5.發酵過程控制與優化

狹義的發酵是指在厭氧條件下葡萄糖通過酵解途徑生成乳酸或乙醇等的分解代謝過程。廣義則將發酵看做是微生物把一些原料養分在合適的發酵條件下經特定的代謝途徑轉變成所需產物的過程。5.發酵過程控制與優化

狹義的發酵是指在厭氧條件下葡萄糖通過15.1發酵過程技術原理

微生物發酵受諸多因素影響，各種因素相互制約，故必須掌握發酵代謝規律，微生物與其周圍環境的相互作用和運用分子生物學的原理來操縱代謝物流。微生物發酚過程可分為分批、補料-分批、半連續和連續等幾種方式。5.1發酵過程技術原理

微生物發酵受諸多因素影響，各種因素相2

分批發酵：是一種準封閉式系統，種子接種到培養基后除了氣體流通外發酵液始終留在生物反應器內。補料-分批發酵：是在分批發酵過程中補入新鮮料液，以克服由于養分的不足，導致發酵過早結束。半連續發酵：在補料-分批發酵的基礎上加上間歇放掉部分發酵液便可稱為半連續發酵。連續發酵：是指發酵過程中一面補入新鮮的料液，一面以相同的流速放料，維持發酵液原來的體積。

分批發酵：是一種準封閉式系統，種子接種到培養基后除了氣體流35.2發酵條件的影響及其控制

常規的發酵條件有:罐溫、攪拌轉速、攪拌功率、空氣流量、罐壓、液位、補料、加糖、油或前體，通氨速率以及補水等。能表征過程性質的狀態參數有:pH、溶氧、溶解二氧化碳、氧化還原電位、尾氣中的氧和二氧化碳含量、基質或產物濃度、代謝中間體或前體濃度、菌濃等。培養基對養分的需求：碳源、氮源、礦物鹽、特殊養分、復合培養基。5.2發酵條件的影響及其控制

常規的發酵條件有:罐溫、攪拌轉45.3泡沫對發酵的影響及其控制

5.3.1泡沫的產生及其影響發酵過程中因通氣攪拌與發酵產生的二氧化碳以及發酵液中糖、蛋白質和代謝物等穩定泡沫的物質的存在，使發酵液含有一定數量的泡沫。泡沫的存在可以增加氣液接觸表面，有利于氧的傳遞。但也給發酵帶來許多負作用，主要表現在:①降低了發酵罐的裝料系數。②增加了菌群的非均一性。③增加了污染雜菌的機會。④大量起泡，控制不及時，會引起產物的流失。③消泡劑的加入有時會影響發酵或給提煉工序惹來麻煩。5.3泡沫對發酵的影響及其控制

5.3.1泡沫的產生及其影響55.3.2發酵過程中泡沫的消長規律發酵過程中泡沫的多寡與通氣攪拌的劇烈程度和培養基的成分有關。玉米漿、蛋白陳、花生餅粉、黃豆餅粉、酵母粉、糖蜜等是發泡的主要因素。其起泡能力隨品種、產地、加工、貯藏條件而有所不同，還與配比有關。此外，培養基的滅菌方法、滅菌溫度和時間也會改變培養基的性質，從而影響培養基的起泡能力。5.3.2發酵過程中泡沫的消長規律65.3.3泡沫的控制泡沫的控制方法可分為機械消沫和消泡劑兩大類。機械消沫：是指借機械引力引起的劇烈振動或壓力變化而起到的消沫作用。消泡劑消沫：發酵工業常用的消泡劑分為天然油脂類、聚醚類、高級醇類和硅樹脂類。常用的天然油脂有玉米油、豆油、米糠油、棉籽油、魚油和豬油等，除作消泡劑外，還可作為碳源。5.3.3泡沫的控制75.4.發酵終點的判斷與自溶的監測

5.4.1發酵終點的判斷發酵類型的不同，要求達到的目標也不同，因而對發酵終點的判斷標準也應有所不同。判斷放罐的指標主要有產物濃度、過濾速度、菌絲形態、氨基氮、pH、DO、發酵液的粘度和外觀等。對抗生素發酵，老品種抗生素發酵放罐時間一般都按作業計劃進行。但在發酵異常情況下，放罐時間就需當機立斷，以免倒罐。新品種發酵更需探索合理的放罐時間。5.4.發酵終點的判斷與自溶的監測

5.4.1發酵終點的判斷85.4.2自溶的監測發酵后期密切監視菌的自溶情況對穩產和提高下游工段的產物回收率有重要意義。通常把微生物因養分的缺乏或處在不利的生長環境下受其自身的作用開始裂解的過程稱為自溶。研究酵母的自溶的基本過程與內部結構的變化證實了蛋白質水解是自溶的基本動力。而細胞壁的降解是次要的。造成自溶的外源因素有:化學物質，如高濃度乙醇、碳氮源或氧的缺乏。5.4.2自溶的監測95.5發酵染菌的防治及處理

5.5.1染菌的途徑分析染菌的途徑不外有以下兒方面:種子包括進罐前菌種室階段出問題;培養基的配制和滅菌不徹底;設備上特別是空氣除菌不徹底和過程控制操作上的疏漏。5.5.2染菌的判斷和防治雜菌的發現，常用鏡檢或無菌試驗方法，這是確認染菌的依據。從一些狀態參數，如DO變化的規律也可作為染菌預報的根據。遇到早期染菌，原則上可適當改變生長參數，使有利于生產菌而不利于雜菌的生長，如降低發酵溫度等。加人某些抑制雜菌的化合物也不失為一種急辦法，條件是這種化合物對生產菌無害對生產影響不大和在下游精制階段能被完全去除。中后期染菌除非是噬菌體，通常后果不會那么嚴重，這時發酵液中己產生一定濃度的抗生素，對雜菌已有一定抑制作用。實際生產中常采用大接種量的原因之一是即使不慎污染了極少量雜菌，生產菌也能很快占優勢。5.5發酵染菌的防治及處理

5.5.1染菌的途徑分析105.6基因工程菌培養與表達蛋白在生物醫學科學上的應用分4個方面:即疾病或感染的預防;臨床疾病的治療;抗體存在的診斷和新療法的發現。這方面研究的重點著眼于應用克隆基囚來生產一些稱之為生物制品的蛋白，如疫苗、診斷工具和激素等。利用重組DNA技術來生產蛋白有4方面的理由:①品種的需求②數量上的滿足③安全④具有特異性5.6基因工程菌培養與表達蛋白在生物醫學科學上的應用分4個方11胰島素：在1982年由大腸桿菌生產的胰島素成為第一個獲執照的重組體衍生的人用生物制品。胰島素是用來治療I型糖尿病患者。這種病人的胰島自己不能生成足夠的胰島素，需依賴外源供給。生長激素：兒童的生長和體重的增加要靠其生長激素，這是一種垂體產物。促紅細胞生成素：是一種為響應低氧而由腎臟產生的激素，它在骨髓中負責促進紅血球細胞的生長和分化。親甲醇酵母：畢赤酵母是生產外源蛋白的最佳寄主之一，因它具有很強的受甲醇誘導的AOXI啟動子。胰島素：在1982年由大腸桿菌生產的胰島素成為第一個獲執照的12白細胞介素:是一類具有激活、增殖、成熟和分化機體免疫細胞，抗病毒、抗腫瘤及增強機體免疫功能的細胞因子。全球氨基酸的年產量估計在50~80萬噸，其中2/3用于食品，其余大部分作動物詞料添加劑用，還有相當數量用于醫藥工業和作為合成化學試劑的前體。重組DNA技術已成功地應用于提高棒桿菌和其他工業生產菌種的氨基酸生產。全球的微生物多糖的產值估計已超過10億美元。這類生物高分子屬于膠體，其獨特功能在于它們可作為增稠劑、親水膠體，用于水基系統中的乳化、懸浮和穩定混合物。它們在溫度、pH和鹽濃度大幅度變化的條件下仍能與其他系統相容，甚至起協同增效作用。白細胞介素:是一類具有激活、增殖、成熟和分化機體免疫細胞，抗13胰島素的生產胰島素的生產14簡介

胰島素(Insulin)是糖尿病，尤其是I型糖尿病的特效藥物，可以促進血液中葡萄糖的利用而降低血糖，并調節糖、脂肪及蛋白質代謝。WHO相關資料表明：糖尿病已成為繼心血管疾病、腫瘤之后的第3位主要疾病，嚴重威脅全人類健康，全球共有糖尿病患者1.75億人，中國糖尿病患者9200萬人，已超越印度成為亞洲第一大國。2002年到2012年的十年間，全球胰島素的銷售額年復合增長率達14.5%；2010年全球胰島素藥物的銷售額超過145億美元，因此胰島素藥物的開發和生產具有重大的社會效益和經濟效益。簡介胰島素(Insulin)是糖尿病，尤其是I型糖尿病的15人胰島素是利用基因重組技術生產出來的。是利用重組DNA技術生產與天然胰島素有相同的結構和功能?？烧{節糖代謝，促進肝臟、骨骼和脂肪組織對葡萄糖的攝取和利用，促進葡萄糖轉變為糖原貯存于肌肉和肝臟內，并抑制糖原異生。人胰島素是利用基因重組技術生產出來的。是利用重組DNA技術16生產企業丹麥諾和諾德、美國禮來、中國通化東寶、深圳科興、徐州萬邦。美國的禮來和丹麥的諾和諾德是目前向市場供應基因工程胰島素的主要廠家，他們分別研究和利用大腸桿菌和酵母生產人胰島素。這兩個系統各有利弊，一般講，大腸桿菌系統表達效率高，但后處理較難。酵母系統表達量雖然比較低，但對表達產物的處理較簡便。生產企業丹麥諾和諾德、美國禮來、中國通化東寶、深圳科興、徐州17醫用的胰島素

醫用的胰島素主要有兩種，一種是從動物臟器中生化提取的動物胰島素，如豬胰島素、牛胰島素等，動物臟器中生化提取產量低、成本高（100公斤動物胰腺只能提取4-5克胰島素，一個病人所需胰島素要從40頭?；?0頭豬的胰腺中提?。⒓兌鹊?，療效差；一種是通過基因工程手段的人胰島素，基因重組人胰島素純度高、療效好醫用的胰島素醫用的胰島素主要有兩種，一種是從動物臟器中生化18生產方法胰島素的生產方法主要有兩種，一種是從動物臟器中生化提取的動物胰島素，如豬胰島素、牛胰島素等，動物臟器中生化提取產量低、成本高（100公斤動物胰腺只能提取4-5克胰島素，一個病人所需胰島素要從40頭?；?0頭豬的胰腺中提?。⒓兌鹊?，療效差；一種是通過基因工程手段的人胰島素，基因重組人胰島素純度高、療效好.生產方法胰島素的生產方法主要有兩種，一種是從動物臟器中生化提19通過基因工程手段生產人胰島素的步驟1.提取目的基因2.提取質粒3.基因重組4.將質粒送回大腸桿菌5.胰島素的產生通過基因工程手段生產人胰島素的步驟1.提取目的基因201.提取目的基因

即從人的DNA中提取胰島素基因,可使用限制性內切酶將目的基因從原DNA中分離。1.鳥槍法：用一大堆限制性核酸內切酶對附近基因進行剪切，再提取所需要的。至于如何篩選，用DNA分子雜交，即DNA探針2.人工合成法：根據轉錄蛋白或者mRNA推導出基因序列，然后人工合成，沒有內含子3.從基因文庫中提取：也就是事先已經提取完畢的拿來用。4.PCR擴增技術：用于大量生產該段基因片段，用于商業化運作。1.提取目的基因即從人的DNA中提取胰島素基因,可使用212.提取質粒從大腸桿菌的細胞質中提取質粒,質粒為環狀。此質粒將作為胰島素基因的載體。

1.堿裂解法：此方法適用于小量質粒DNA的提取，提取的質粒DNA可直接用于酶切、PCR擴增、銀染序列分析。2.煮沸裂解法：指用煮沸加熱的方法裂解菌體,以提取質粒。

2.提取質粒從大腸桿菌的細胞質中提取質粒,質粒為環狀。223.基因重組

取出目的基因與質粒,先利用同種限制性內切酶將質粒切開,再使用DNA連接酶將目的基因與質?！翱p合”,形成一個能表達出胰島素的DNA質粒。3.基因重組取出目的基因與質粒,先利用同種限制性內切酶234.將質粒送回大腸桿菌

在大腸桿菌的培養液中加入含有Ca+的物質,如

CaCl2,這使細胞會吸收外源基因.此時將重組的

質粒也放入培養液中,大腸桿菌便會將重組質粒

吸收.

將大腸桿菌用氯化鈣處理，以增大大腸桿菌細胞壁的通透性，使含有目的基因的重組質粒能夠進入受體細胞