发酵工程工艺的进展

所属栏目:园艺论文 发布日期:2019-03-04 20:05:59 论文作者:佚名
摘要简单介绍了发酵工程的历史的三个阶段,基因工程与发酵工程的关系,发酵工艺的新进展,在菌种的选育、培养基的配置上进行新的改进,揭示我国当代发酵工程的创新研究在国际上取得

摘要

简单介绍了发酵工程的历史的三个阶段,基因工程与发酵工程的关系,发酵工艺的新进展,在菌种的选育、培养基的配置上进行新的改进,揭示我国当代发酵工程的创新研究在国际上取得的新成就。

关键词:发酵工艺,基因工程,菌种培育

发酵工程是一级学科“轻工技术与工程”中的一个重要分支和重点发展的二级学科,在生物技术产业化过程中起着关键作用。它是指采用工程技术手段,利用生物(主要是微生物)和有活性的离体酶的某些功能,为人类生产有用的生物产品,或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。

发酵工业的技术进步得益于生物技术的全面发展,与发酵工程的发展有着更为直接的关系。现代发酵工业已形成完整的工业体系,包括抗生素、氨基酸、有机酸、有机溶剂、多糖、酶制剂、单细胞蛋白、维生素、基因工程药物、核酸类物质及其他生物活性物质等,其产品在医药、食品、化工、轻工、纺织、环保等诸多领域获得广泛应用,成为与人们的衣食住行、环境和健康密切相关的产业

1发酵工艺的历史进展

1.1手工加工

发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作(农产手工加工),体力劳动繁重,生产规模受到限制,难以实现工业化的生产

1.2近代发酵

发酵界的前人首先求教于化学和化学工程,向农业化学 和化学工程学习,凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品,对发酵生产工艺进行了规范,以机器生产代替了手工操作,把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。

1.3现代发酵

通过发酵工业化生产的几十年实践,人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的(时变的)、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程,按照化学工程的模式来处理发酵工业生产(特别是大规模生产 )的问题,往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看,发酵罐也就是生产原料发酵的反应器,发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂,按化学工程的正统思维,微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是,追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核(微生物),返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定,使发酵工程的发展有了明确的方向,发酵工程进入了生物工程的范畴。

2基因工程引入发酵工程

发酵工程当中包括菌种的选育,人们通过对于现有的菌种进行育种发现不能够使得到的产品可以完全满足人所期望的目标,又由于现代科技的进展和基因工程的进步,人们想象到了将基因工程和发酵工程相互结合,把基因工程引入发酵工程的菌种选育当中,使其获得的DNA重组的菌种获得人们所期望的全部基因,使发酵所得的产物增多,质量加强。

2.1基因工程菌

是指利用基因工程技术,将外源的目的基因导入宿主细胞使其表达所需蛋白的重组菌。随着基因工程技术的完善和发展,不断地有新的基因工程产品的面市,如人胰岛素、白细胞介素-2、干细胞因子、乙肝表面抗原和表皮生长因子等。基因工程菌发酵是为了获得大量的外源基因表达产物,不仅与工程菌本身的遗传性状有关,与发酵工艺的控制也有非常重要的关系。

2.2大肠杆菌表达系统

大肠杆菌因其培养要求低、生长迅速、遗传背景清楚和表达量高等优点,是生命科学研究的模式生物之一;其表达系统是目前人类掌握最成熟,应用范围最广的原核表达系统。但大肠杆菌产生内毒素,且表达外源蛋白多是非分泌型表达,会在细胞内部形成不可溶解的包涵体,容易导致产物活性低、纯化难度大;并且缺乏翻译后对真核蛋白修饰加工的功能,导致表达产生的蛋白无法进行糖基化、磷酸化、正确折叠和分泌等修饰,只适合表达不需要修饰的外源蛋白,这些问题限制其在工业菌发酵中的工业化应用。

2.3基因工程的研究进展

植物基因工程技术在中草药研发中的应用可大大提高药用植物的有效成分含量。 如魏小勇等以基因工程技术提高铁皮石斛中的石斛碱的含量, 产生了巨大的经济效益。在利用基因工程提高药用植物的抗病性和抗逆性方面,我国学者也取得了显著成果。 如抗黄瓜花叶病毒的番茄和抗甜菜坏死黄脉病毒的甜菜等。 基因工程应用在植物性食品脱敏 中,可以直接作用与过敏源头,即改变内源基因使编码的蛋白质失去致敏性,从而降低过敏病人的不良反应。

2.4诱导表达程序对发酵的影响

对于ΚPL或PR启动子型的工程菌的热诱导的程序对提高外源蛋白表达量至关重要,细胞生长的温度突然升高10℃以上,其细胞内就会生成某些热激蛋白,以适应变化的环境,几乎各类细胞遇到热激都会产生热蛋白,在E.coli中约产生17种热激蛋白,如果增高的温度范围不太大(Ecoli中为42℃)热激蛋白合成的速度很快又下降,恢复正常蛋白的合成

3当代发酵工程研究取得的新进展

3.1我国在发酵工程研究领域取得的成就

3.1.1生物技术开发天然药物

我国对中医的研究和应用具有传统的优势,对防病治病特别是疑难杂症显示了独特的优势。为促进中药现代化,采用新技术开发生物资源和中药资源成为一项极其重要的工作。重点支持:

(1)动植物细胞大规模培养生产技术及产品

(2)发酵法生产名贵、紧缺药用原料

(3)动植物组织中分离提取生物活性物质原料及新药

(4)天然提取活性物质的化学修饰产物及新药

3.1.2发酵生产新工艺

我国在世界范围内首创的二步发酵生产维生素C新工艺,已在国内全面推广,并已向国外转让专利技术。转基因糖化霉新菌种及其生产新工艺在全国推广后,每年仅此一项为国家节约粮食30多万吨,节约资金达1亿元以上。其他如单细胞蛋白、长链二元酸等的研究方面也都获得了重要成果。

我国研究开发的发酵工程产品核苷酸用于医药以及微生物无害农药,杀虫效果好, 无污染。 利用微生物及其代谢产物提高了石油的采收率。 利用发酵工程新工艺生产酒精、 保健品不断取得新进展。开发沼气发酵新工艺,为合理利用有机废弃物,变废为宝,改善环境,提高再生能源量起了重要作用。

4发酵培养基的优化

4.1培养基成分的更换

培养基的成分必须由自己所要培养的菌种来配制,因为所处的地点不同,菌种的来源不同,很难保证菌种生长需求的相同,尤其是工程菌,菌种对生长和质粒稳定性的要求更为苛刻,所以有必要对培养基的基础成份进行筛选,在保持其他条件不变的情况下,只改变一种成份来确定适合自己菌种的培养基成分。王志军等认为碳源和氮源对质粒稳定性有很大的影响,不同碳源和氮源的种类可影响质粒生产的稳定。Bryerl和kennedy等认为大肠杆菌中的质粒DNA丢失率与碳氮比有很大的关系,当大肠杆菌在较高的碳氮比中生长时,葡萄糖大部分被代谢为乙酸及其他一些次生代谢产物,而减少了葡萄糖的利用率,这就有可能使细胞中质粒的拷贝数受到影响,进而使质粒的产量减少。

参考文献

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