际土样时，一般方法是自土壤中慢慢拔出植物根，在大量无菌水中浸渍约20min，洗去粘附在根上的土壤，然后再用无菌水漂洗下根部残留的土，这部分上却为根际土样。

7.工业菌种育种的方法：诱变基因转移基因重组
8.菌种保藏 A.原理—减少传代和变异。

菌种保藏重要是根据菌种的生理生化特点，人工创造条件，使孢子或菌体的生长代谢活动尽量降低，以减少其变异。

一般可通过保持培养基营养成分在最低水平，缺氧状态和低温，使菌种处于“休眠”状态，抑制其繁殖能力。

低温在微生物生命活动过程中起着十分重要的作用。

在低温条件下，一般微生物不易死亡，只是代谢活动的减弱，所以可以作为菌种保藏的条件。

水是微生物生化反应的媒介，也是营养物质溶解的介质，因此水的缺乏会引起微生物对营养的吸收和生化反应的抑制。

对好氧微生物，氧是电子传递的最终受体，氧的缺乏，造成氧化反应的抑制，降低了能量的产生，从而抑制菌体代谢。

B.意义：保证菌种性状的稳定，不退化。

菌种保藏是保持菌种优良性能的一个重要措施。

菌种是国家的一种重要的资源，保持优良菌种的优良性能，可保证高产稳产，保证生产的正常进行。

在基础研究中，菌种保藏可保证研究结果获得良好的重复性。

C.方法：A.斜面低温保藏—40C冰箱保藏这种方法比较简单，主要利用低温降低产生菌的新陈代谢活动。

但这种方法仅适合于短期使用，适合于生产上使用的菌种。

B.砂土保藏保藏抗生素菌种的最常用的方法之一，效果较好，操作简便。

原理是砂土本身是模拟微生物理想的自然环境，用抽干法并结合低温冷藏于封闭干燥器内，将菌种妥善保存对防止退化有一定的效果。

这种方法适合于产孢子的菌种。

保存期为1～3年.C.大（小）米保藏此法适用于保存常见的真菌，如曲霉、青霉等能大量产生孢子的菌种。

D.真空冷冻干燥保藏此法原理是将菌种用适当的保护剂制成孢子悬浮液，装入安瓿瓶，在低温条件下快速将细胞冻结。

在高真空度下抽干水分。

真空封口。

在2～40C或更低温度冷藏。

其原理是在较低温度下快速将细胞冻结，并保持细胞完整，然后在真空中使水分升华。

在这样的环境中，微生物的生长和代谢都暂时停止，不易发生变异，因此菌种可以保存很长时间.E.低温冻结保藏将需要保藏的菌种（孢子或菌体）悬浮于甘油或二甲亚砜保护剂中，置于低温冻结。

保存温度视菌种不同而异，其优点是存活力髙，变异率低，使用方便。

F.液氮冰箱低温保藏
9.种子制备的过程(1)实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验室常见设备，在工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因此现象地将这些培养过程称为实验室阶。