发酵过程控制与优化
发酵工程发酵过程控制
发酵工程发酵过程控制1. 引言发酵工程是利用微生物的生理代谢过程来生产有机化合物的一种工程技术。
而发酵过程控制则是在发酵工程中对发酵过程进行调控和监控，以确保发酵过程能够稳定进行，并获得高产率和良好的产品质量。
发酵过程控制通过对微生物与培养基、发酵设备和操作条件等方面进行控制，研究微生物的生长规律和代谢产物的生成规律，实现对发酵过程的调控，以实现最佳的发酵效果。
本文将介绍发酵工程发酵过程控制的主要内容和方法。
2. 发酵过程控制的目标发酵过程控制的主要目标是实现以下几个方面的调控：1.生物量的控制：调控微生物的生长速率和生物量，使其在适宜的培养基和环境条件下获得最佳生长，提高产酶或产物的产量；2.代谢产物的控制：调控微生物代谢过程中的关键反应步骤，实现选择性产物的生成，并提高产量；3.溶氧的控制：调控发酵过程中的溶氧浓度，提高氧传递效率，防止氧的限制性产物的堆积；4.pH的控制：调控发酵过程中的pH值，维持合适的酸碱环境，促进微生物的生长和代谢；5.温度的控制：调控发酵过程中的温度，提供适宜的环境条件，促进微生物的生长和代谢。
3. 发酵过程控制的方法发酵过程控制主要采用以下几种方法：3.1 反馈控制反馈控制是一种基于对发酵过程变量的测量和反馈，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的反馈控制方法包括：•温度控制：通过测量发酵容器内的温度，控制加热或降温设备的输出，以维持适宜的温度；•pH控制：通过测量发酵液的pH值，控制酸碱调节器的输出，以维持适宜的酸碱环境；•溶氧控制：通过测量发酵液中的溶氧浓度，控制气体供应设备的输出，以维持适宜的溶氧浓度。
3.2 前馈控制前馈控制是一种基于对发酵过程中外部输入变量的预测，通过调节控制器输出量，实现对发酵过程的调控。
常见的前馈控制方法包括：•溶氧前馈控制：根据发酵微生物对溶氧需求的特性，通过对气体供应设备输出的调节，提前调整溶氧浓度，以满足微生物的需求；•pH前馈控制：根据发酵产物对酸碱环境的敏感性，通过对酸碱调节器输出的调节，提前调整pH值，以维持合适的酸碱环境。
发酵工艺过程及控制介绍
发酵工艺过程及控制介绍1. 引言发酵是一种常见的生物过程，广泛应用于食品、饮料、药品等行业。
掌握发酵工艺的相关知识和控制方法对于提高产品品质、减少生产成本具有重要意义。
本文将介绍发酵工艺的基本过程和常见的控制方法，希望能为读者提供一些有用的信息。
2. 发酵工艺的基本过程发酵工艺是利用微生物在一定条件下进行生物代谢产生有用产物的过程。
其基本过程可以分为以下几个阶段：2.1 发酵前处理发酵前处理包括原料准备、消毒灭菌和接种等步骤。
原料准备是根据产品的不同需求选择合适的原料，并进行加工处理，如研磨、过滤等。
消毒灭菌是为了杀死微生物，防止杂菌污染。
接种是将合适的微生物菌种引入到发酵系统中，以促进发酵的进行。
2.2 发酵主过程发酵主过程是指微生物在适宜的环境条件下，利用碳源、氮源和能源进行代谢活动。
这个阶段主要包括菌种适应期、生长期和产物积累期。
在菌种适应期，微生物适应新的环境条件，准备进入生长期。
在生长期，微生物通过吸收和利用外部营养物质，进行生物合成和生长增殖。
在产物积累期，微生物代谢产物开始积累，并趋于稳定。
2.3 发酵后处理发酵后处理主要包括产物分离、精制、贮存等步骤。
产物分离是将发酵液中的固体和液体分离开来，常用的分离方法包括离心、膜分离等。
精制是对分离得到的产物进行纯化和提纯，以满足产品的要求。
贮存是将产物储存起来，以便日后销售和使用。
3. 发酵工艺的控制方法为了保证发酵工艺的顺利进行和产物的高质量，需要采用一些控制方法。
以下是常见的发酵工艺控制方法的介绍：3.1 温度控制温度是影响微生物生长和代谢的重要因素之一。
合适的温度可以提高微生物代谢活性，促进产物的积累。
过高或过低的温度都会对发酵产物的质量和产量产生不良影响。
因此，在发酵过程中，需要对发酵系统进行温度控制，保持适宜的温度范围。
3.2 pH控制pH是微生物生长和代谢的另一个重要因素。
微生物对不同pH值的适应能力有所不同，因此，在发酵过程中，需要控制发酵液的pH值，使其保持在适宜的范围内。
发酵过程优化与控制(原理部分)
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大型发酵罐 搅拌装置
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现代发酵工程的主要研究内容
1.发酵过程的优化控制技术 2.生化过程的模型化 3.高密度培养技术 4.代谢工程和代谢网络控制 5.新型生化反应器的研究和开发 6.新型发酵和产品分离技术
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第一章
绪论
一. 发酵过程优化在生化工程中的地位 二. 发酵过程优化的目标和研究内容 三. 发酵过程优化的研究进展 四. 流加发酵过程的优化控制
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一. 发酵过程优化在生化工程中的地位
现代生物技术不仅能在生产新型食品、饲料添加剂、 药物的过程中发挥重要的作用，还能经济、清洁地 生产传统生物技术或一般化学方法很难生产的特殊 化学品，在解决人类面临的人口、粮食、健康、环 境等重大问题的过程中必将发挥积极的作用 如何才能更好地发挥现代生物技术的作用？ 以工业微生物为例，选育或构建一株优良菌株仅仅是 一个开始，要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必 须优化其发酵过程，以获得较高的产物浓度(便于下 游处理)、较高的底物转化率(降低原料成本)和较高 的生产强度(缩短发酵周期) 20
养或半连续发酵，是指在分批发酵过程
中间歇或连续地补加新鲜培养基的发酵
方法
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流加发酵的研究进展
在20世纪70年代以前流加发酵的理论研究 几乎是个空白，流加过程控制仅仅以经验为 主，流加方式也仅仅局限于间歇或恒速流加
1973年日本学者Yoshida等人首次提出了 “Fed-Batch Fermentation”这个术语，并从理 论上建立了第一个数学模型，流加发酵的研究 才开始进入理论研究阶段
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基于碳氢化合物的经济转变为基于 碳水化合物的经济
将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再
发酵过程的精准调控与工艺优化方法
发酵过程的精准调控与工艺优化方法发酵是一种生物技术，通过合理控制发酵过程，可以实现对产物的精确调控和工艺优化。
发酵过程的精准调控和工艺优化方法主要包括生物学和工程学两个方面。
生物学方面，精准调控发酵过程首先需要深入了解微生物的生理特性和代谢途径。
微生物的生理特性包括生长速率、酸碱耐受性、温度耐受性等，可以通过调整发酵条件，如温度、酸碱度等来实现微生物的生长和代谢的调控。
代谢途径是微生物产生所需要产物的关键，可以通过基因工程和代谢工程的方法，通过改造微生物的基因组和调控基因表达，调控微生物的代谢途径，实现对产物的精确调控。
例如，某些微生物产生的酒精是由酵母菌通过糖类的发酵产生的，而糖类的发酵需要酵母菌产生特定的酶来催化，因此可以通过改变酵母菌产生这些酶的酶的表达量或者改变酵母菌的酶的特异性，可以实现对酵母菌发酵产生酒精的精确调控。
而在工程学方面，精准调控发酵过程需要考虑的主要是发酵设备和生物反应系统。
发酵设备的优化可以提高发酵过程中的物质传质和热量传递效率，提高微生物的生长速率和代谢活性。
例如，可以通过设计合适的搅拌装置和气体供应系统等，提高微生物的生长环境和营养供应，从而提高发酵的产量和效率。
生物反应系统是指发酵过程中微生物和底物之间的相互作用系统。
通过优化生物反应系统，可以实现对微生物代谢和产物合成的精确调控。
例如，可以通过控制底物的添加速率和浓度，调控微生物的生长速率和代谢途径，从而实现对产物合成的精确调控。
除了生物学和工程学方面，发酵过程的精准调控和工艺优化还需要考虑监测和控制系统。
监测系统可以实时监测发酵过程中的各项参数，如温度、酸碱度、底物浓度、产物浓度等，以便及时调整发酵条件。
控制系统可以根据监测结果，自动调整发酵设备和生物反应系统的操作参数，实现对发酵过程的精确调控和工艺优化。
总之，发酵过程的精准调控和工艺优化方法需要从生物学和工程学两个方面进行综合考虑。
通过深入了解微生物的生理特性和代谢途径，利用基因工程和代谢工程的方法进行微生物的改造，可以实现对产物的精确调控。
微生物发酵过程优化控制技术进展
微生物发酵过程优化控制技术进展一、本文概述微生物发酵过程优化控制技术是生物工程领域的一个重要研究方向，它旨在提高发酵过程的效率、降低能耗、优化产品质量，从而实现工业生产的经济效益和环境效益的最大化。
随着生物技术的快速发展，微生物发酵过程优化控制技术也取得了显著的进步。
本文将对近年来微生物发酵过程优化控制技术的研究进展进行综述，包括发酵过程参数优化、发酵过程模型化与控制、发酵过程智能优化控制策略等方面，以期为该领域的进一步研究和发展提供参考和借鉴。
本文将介绍微生物发酵过程的基本原理和发酵过程控制的重要性，阐述优化控制技术在提高发酵效率、降低生产成本、改善产品质量等方面的关键作用。
本文将重点综述发酵过程参数优化技术的研究现状，包括温度、pH值、溶氧量、底物浓度等关键参数的优化方法和技术手段。
接着，本文将探讨发酵过程模型化与控制的研究进展，包括基于机理模型的发酵过程控制、基于数据驱动的发酵过程建模与控制等方面。
本文将介绍发酵过程智能优化控制策略的最新研究成果，包括基于、机器学习等技术的发酵过程优化控制方法，以及这些技术在实际工业生产中的应用情况。
通过对微生物发酵过程优化控制技术的研究进展进行综述，本文旨在为该领域的科研人员、工程师和研究生提供一个全面、深入的了解，以促进该领域的进一步发展和创新。
本文也希望为相关企业的技术创新和产业升级提供有益的参考和启示。
二、微生物发酵过程基础微生物发酵过程是一种复杂的生物化学过程，涉及微生物的生长、代谢以及产物的生成。
这个过程通常包括菌种选择、培养基配制、发酵条件控制等多个步骤。
发酵过程中的关键因素包括温度、pH值、溶解氧、营养物质浓度等，这些因素的优化控制对于提高发酵产物的产量和质量至关重要。
菌种选择是发酵过程的基础。
不同种类的微生物具有不同的代谢途径和产物生成能力，因此，选择适合发酵目标的菌种至关重要。
同时，菌种的遗传改良也是提高发酵效率的重要手段，通过基因工程等现代生物技术手段，可以实现对菌种代谢途径的精确调控，从而提高产物的产量和纯度。
发酵工艺的过程控制
发酵工艺的过程控制引言发酵工艺是一种将有机物质通过微生物的作用转化为需要的产物的过程。
在发酵过程中，微生物通过吸收养分、产生代谢产物和释放能量，完成了物质的转化。
为了保证发酵过程的高效和稳定，控制发酵过程至关重要。
本文将介绍发酵工艺的过程控制，包括控制参数和控制策略。
1. 发酵过程的控制参数发酵过程的控制参数是指影响发酵过程的参数，包括温度、pH值、溶氧量、搅拌速度、发酵菌种等等。
这些控制参数对于发酵过程的高效和稳定起到了重要的作用。
1.温度：发酵过程中适宜的温度可以促进微生物的生长和代谢活动。
不同的发酵过程需要不同的温度，一般在微生物的最适生长温度附近，通常在25-42摄氏度之间。
2.pH值：发酵过程中的pH值对微生物的生长和代谢活动有重要影响。
不同的微生物对于pH值的需求不同，一般在微生物最适生长pH值的附近维持。
3.溶氧量：溶氧量是指发酵液中的氧气饱和度。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸和代谢活动。
合适的溶氧量可以提高发酵效率和产物质量。
4.搅拌速度：搅拌速度对于发酵液中的微生物的分散性和氧气气液传递有着重要影响。
适当的搅拌速度可以保证发酵液中的微生物充分接触营养物质和氧气。
5.发酵菌种：选择适宜的发酵菌种对于发酵过程的控制至关重要。
合适的发酵菌种应具备高发酵活力、产物合成能力和抗污染能力。
2. 发酵过程的控制策略为了实现对发酵过程的有效控制，需要采取相应的控制策略。
以下是几种常见的发酵过程控制策略。
1.反馈控制：反馈控制是根据实时的监测数据对发酵过程进行调节。
通过监测发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等参数，将实际参数与设定值进行比较，根据误差进行反馈调整，以维持发酵过程的稳定性。
2.前馈控制：前馈控制是根据预期的发酵过程需求提前对控制参数进行调整。
通过事先设定好的控制策略，根据发酵过程中的状态进行预测和计算，提前对控制参数进行调整，以达到预期的控制效果。
3.比例积分控制：比例积分控制是通过调整控制器的比例参数和积分参数来改变控制器的工作方式。
发酵过程控制
发酵过程控制和优化技术的有关知识发酵的生产水平高低除了取决于生产菌种本身的性能外，还要受到发酵条件、工艺的影响。
只有深入了解生产菌种在生长和合成产物的过程中的代谢和调控机制以及可能的代谢途径，弄清生产菌种对环境条件的要求，掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，有效控制各种工艺条件和参数，使生产菌种始终处于生长和产物合成的优化环境中，从而最大限度地发挥生产菌种的生产能力，取得最大的经济效益。
一．发酵过程进行优化控制的意义随着生物和基因工程技术在各工业行业中的应用，发酵产品生产规模和品种不断增加，对发酵过程进行控制和优化也显得越来越重要。
作为发酵中游技术的发酵过程控制和优化技术，既关系到能否发挥菌种的最大生产能力，又会影响到下游处理的难易程度，在整个发酵过程中是一项承上启下的关键技术。
与物理和化学反应过程不同，生物过程的反应速率比较慢，目的产物的浓度、生产强度、反应物质（底物或基质）向目的产物的转化率也比较底。
工业微生物学从两个方面解决上述问题，一方面通过菌种选育和改良获得高产的发酵菌种；另一方面，通过控制培养条件使微生物最大限度地生产目标产物。
相对来讲，通过发酵过程控制和优化，将生物过程准确地控制在最优的环境或操作条件下，是提高整体生产水平的一个捷径或者说是一种更容易的方法，其重要性也绝不亚于利用分子生物学和基因工程进行菌种改良的方法。
二．生化过程的特征与物理和化学反应过程相比，生化反应过程有以下不同特征：①动力学模型高度非线性；②动力学模型参数的时变性；③除简单的物理和化学状态变量（温度、pH、压力、气体分压、DO 外，绝大多数生物状态变量（生物量、营养物浓度、代谢产物浓度、生物活性等）很难在线测量；④过程参数的滞后性，一个生物过程可能涉及成千上万个小的物理和化学反应，其相互间的作用和影响造成了生物过程的响应速率慢。
生物过程的控制和优化还具有以下特点：①不需要太高的控制精度；②各状态变量之间存在一定的连带关系；③由于没有合适的定量的数学模型可循，其控制与优化操作还必须完全依靠操作人员的经验和知识来进行。
酵母菌发酵过程的控制与优化
酵母菌发酵过程的控制与优化酵母菌是发酵过程中不可或缺的微生物，其应用范围广泛，从面包发酵到酿造啤酒、葡萄酒等酒精饮料，还有生产生物燃料、乳酸和氢气等方面都有着重要的作用。
因此酵母菌的发酵过程的控制与优化是酿造、燃料生产等工业中的关键技术之一。
1. 酵母菌的基本发酵过程酵母菌的基本发酵过程可以概括为四步：糖分解、乳酸和乙醇生成、酸碱值变化和臭气排放。
在糖分解阶段，酵母菌通过酵素的催化作用将碳水化合物分解为可用于生长的简单糖类。
在这个阶段，酵母菌会消耗大量的氧气。
在乳酸和乙醇生成阶段，由于氧气已经耗尽，酵母菌开始使用代谢通路，将糖类分子转化成乳酸、乙醇等化合物，并释放少量的能量。
在酸碱值变化阶段，乳酸和乙醇的生成量逐渐增加，使得反应液的pH值下降，从而抑制酵母菌的生长。
在臭气排放阶段，由于发酵产生的一氧化碳、二氧化碳等气体的释放，反应液顶部的空气中会发出气味。
2. 发酵过程的控制控制酵母菌的生长和代谢过程可以通过调节酵母菌生长所需的物理、化学条件，包括pH值、温度、营养成分等。
2.1 pH值的影响pH值是发酵过程中影响酵母菌生长和代谢的最重要因素之一。
在营养充足的情况下，酵母菌最适宜的pH值为5.5至6.5。
当pH值低于5.5时，酵母菌的生长速度会降低，代谢活性显著下降。
当pH值高于6.5时，酵母菌的生长速度会显著减缓，代谢也会受到影响。
在发酵过程中，pH值的变化对酵母菌代谢的影响非常明显。
在糖分解阶段，酵母菌通过产生氢离子降低溶液中的pH值，抑制其他微生物的生长。
而在乳酸和乙醇生成阶段，pH值的下降会导致反应液变酸，进而抑制酵母菌的生长和代谢。
2.2 温度的影响除了pH值外，温度也是影响酵母菌生长和代谢的重要因素。
在标准大气压下，酵母菌的最适生长温度为25~30℃，最适最大生长温度为35℃。
当温度超过30℃时，酵母菌的生长速率会降低。
同样，如果温度过低，生长速率也会受到限制。
在发酵过程中，酵母菌的代谢活性受温度变化的影响非常明显。
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• 白细胞介素:是一类具有激活、增殖、成熟和分化 •
机体免疫细胞，抗病毒、抗肿瘤及增强机体免疫 功能的细胞因子。 全球氨基酸的年产量估计在50~80万吨，其中 2/3用于食品，其余大部分作动物词料添加剂用， 还有相当数量用于医药工业和作为合成化学试剂 的前体。重组DNA技术已成功地应用于提高棒杆 菌和其他工业生产菌种的氨基酸生产。 全球的微生物多糖的产值估计已超过10亿美元。 这类生物高分子属于胶体，其独特功能在于它们 可作为增稠剂、亲水胶体，用于水基系统中的乳 化、悬浮和稳定混合物。它们在温度、pH和盐浓 度大幅度变化的条件下仍能与其他系统相容，甚 至起协同增效作用。
2.提取质粒
从大肠杆菌的细胞质中提取质粒,质粒为环状。 此质粒将作为胰岛素基因的载体。 1.碱裂解法：此方法适用于小量质粒DNA的 提取，提取的质粒DNA可直接用于酶切、 PCR扩增、银染序列分析。 2.煮沸裂解法：指用煮沸加热的方法裂解菌 体,以提取质粒。
3.基因重组
取出目的基因与质粒,先利用同种限制性内 切酶将质粒切开,再使用DNA连接酶将目的 基因与质粒“缝合”,形成一个能表达出胰 岛素的DNA质粒。
•
5.3泡沫对发酵的影响及其控制
• 5.3.1泡沫的产生及其影响 • 发酵过程中因通气搅拌与发酵产生的二氧化碳以
•
及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物 质的存在，使发酵液含有一定数量的泡沫。 泡沫的存在可以增加气液接触表面，有利于氧的 传递。但也给发酵带来许多负作用，主要表现在: ①降低了发酵罐的装料系数。②增加了菌群的非 均一性。③增加了污染杂菌的机会。④大量起泡， 控制不及时，会引起产物的流失。③消泡剂的加 入有时会影响发酵或给提炼工序惹来麻烦。
• 5.3.3泡沫的控制 • 泡沫的控制方法可分为机械消沫和消泡剂
两大类。 • 机械消沫：是指借机械引力引起的剧烈振 动或压力变化而起到的消沫作用。 • 消泡剂消沫：发酵工业常用的消泡剂分为 天然油脂类、聚醚类、高级醇类和硅树脂 类。常用的天然油脂有玉米油、豆油、米 糠油、棉籽油、鱼油和猪油等，除作消泡 剂外，还可作为碳源。
生产方法
• 胰岛素的生产方法主要有两种，一种是从
动物脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪 胰岛素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提 取产量低、成本高（100公斤动物胰腺只 能提取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛 素要从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、 纯度低，疗效差；一种是通过基因工程手 段的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好.
5.发酵过程控制与优化
• 狭义的发酵是指在厌氧条件下葡萄糖通过
酵解途径生成乳酸或乙醇等的分解代谢过 程。 • 广义则将发酵看做是微生物把一些原料养 分在合适的发酵条件下经特定的代谢途径 转变成所需产物的过程。
5.1发酵过程技术原理
• 微生物发酵受诸多因素影响，各种因素相
互制约，故必须掌握发酵代谢规律，微生 物与其周围环境的相互作用和运用分子生 物学的原理来操纵代谢物流。 • 微生物发酚过程可分为分批、补料-分批、 半连续和连续等几种方式。
5.5发酵染菌的防治及处理
• 5.5.1染菌的途径分析 • 染菌的途径不外有以下儿方面:种子包括进罐前菌种室阶 • • •
段出问题;培养基的配制和灭菌不彻底;设备上特别是空气 除菌不彻底和过程控制操作上的疏漏。 5.5.2染菌的判断和防治 杂菌的发现，常用镜检或无菌试验方法，这是确认染菌的 依据。从一些状态参数，如DO变化的规律也可作为染菌 预报的根据。 遇到早期染菌，原则上可适当改变生长参数，使有利于生 产菌而不利于杂菌的生长，如降低发酵温度等。加人某些 抑制杂菌的化合物也不失为一种急办法，条件是这种化合 物对生产菌无害对生产影响不大和在下游精制阶段能被完 全去除。中后期染菌除非是噬菌体，通常后果不会那么严 重，这时发酵液中己产生一定浓度的抗生素，对杂菌已有 一定抑制作用。实际生产中常采用大接种量的原因之一是 即使不慎污染了极少量杂菌，生产菌也能很快占优势。
• 5 .4 .2自溶的监测 • 发酵后期密切监视菌的自溶情况对稳产和
提高下游工段的产物回收率有重要意义。 • 通常把微生物因养分的缺乏或处在不利的 生长环境下受其自身的作用开始裂解的过 程称为自溶。 • 研究酵母的自溶的基本过程与内部结构的 变化证实了蛋白质水解是自溶的基本动力。 而细胞壁的降解是次要的。造成自溶的外 源因素有:化学物质，如高浓度乙醇、碳氮 源或氧的缺乏。
•
• 胰岛素：在1982年由大肠杆菌生产的胰岛素成为
第一个获执照的重组体衍生的人用生物制品。胰 岛素是用来治疗I型糖尿病患者。这种病人的胰岛 自己不能生成足够的胰岛素，需依赖外源供给。 生长激素：儿童的生长和体重的增加要靠其生长 激素，这是一种垂体产物。 促红细胞生成素：是一种为响应低氧而由肾脏产 生的激素，它在骨髓中负责促进红血球细胞的生 长和分化。 亲甲醇酵母：毕赤酵母是生产外源蛋白的最佳寄 主之一，因它具有很强的受甲醇诱导的AOXI启 动子。
• 5.3.2发酵过程中泡沫的消长规律 • 发酵过程中泡沫的多寡与通气搅拌的剧烈
程度和培养基的成分有关。玉米浆、蛋白 陈、花生饼粉、黄豆饼粉、酵母粉、糖蜜 等是发泡的主要因素。其起泡能力随品种、 产地、加工、贮藏条件而有所不同，还与 配比有关。此外，培养基的灭菌方法、灭 菌温度和时间也会改变培养基的性质，从 而影响培养基的起泡能力。
5.6基因工程菌培养与表达
• 蛋白在生物医学科学上的应用分4个方面:即疾病
或感染的预防;临床疾病的治疗;抗体存在的诊断 和新疗法的发现。这方面研究的重点着眼于应用 克隆基囚来生产一些称之为生物制品的蛋白，如 疫苗、诊断工具和激素等。 利用重组DNA技术来生产蛋白有4方面的理由:① 品种的需求②数量上的满足③安全④具有特异性
•
胰岛素的生产
简介
• 胰岛素(Insulin)是糖尿病， 尤其是I型糖尿病的
特效药物，可以促进血液中葡萄糖的利用而降低 血糖，并调节糖、脂肪及蛋白质代谢。WHO 相 关资料表明：糖尿病已成为继心血管疾病、肿瘤 之后的第 3 位主要疾病，严重威胁全人类健康， 全球共有糖尿病患者 1.75 亿人，中国糖尿病患 者 9200 万人，已超越印度成为亚洲第一大国。 2002 年到2012 年的十年间，全球胰岛素的销 售额年复合增长率达14.5%；2010年全球胰岛 素药物的销售额超过145亿美元，因此胰岛素药 物的开发和生产具有重大的社会效益和经济效益。
通过基因工程手段生产人胰岛素的 步骤
1.提取目的基因 2.提取质粒 3.基因重组 4.将质粒送回大肠杆菌 5.胰岛素的产生
1.提取目的基因
即从人的DNA中提取胰岛素基因,可使用限 制性内切酶将目的基因从原DNA中分离。 1.鸟枪法：用一大堆限制性核酸内切酶对附 近基因进行剪切，再提取所需要的。至于 如何筛选，用DNA分子杂交，即DNA探针 2.人工合成法：根据转录蛋白或者mRNA推导 出基因序。 4.PCR扩增技术：用于大量生产该段基因片段， 用于商业化运作。
• 分批发酵：是一种准
封闭式系统，种子接 种到培养基后除了气 体流通外发酵液始终 留在生物反应器内。 补料-分批发酵：是在 分批发酵过程中补入 新鲜料液，以克服由 于养分的不足，导致 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 液便可称为半连续发 酵。 连续发酵： 是指发酵 过程中一面补入新鲜 的料液，一面以相同 的流速放料，维持发 酵液原来的体积。
5.4.发酵终点的判断与自溶的监测
• 5.4.1发酵终点的判断 • 发酵类型的不同，要求达到的目标也不同，因而 • •
对发酵终点的判断标准也应有所不同。 判断放罐的指标主要有产物浓度、过滤速度、菌 丝形态、氨基氮、pH、DO、发酵液的粘度和外 观等。 对抗生素发酵，老品种抗生素发酵放罐时间一般 都按作业计划进行。但在发酵异常情况下，放罐 时间就需当机立断，以免倒罐。新品种发酵更需 探索合理的放罐时间。
4.将质粒送回大肠杆菌
在大肠杆菌的培养液中加入含有Ca+的物质,如 CaCl2,这使细胞会吸收外源基因.此时将重组的 质粒也放入培养液中,大肠杆菌便会将重组质粒 吸收. 将大肠杆菌用氯化钙处理，以增大大肠杆菌细胞 壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒能够进 入受体细胞，此时的细胞处于感受态（理化方法 诱导细胞，使其处于最适摄取和容纳外来DNA的 生理状态）。
• 人胰岛素是利用基因重组技术生产出来的。
是利用重组DNA 技术生产与天然胰岛素有 相同的结构和功能。可调节糖代谢，促进 肝脏、骨骼和脂肪组织对葡萄糖的摄取和 利用，促进葡萄糖转变为糖原贮存于肌肉 和肝脏内，并抑制糖原异生。
生产企业
• 丹麦诺和诺德、美国礼来、中国通化东宝、深圳
•
科兴、徐州万邦。 美国的礼来和丹麦的诺和诺德是目前向市场供应 基因工程胰岛素的主要厂家，他们分别研究和利 用大肠杆菌和酵母生产人胰岛素。这两个系统各 有利弊，一般讲，大肠杆菌系统表达效率高，但 后处理较难 。 酵母系统表达量虽然比较低，但 表达转录与翻译后, 便产生出胰岛素蛋白质.通过大肠杆菌的大 量繁衍,便可大量生产出胰岛素。 注意：大肠杆菌产出的是多肽链，因为原核 生物没有内质网、高尔基体等，不能进行 多肽的折叠、修饰等，还需人为进行菌体 外加工。
医用的胰岛素
• 医用的胰岛素主要有两种，一种是从动物
脏器中生化提取的动物胰岛素，如猪胰岛 素、牛胰岛素等，动物脏器中生化提取产 量低、成本高（100公斤动物胰腺只能提 取4-5克胰岛素，一个病人所需胰岛素要 从40头牛或50头猪的胰腺中提取）、纯 度低，疗效差；一种是通过基因工程手段 的人胰岛素，基因重组人胰岛素纯度高、 疗效好
•
•
5.2发酵条件的影响及其控制
• 常规的发酵条件有:罐温、搅拌转速、搅拌功率、 •
空气流量、罐压、液位、补料、加糖、油或前体， 通氨速率以及补水等。 能表征过程性质的状态参数有:pH 、溶氧、溶解 二氧化碳、氧化还原电位、尾气中的氧和二氧化 碳含量、基质或产物浓度、代谢中间体或前体浓 度、菌浓等。 培养基对养分的需求：碳源、氮源、矿物盐、特 殊养分、复合培养基。