生物工艺学原理教案文档格式.docx
- 文档编号:4777612
- 上传时间:2023-05-04
- 格式:DOCX
- 页数:82
- 大小:459.52KB
生物工艺学原理教案文档格式.docx
《生物工艺学原理教案文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物工艺学原理教案文档格式.docx(82页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
64
课程教材:
储炬、李友荣主编,现代生物工艺学(上册),华东理东大学出版社,2007
主要参考书:
1陈代杰,朱宝泉.工业微生物菌种选育与发酵控制技术.上海:
科学技术文献出版社,1995.
2[美]C.贾德森.金.分离过程.北京:
化学工业出版社,1990
3刘茉娥等.新型分离技术基础.杭州:
浙江大学出版社,1993
4王学松.膜分离技术及其应用.北京:
科学出版社,1994
5陆九芳等.分离过程化学.北京:
清华大学出版社,1994
6刘国诠.生物工程下游技术.北京:
化学工业出版社,2003.
7WeatherLR.EngineerinProcessesforBioseparation.London:
Butterworth-Heineman,1994
第一部分生物过程原理
(共32学时)
第一章绪论
教学基本要求:
使学生掌握生物工艺学的定义,特点,生物技术概念的范畴,了解生物技术的发展及应用概况,了解生物技术在各个领域的应用及发展趋势,激发学生学习生物工艺原理的兴趣。
教学内容:
1.1生物技术的定义
⑴1919年匈牙利艾里基提出:
“凡是以生物机体为原料,无论其用何种生产方法进行产品生产的生物技术”都属于生物技术;
⑵20世纪70年代末,80年代初提出的定义倾向于:
必须采用基因工程等一类具有现代生物技术内涵或以分子生物学为基础的技术;
⑶国际经济合作与发展组织(IECDO)在1982年提出定义:
应用自然科学和工程学的原理,依靠生物作用剂的作用,将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务的技术;
在国际经济合作与发展组织(IECDO)提出生物技术定义的特点:
生物作用剂:
指从活的或死的微生物、动物或植物的机体、组织、细胞、体液以致分泌物以及上组分中提取出来的生物催化剂——酶或其他生物活性物质;
提供的产品:
可以是工业、农业、医药、食品等产品;
被作用的物料:
可以是有关的生物机体或其中的有关器官,如细胞、体液以及极少量必须的无机物质;
应用的自然科学:
可以是生物学、化学、物理学等以及相关的分支学科,交叉学科;
应用的工程学:
可以是化学工程、机械工程、电气工程、电子工程;
1.2生物技术的发展及应用概况
生物技术的发展分为四个时期:
经验生物技术时期;
近代生物技术的形成和发展时期;
近代生物技术的全盛时期,现代生物技术的建立和发展时期;
1.2.1经验生物技术时期(人类出现到19世纪中期)
生物技术的发展和利用可以追溯到1000多年(甚至4000多年)以前如酒类的酿造,豆粮轮作的方法等,主要产品有果酒、酸奶、啤酒、大豆酿酱油,多种植物配制剂——麻沸散等。
经验生物技术时期的技术为其后生物技术相关理论的建立创造了条件。
1.2.2近代生物技术建立时期(19世纪中期至20世纪40年代)
这一时期的诞生是与显微镜的诞生和微生物的发展以及微生物学的问世密切相关的。
20世纪初,人们发现某些梭菌能够引起丙酮、丁醇的发酵,随之引发了一系列初级代谢产物的生产。
这一时期是人类有意识地利用某些微生物进行生产的时期,
这一时期的发酵产物的特点:
都属于微生物形成的初级代谢产物,发酵以厌氧发酵居多,发酵产品主要为某些有机溶剂。
这一时期进行大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等。
1.2.3近代生物技术全盛时期(20世纪40年代至20世纪70年代末)
1929年Flemming发现了青霉素,从此生产技术产品中增加一大类新的产品——抗生素。
第二次世界大战促进许多科学家和工程师齐心协力,攻克许多难关,实现了青霉素的工业化生产。
20世纪40年代,抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业。
这一时期生物技术的发展主要成就有:
青霉素的发现及其开发概况、酶反应过程和生物转化的过程的开发概况等,为基因工程的建立和新的生物技术时期的来临创造条件。
区分初级代谢产物和次级代谢产物
初级代谢产物:
指微生物处于对数生长期所形成的产物,主要是与细胞生长有关的产物,如氨基酸、核酸、蛋白质、碳水化合物以及能量代谢有关的副产品,如乙醇、丙酮、丁醇等。
次级代谢产物:
次生代谢物的产生与产生这种产物的微生物本身的生长和生命活动并不是密切相关的,它们一般产生于微生物生长的稳定期,他们的结构往往非常复杂。
1.2.4现代生物技术建立和发展时期(20世纪70年代末开始)
现代生物技术时期是以分子生物学的理论为先导,基因工程的技术开始能作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术后算起的。
80年代以来,随着重组DNA技术的发展,人们可以按人类社会的需要,定向培养出有用的菌株,这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术,使生物技术进入了一个新的阶段。
基因工程的应用首先集中于许多多肽或蛋白质的生化药物中,如胰岛素、干扰素等。
这一时期生物技术的发展主要有:
单克隆抗体的发展和应用;
动、植物细胞培养技术的应用;
杂交技术在动植物生产中的应用;
转基因植物和动物的研究和开发,克隆动物的发展及取得的成就等方面。
1.3生物技术的发展趋势
1.3.1.深入开展人类后基因组学的研究,逐步掌握人类生、老、病、死的自然规律
有关后基因组学的研究概括讲就是:
首先要将完成图的碱基对序列中所有的基因识别出来,其次要鉴别每一个基因的生物化学结构和性质,最后要搞清所有基因与人类生、老、病、死的关系。
后基因组学的研究主要包括:
结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学。
1.3.2.逐步深入的开展基因诊断和基因治疗研究
基因诊断是通过基因工程的手段对生物体的基因组DNA片段及其转录产物进行定性和定量分析;
基因治疗是以正常基因通过病毒载体原位转入病人体内以取代原来缺陷或病变的基因,也可以是使原来丧失表达能力或使原来丧失表达能力或使机体产生免疫基因已达到抗肿瘤、抗病毒的目的。
1.3.3加强各种生物技术新药物的研究开发
加强对重组激素、重组细胞因子、从足溶血栓物质、治疗性抗体的研究开发。
1.3.4.人类干细胞培养或胚胎工程的发展
人类干细胞可分为两类:
全能性干细胞和多能性干细胞;
前者能发育成完整的个体,后者只能发育成人体某一脏器或组织,如肝脏、肾脏、心脏或骨胳、皮肤、肌肉等。
人类胚胎干细胞来自早期胚胎,这些全能型干细胞后来发育成多能性干细胞。
1.3.5转基因动物的发展,克隆动物的发展成就
转基因动物是通过基因工程手段获得在基因中整合了外源基因的动物。
克隆动物是指通过无性繁殖的手段复制而诞生的动物,其外形和生理性状均与其供体细胞相同的动物。
1.3.6加速对人类功能基因的研究开发
由于功能基因对人类的健康以及药物研究开发的关系密切,因此各国科学家相互争先把已知的功能基因进行相当深入的研究以获得发明专利权。
1.3.7基因农作物为农作物方面的发展前景
转基因农作的重点发展方向是:
抗虫害的转基因农作物;
寻找新的抗病毒基因并将其转入一些重要农作物中;
抗干旱、抗盐碱、抗重金属、抗水涝、抗寒冻等的转基因农作物;
1.3.8加强与环境保护学科的合作研究
主要集中在对环境污染的生物治理。
1.3.9积极开展海洋生物技术的研究
1.3.10大力发展与生物技术相关的工程技术学科的研究
第二章菌种来源
使学生掌握典型微生物新种分离筛选过程,微生物选择性分离的原理和发展,并了解常见的工业微生物及其用途。
2.1微生物的特点
微生物的资源非常丰富,广泛分布于土壤,水和空气中,尤其土壤中最多。
有的微生物从自然界中分离出来就能被利用,有的需要对分离到的微生菌种进行人工诱变,得到突变株才能被利用。
微生物的特点是:
种类多,分布广;
生长迅速,繁殖速度快;
代谢能力强;
适应性强,容易培养。
2.2常见的工业微生物
2.2.1细菌
工业常用细菌有:
枯草芽孢杆菌,醋酸杆菌,棒状杆菌,端杆菌等;
用途:
用于生产淀粉酶,乳酸,氨基酸和肌苷等。
2.2.2酵母菌
工业常用酵母菌有:
啤酒酵母,假丝酵母,类酵母等。
用途:
酿酒,制造面包,生产脂肪酶以及生产可食用,药用和饲料用酵母菌蛋白等。
2.2.3霉菌
工业常用霉菌有:
藻状菌纲的根霉,毛霉,犁头霉,子囊霉纲的红曲霉,半知菌类的曲霉,青霉等。
多种酶制剂,抗生素,有机酸及辎体激素等。
2.2.4放线菌
工业常用放线菌有:
链霉菌属,小单孢菌属和诺长菌属等。
产生抗生素,微生物中发现的抗生素,有60%来自放线菌。
2.2.5担子菌
通常所说的菇类微生物。
多糖,橡胶物质和抗癌药物的开发。
2.2.6藻类
自然界分布极广的一类自养微生物。
人类保健食品和饲料,(螺旋藻)环境治理,产生能源。
2.3典型的微生物新种分离筛选过程
分离微生物新种的具体过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定等步骤,如下图所示。
2.4微生物选择性分离的原理和发展
在过去的半个世纪里曾筛选出许多产生新的有用的刺激代谢产物的菌种,这些菌种多半是利用经验式的筛选方法获得的。
大多数的抗生素均由放线菌纲产生。
下面介绍以放线菌为主的分离方法原理的发展。
选择性分离方法大致分为五个步骤:
①含微生物材料的选择;
②材料的预处理;
③所需菌种的分离;
④菌种的培养;
⑤菌种的选择和纯化。
以上任何一个阶段都可以引入选择压力。
2.4.1微生物材料的选择
在选择菌种来源时,存在以下一些标准:
①对于天然材料,如土壤的选择,来源越是广泛的样品,含有目的微生物的可能性就越大,越有可能获得新的菌种;
②可寻找已适应相当苛刻的环境压力的微生物类群;
③在酸性土壤圈的放线菌类群与紧接下层的中性圈的放线菌类群有很大的不同;
④自然环境的菌群可因为人类活动而改变;
⑤更新的生态环境有待于进一步开发。
2.4.2材料的预处理
为了提高菌种的分离效果,人们设计了各种处理材料的方法,有物理方法、化学方法和生物方法。
物理方法:
加热,过路,离心,沉淀池中搅拌。
化学方法:
加几丁质或碳酸钙提高PH。
诱饵法:
花粉,蛇皮,人的头发,涂石蜡的棒。
2.4.3所需菌种的分离
所需菌种的分离效率取决于分离培养基的养分、pH和加入的选择性抑制剂。
一般凭经验而不是绝对的选择。
培养基养分:
几丁质(用来分离土壤或水中的放线菌),淀粉——罗素(和几丁质相类同),M3群脂(阻滞链霉素的生长,容易分离到其他霉菌)。
PH值:
(1)6.7——7.5之间(大多数放线菌,嗜中型)
(2)4.5——5.0(嗜酸性)
(3)6.1——6.8(嗜碱性)
选择抑制剂:
抗细菌抗生素,抗真菌抗生素;
分离培养基中加入抗生素。
2.4.4菌种的培养
温度,时间两方面主要变量为时间。
放线菌平板通常在25-30℃;
嗜热菌通常在45-55℃;
嗜冷菌通常在4-10℃;
在此三者中可加入时间变量。
分离嗜温菌如链霉菌和小单胞菌一般培养7~14天;
嗜热菌如高温放线菌只需1~2天。
有时培养时间短会漏掉一些新的和不寻常的菌种,因此有人在30℃和40℃将培养时间延长1个月,结果分离出一些不寻常的种属。
2.5重要工业微生物的分离
筛选具有潜在工业应用价值的微生物的第一个阶段是分离,分离是指获得纯的或混合的培养物。
接着筛选出那些能产生所需产物或具有某种生化反应的菌种。
在筛选所需菌种时宜考虑:
(1)菌的营养特性;
(2)菌的生长温度,应选择温度高于40℃的菌种;
(3)菌对所采用的设备和生产过程的适应性;
(4)菌的稳定性;
(5)菌的产物的率;
(6)容易从培养液中回收产物。
理想的分离步骤是从土壤环境开始的,土壤中富于各种分离的菌。
设计的分离步骤应有利于具有工业重要特征的菌的生长。
2.5.1施加选择压力的分离方法
⑴富集液体培养
只能增加混合菌群中所需菌株数量的一种技术。
方法的原理是:
给混合菌群提供一些有利于所需菌种生长或不利于其他菌型生长的条件。
供给特殊基质或加入某些抑制剂。
液体培养(分批富集,连续富集)
⑵固体培养基的使用
常用于分离某些酶产生菌,其选择培养基中常含有所需的基质,以便促进酶产生菌的生长。
2.5.2随机分离方法
有些微生物的产物对产生菌的筛选没有任何选择性优势,可以用采用随机分离法获得所需菌种。
随机分离法发展了一些快速筛选方法和归纳出高产培养基成分的选择性准则如下:
1制备一系列培养基,其中有各种类型的养分成为生长限制因素;
2使用一聚合或复合形式的生长限制养分;
3避免使用容易同化的碳;
4确定含有所需的辅因子,
⑸加入缓冲液以减少pH变化。
例如:
抗生素产生菌的筛选;
药理活性化合物的筛选;
生长因子产生菌的筛选;
多糖产生菌的筛选。
使学生掌握几种常用的工业微生物育种方法。
3.1重要工业微生物的分离
3.1.1理想工业微生物应具备的条件
(1)遗传性状稳定;
(2)生长速度快,不易被噬菌体等污染;
(3)目标产物的产量尽可能接近理论转化率;
(4)目标产物最好能分泌到胞外,以降低产物抑制并利于产物分离;
(5)尽可能减少产物类似物的产量,以提高目标产物的产量及利于产物分离;
(6)培养基成分简单、来源广、价格低廉;
(7)对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感;
(8)对溶氧的要求低,便于培养及降低能耗。
3.2菌种选育
目前菌种选育常采用自然选育和诱变育种等方法,随着微生物学、生化遗传学的发展出现了转化、转导、接合、原生质体融合、代谢调控和基因工程较为定向的方法。
经典育种:
自然选育和诱变育种。
菌种选育常采用。
定向育种:
转化,转导,接合,原生质体融合,代谢调控,基因工程。
3.2.1自然选育
生产中,不经过人工处理,利用菌种的自然突变而进行菌种筛选的过程叫自然选育。
一般认为引起自然突变的原因有两个:
多因素低剂量的诱变效应和互变异构效应。
自然突变有两种情况:
菌种衰退,对生产无利的突变,
对生产有利的突变的。
自然选育优缺点:
优点:
是简单易行;
缺点:
效率低、进展慢。
3.2.2诱变育种
3.2.2.1诱变育种的基本原理
诱变育种的理论基础是基因突变。
突变是指由于染色体和基因本身的变化而产生的遗传性状的变异。
诱发突变是指用各种物理、化学因素人工诱发的基因突变。
其中诱发突变的变异幅度大大高于自然突变。
诱变因素的种类很多,有物理的、化学的和生物的三大类。
3.2.2.2诱变育种的一般步骤
诱变育种的整个流程包括:
诱变和筛选两个部分。
诱发所形成的突变与菌种本身的遗传背景、诱变剂种类及剂量的选择和合理使用方法均有密切的关系。
3.2.2.3诱变育种工作中应该注意的几个问题
⑴选择好出发菌种
⑵复合诱变因素的使用
⑶剂量的选择
⑷出发菌株的筛选
⑸高产菌株的获得需要筛选条件的配合
3.3原生质体融合
3.3.1原生质体融合技术
原生质体融合是通过人工方法,使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合,并产生重组子的过程。
该技术始于1976年,最早是在动物细胞实验中发展起来的,后来,在酵母菌、霉菌、高等植物、以及细菌和放线菌中也得到了应用。
3.3.2原生质体融合技术步骤:
3.4基因工程技术(第四章中详细介绍)
3.4.1基因工程育种技术定义
基因工程是用人为的方法将所需的某一供体生物的遗传物质DNA分子提取出来,在离体条件下切割后,把它与作为载体的DNA分子连接起来,然后导入某一受体细胞中,让外来的遗传物质在其中进行正常的复制和表达,从而获得新物种的一种崭新的育种技术。
3.4.2主要步骤
3.5菌种的筛选方法
3.5.1一次性筛选法
定义:
对出发菌株完全致死的环境中,一次性筛选出少量抗性变异株。
(1)抗噬菌体菌株筛选:
噬菌体数大于菌体细胞数,平板分离。
①诱变选育,平板分离:
敏感菌株经诱变因素处理,然后将处理过的孢子液分离在含有高浓度的噬菌体的平板培养基上,经处理后的存活的孢子中,如存在抗性变异菌株就能在此平板上生长。
②诱变育种、液体培养、平板分离:
诱变因素处理后接入种子培养基,待菌丝长浓后加入高浓度的噬菌体再继续培养几天;
再加入噬菌体反复感染,使敏感菌被噬菌体所裂解,最后取出菌丝进行平板分离,从中筛选抗性菌株。
2)耐高温菌株筛选:
节约冷却水,减少染菌。
方法:
一定高温处理一段时间,再分离。
敏感菌株被大量杀死,残存的细胞则对高温有较好的耐受性。
3)耐高浓度酒精酵母菌的筛选,用于浓醪发酵。
加入高浓度酒精。
4)耐高渗透压酵母菌株筛选,用于甘油发酵。
方法:
添加蔗糖。
3.5.2其他筛选方法
3.5.2.1条件抗性突变型的筛选
3.5.2.2抗药性突变株的筛选
1)梯度平板法
2)纸片扩散法
使学生掌握基因工程原理及操作过程,并深入了解运用基因工程技术育种的方法。
4.1重要的工具酶
基因工程中的工具酶主要是指用于DNA和RNA分子的切割、连接、聚合、修饰、反转录等有关的各种酶系统。
4.1.1限制性核酸内切酶
是一类由细菌产生的能专一识别双链DNA中的特定碱基序列、并水解该点磷酸二酯键的核酸内切酶,简称限制酶或切割酶。
根据限制酶的作用特性,一般分为三类:
——Ⅰ(3个亚基)、Ⅱ(单条肽链)和Ⅲ(多亚基蛋白)型,其中常用的是Ⅱ型限制酶。
限制酶(Ⅱ型)识别及切割位点
特异识别及切割4~8个bp长度且具有回文序列的DNA片断,主要产生3种缺口:
5ˊ-粘性末端,3ˊ-粘性末端,平端或钝端。
回文序列:
是指该部位的核苷酸序列呈180O旋转对称;
其特点是在该段的碱基序列的互补链之间正读反读都相同(并非在同一条链上正读反读)。
例如5'
GGTACC3'
粘性末端:
是指经内切酶特异切割后产生的5ˊ-末端突出或3ˊ-末端突出的碱基序列相互具有互补性。
4.1.1.1同裂酶
又称异源同工酶。
指来源不同,但具有相同的识别序列。
在切割DNA时,其切割点可以是相同的,产生平头末端,称为同识同切;
切割点也可以是不同的,产生3ˊ或5ˊ粘性末端,称为同识异切。
4.1.1.2同尾酶
指来源不同,但识别与切割顺序有一定的相关性的一类酶。
它们作用后产生相同的粘性末端。
4.1.2DNA聚合酶
最常用的DNA聚合酶有以下4种:
DNA聚合酶Ⅰ;
DNA聚合酶Ⅰ大片段——Klenow片段;
TaqDNA聚合酶;
T4噬菌体DNA聚合酶。
(一)DNA聚合酶Ⅰ
E.ColiDNA聚合酶Ⅰ(DNApolⅠ)是一个具有3种酶活性的多功能性酶。
包括:
5ˊ→3ˊDNA聚合酶活性;
5ˊ→3ˊ核酸外切酶活性;
3ˊ→5ˊ核酸外切酶活性。
DNApolⅠ应用:
⑴催化DNA缺口平移反应,制备高比活性DNA探针;
⑵第二条cDNA链的合成;
⑶对DNA3’突出末端进行标记;
⑷DNA序列分析。
(二)Klenow片段(DNApol.大片断)
(三)TaqDNApol(耐热DNA聚合酶)
作用特点
1)TaqDNApol催化DNA合成的最适温度范围70-75℃,
2)95℃以上高温,半小时不失活,
3)最适合用于聚合酶链反应(PCR)。
4.1.3逆转录酶
特点:
由两条肽链组成,其中一条同时具有5ˊ→3ˊDNA聚合酶活性和5ˊ→3ˊRNA外切酶活性。
逆转录酶是一个多功能性酶,至少具有以下3种酶
活性:
⑴以单链RNA为模板,催化合成cDNA单链
⑵具有RNaseH活性,能水解RNA:
DNA杂交链中的RNA
⑶以DNA为模板,催化合成cDNA双链。
4.1.4DNA连接酶
DNA连接酶可以催化带有粘性末端或平头末端的双链DNA中一条链的3ˊ-OH与另一条链的5ˊ-PO3H2形成磷酸二酯键而相连,从而构成一条完整的DNA长链。
最常用的DNA连接酶是T4连接酶,是在T4噬菌体感染的大肠杆菌中发现的了分离的。
T4连接酶不仅适用于DNA之间的粘性末端连接,也可以适用于平末端的连接。
催化反应时需要Mg2+和ATP。
4.1.5碱性磷酸酶
碱性磷酸酶(BAP)能够催化水解去除DNA或RNA5ˊ-端的磷酸基团。
4.2基因克隆常用的载体
载体是将外源DNA(目的DNA)片断引入宿主细胞的运载工具,其化学本质为DNA。
4.2.1载体必须具备的基本条件
1)有自身的复制子,能独立复制
2)具备多个限制酶的识别位点(多克隆位点)
3)具有遗传表型或筛选标记
4)有足够的容量以容纳外源DNA片段。
5)表达型载体还应具备与宿主细胞相适应的启动子、前导序列、增强子等调控元件。
6)载体DNA中均有一段非必需区,将外源基因插入该非必需区,而载体本身不受影响。
4.2.2载体的种类
一般来说,载体是通过改造天然质粒、噬菌体和病毒构建而成。
(一)克隆载体:
用来克隆和扩增DNA片段的载体,具有3点共性:
⑴能够在受体细胞复制;
⑵带有药物抗性基因,便于筛选;
⑶可导入受体细胞。
(二)表达载体:
除具有克隆载体所具有的性质外,还带有表达构件——转录和翻译所必须的DNA顺序,以保证外源基因的表达。
4.2.3常用的载体
4.2.3.1质粒
是存在于细菌染色体外的、能自主复制的双链环状DNA分子。
作为克隆载体的质粒应具备以下特点:
1)分子量相对较小,能稳定存在于细菌体内,有较高的拷贝数
2)具有1个以上的遗传标志,便于筛选
3)具有多克隆位点
广泛应用的质粒:
pBR322质粒、pUC系列等
pBR322质粒特点:
①4363bp②含一个复制点③含一个抗氨卞青霉素标记(ampR)④一个抗四环素标记(tetR)⑤ampR和tetR基因内各有一些限制酶的酶切位点,供外源基因插入当外原基因插入抗药基因位点时,AmpR→Amp敏感(AmpS)、TetR→Tet敏感(TetS
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 生物 工艺学 原理 教案
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)