生物化学工程基础 第二章 工业微生物学基础✔

生物化学工程基础 第二章 工业微生物学基础，其中灭菌就是指用物理或化学方法杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质的过程。常用的灭菌方法有热杀菌和冷杀菌(也称为非热杀菌)两种。

第二章 工业微生物学基础

• 第一节 微生物的特点
  • 1.体积小、表面大
    • 别有利于它们与周围环境进行物质、能量和信息的交换
  • 2.种类多、分布广
    • 土壤则是各种微生物的大本营
  • 3.生长旺、繁殖快
    • 生产效率高、发酵周期短
  • 4.适应强、易变异
    • 超级细菌
  • 5.吸收多，转化快
• 第二节 工业生产中常见的微生物
  • 分类
    • • 原核微生物细胞内有明显的核区，但没有核膜、核仁，核区内含有一条 DNA构成的细菌染色体； 真核微生物的细胞含有具体的细胞核，细胞核有核仁、核膜和一至数条 DNA 构成的染色体； 非细胞微生物没有完整的细胞结构，仅含有一种类型的核酸 (DNA 或 RNA),不能进行独立的代谢作用。
  • 一、细菌
    • 细胞壁---固定菌体外形和保护细胞内在物质的作用 细胞膜（亦称细胞质膜或原生质膜）---选择性地控制与外界的交换作用，摄进细菌需要的营养物质和排出多余的代谢产 物，酶系也主要集中在细胞膜的内侧 类核---与高等生物细胞核功能相似的核物质 质粒---存在于一些细菌的细胞质中。它是存在于细胞染色体外或附加于染色体上的遗传物质。这些遗传物质往往与细胞主要代谢无关。质粒一般由闭合环状双螺旋DNA 分子构成。质粒已成为基因工程中重要的运载工具之一。 核糖体---由核糖核酸和蛋白质组成的微粒，合成酶或蛋白质的“车间” 芽孢---细菌在细胞内部形成的一种抵抗不良环境的休眠体（能形成芽孢的细菌主要是杆菌。采用间歇分段式灭菌法(丁道尔灭菌法)能有效杀死细菌中以耐热休眠形式存在的芽孢） 菌落---以母细胞为中心的一堆肉眼可见的、有一定形态构造的子细胞集团 菌苔---由纯种的大量细胞长成的各菌落相互连接成一片
    • 主要由细胞壁、细胞膜、细胞质、类核及内含物等构成，自然界中分布最广、数量最多；有的有荚膜或鞭毛（运动器官）
  • 二、放线菌
    • 菌落呈放射状，有基内(或营养)菌丝和气生菌丝（孢子丝），广泛存在于泥土中（土腥味），最大的经济价值是产生能抑制其他微生物生长的抗生素，可用于治疗人和动植物的疾病
  • 三、酵母菌
    • 繁殖方式分无性繁殖和有性繁殖两种，以无性繁殖为主（芽殖或裂殖），用于发酵生产
  • 四、霉菌
    • （亦称丝状真菌），真菌的主要代表，孢子繁殖，有缺点（见注释）
      • 霉菌也有不利的一面，它能引起农副产品、衣物、食品、原料、器材和产品等发霉变质；有的还能引起人类和动植物的疾病，特别是近年来发现黄曲霉寄生在谷物上，产生黄曲霉毒素，有明显的致癌作用，已引起人们的重视。
  • 五、蓝细菌
    • 含有光合色素——叶绿素 a，能进行产氧型光合作用，是光能自养型生物，曾被归于藻类，称为蓝藻或蓝绿藻，应归属于原核微生物，以无行裂殖为主，形成“水华”(淡水水体)和赤潮(海水)]，有潜力通过光合作用来直接获得生物燃料
  • 六、病毒
    • 由核酸和蛋白质外壳构成，个体极小，只能寄生在某一特定的细胞中不能独立生活的微生物。分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（又称为噬菌体）。
      •  当噬菌体与敏感菌的细胞相遇后，首先吸附于敏感菌的细胞壁上，然后噬菌体的尾部分泌出溶菌酶将敏感菌的细胞壁溶成孔洞，尾鞘收缩将噬菌体头部内的核酸压入宿主细胞，利用宿主细胞提供的原料、能量和合成场所，在噬菌体核酸的控制下进行噬菌体核酸的复制及蛋白质的合成，并将复制的核酸与合成的蛋白质进行装配，从而形成许多新的噬菌体。新的噬菌体成熟后，宿主细胞破裂，释放出大量噬菌体(如图2-9所示)。 如发酵液污染上噬菌体，轻者使发酵周期延长，发酵单位产量降低；重者则造成倒罐，造成巨大经济损失，已成为发酵工业的大敌。 可以采取杜绝噬菌体赖以生存繁殖的环境条件、定期更换菌种、药物处理等方法进行防治。当然最有效的办法是选育抗噬菌体的突变株，使敏感菌转化为具抗性的新菌种。
• 第三节 微生物菌种的分离、选育与保藏
  • 分离新菌种步骤
    • 采样→增殖培养→纯种分离→筛选→较优菌株
      • 1.采样：生态特点 2.增殖培养：碳源、p H 值、抑制剂、温度 3.纯种分离：划线法、稀释法 4.筛选：
  • 二、诱变育种
    • 有自然突变、诱发突变；是迄今为止国内外提高菌种产量、性能的主要手段之一。诱变育种的理论根据；物理诱变剂、化学诱变剂
      • 诱变育种的理论根据是：生物的遗传物质是 DNA, 一切诱变剂的作用机制都是引起DNA 分子结构的改变，或者具体地说是引起负载在 DNA 上的遗传物质的基本单位——基因上的碱基对发生改变。这样形成的异常的遗传信息，必然造成某些蛋白质结构变异，而使细胞的功能发生改变。 物理诱变剂：紫外线、 X 射线、γ射线、快中子和超声波 化学诱变剂：如碱基类似物、烷化剂等，使用最多、最有效的是烷化剂
  • 三、原生质体融合技术
    • 通过人工的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体(去壁后的细胞称为原生质体) 发生融合，并进而发生基因重组以产生同时带有双亲性状的、遗传性稳定的杂种细胞的过程 称为原生质体融合；原生质体融合的主要步骤
      • 原生质体融合的主要步骤是：选择两个有特殊价值并带有选择性遗传标记的细胞作为亲本，在高渗溶液中，用适当的脱壁酶去除细胞壁，剩下由细胞膜包裹的球体叫做原生质体。两种不同的原生质体在高渗条件下混合，在助融剂聚乙二醇(PEG) 和 Ca2+作用下，发生细胞膜的结合。从而实现基因重组 原生质体融合进行基因重组有以下优点：①遗传物质的交换没有细胞壁的障碍；②得到多种类型的重组子；③可以用温度、药物、紫外线等处理，钝化亲株的一方或双方，然后使之融合，在再生菌落中筛选重组子。
  • 四、菌种保藏（不死、不衰、不乱）
    • 使孢子或菌体的生长代谢活动降低，减少变异。可通过保持培养基营养成分在最低水平，并在缺氧、干燥、低温、避光下使菌种处于休眠状态，抑制其繁殖能力
    • 工业上常用的保藏方法有如下五种
      • 1.斜面冰箱保藏法
        • 一种短期、过渡的保藏方法
      • 2.砂土管保藏法
        • 适合于产孢子或芽孢的微生物
      • 3.石蜡油封保藏法
        • 不能用于可利用石蜡作为碳源的微生物
      • 4.真空干燥冷冻保藏法
      • 5.液氮超低温保藏法
• 第四节 微生物的营养
  • 微生物从环境获得它们合成自身的细胞物质和提供机体进行各种生理活动所需的能 量以及形成代谢产物所需的营养物质的全过程称为微生物的营养。
  • 营养类型（碳素营养来源的不同、所需能源的不同）
    • 自养型
      • 能在完全无机物的环境中生长繁殖。它具有完备的酶系统，能利用 CO2或碳酸盐作为碳源，以氨或硝酸盐为氮源，用以合成细胞的有机物质
      • 化能自养型
        • 硝化细菌
          • 
      • 光能自养型
        • 泥生绿硫细菌
          • 
    • 异养型
      • 大多数为化能异养型
    • 兼性营养型
      • 红螺菌是既可利用光能又可利用化能
  • 营养基质
    • 1.碳源
      • 产生各种代谢产物和细胞内碳架结构的重要来源，维持生命活动所需能量
    • 2.氮源
      • 有机氮源（蛋白质、多肽和游离氨基酸、糖类、脂肪），无机氮源（铵盐、硝酸盐、尿素和氨水）
    • 3.无机元素
      • 构成菌体的组成成分；作为酶活性基团的组成部分；调节微生物体内的 p H值和氧化还原电位；有些元素如 S、Fe还同时作为某些自养菌的能源
      • 大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Mg、Ca、Fe
      • 微量元素：Mn、Co、Cu、Zn、Mo、Ni
    • 4.生长因子
      • 微生物生长发育过程中所不可缺少而需要量又极少的一类特殊营养物质，包括维生素、氨基酸、核苷酸等，一般称生长因子 (growth factor) (或称生长辅助物)。它们以辅酶或辅基的形式参与菌体生长发育过程的酶促反应
  • 培养基
    • 人工配制适于微生物生长繁殖或累积代谢产物的营养基质称为培养基
    • 培养基的物理状态
      • 固体（添加某种胶凝剂，如琼脂、明胶）
      • 液体（充分接触）
    • 营养物质的来源
      • 合成
      • 天然
      • 半合成
    • 培养基的用途
      • 基础
      • 鉴别
      • 加富
      • 选择
    • 微生物对营养物质的吸收
      • 被动吸收
      • 主动吸收或主动运输
• 第五节 影响微生物生长发育的因素
  • 除培养基的组成外还有温度、 p H 值、通气、搅拌等环境因素。
    • 搅拌能打碎气泡，增加气液接触面积，加速氧的溶解速度，提高空气利率，促进微生物的繁殖。但是过度剧烈的搅拌也会导致培养液大量涌泡，增加污染杂菌的机会；表面活性剂有抑制细菌生长繁殖的作用用
• 第六节 微生物的培养
  • 工业上微生物培养过程主要有如下五个类别
    • ① 以微生物菌体为产品，如酵母、单细胞蛋白的生产。 ② 以微生物酶为产品——酶制剂工业。 ③ 为了除去某种物质，如废水的生化处理。 ④ 以微生物的代谢产物为产品，如氨基酸、有机酸、抗生素、溶剂、疫苗以及各种生理活性物质的生产。 ⑤ 特定的转化反应过程。微生物细胞能将一种化合物转化成化学结构相似，但更有价值的化合物。
  • 培养方法
    • 1.固体培养
      • 工业生产上固体培养的一般程序是：
    • 2.液体深层培养
    • 3.载体培养（多孔材料）
  • 分批培养
    •  种子罐级数是指制备种子需逐级扩大培养的次数，这一般是根据种子的生长繁殖速度而定。 种龄是指种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。 接种量是指移入的种子液体积和接种后培养液的体积的比例。 1.延滞期---细胞数在一定时间内无明显增加，这一阶段称为延滞期(又称调整期或适应期)。 2.对数生长期---细胞开始迅速繁殖 3.稳定期---培养基中营养物质渐趋耗尽，而代谢产物逐渐增多，细胞的繁殖速度逐渐降低，繁殖速率与死亡速率相等，细胞浓度达到极大值 4.衰亡期---营养成分耗尽，代谢产物大量积累，死亡的细胞数则越来越多 微生物生长曲线是描述微生物在一定生活环境中生长繁殖和死亡规律的
    • 注意2-14设备、操作名称及作用
    • 作为种子必须具备下列条件：生活旺盛有活力，移种至发酵罐后能迅速生长，缩短延滞 期；菌体总量适宜，以保证在大发酵罐中有适当的接种量；生理状态稳定；无杂菌；保持稳 定的生产能力。
    • 根据微生物生长繁殖速率的不同，可将生长曲线大致分为延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个阶段。
  • 连续培养
    • 连续培养的优缺点
  • 补料分批培养
• 第八节 灭菌技术
  • 受杂菌污染产生的各种不良后果
  • 灭菌方法
    • 灭菌就是指用物理或化学方法杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质的过程。常 用的灭菌方法有热杀菌和冷杀菌(也称为非热杀菌)两种。
    • 干热灭菌
    • 湿热灭菌
    • HTST的理论基础
      • 当温度升高时，微生物死亡速率的增加，要比营养成分的分解速率的增加大得多。因而在较高温度下可以缩短灭菌时间而减少营养成分的损失，这就是高温瞬时灭菌法——HTST的理论基础。