动物细胞与微生物发酵生产技术
大规模细胞培养及发酵技术
渗透压
• 用于对引进的培养基进行质量控制
• 关联渗透压与细胞数、细胞活性和产量的关系 • 监控连续补加营养引起渗透压的增加
细胞密度
• 细胞密度通常等于 “生物量”
– 它是指给定体积的细胞数，可以是体积浓度或百分比 浓度.
– 它不是指活细胞数量 (但可很好显示细胞活力）
• 细胞活力/活性测定取决于细胞的种类、细胞生命周期及膜 的结构.
Cell Counts vs Ammonia Levels Over Time
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
C.D. 1 NH3
8 7 5 4 3 2 1 0
2 3 4 5 6 7
Cell Density (cells/ml)
• 铵的水平也取决于细胞密度和细胞代谢 方式. • 引起细胞抑制的铵离子浓度范围: – 从: 0.5 mM (L Mouse Cells) – 到: 40.0 mM (M. Ascites Tumor Cells) (不同的细胞株对铵有不同的耐受度)
• • • • • •
乳酸 NH4+ 磷酸盐 乙醇(酵母) 甲醇(酵母) 细胞密度
微生物高密度培养
发酵培养基 表达基因的调控 宿主菌 质粒的拷贝数及稳定性
高密度培养的关键是发酵的补料控制,根据 重组菌的生长特点及产物的表达方式采 取合理的营养物质的流加方式 恒速流加 变速流加 指数流加
微生物高密度培养乙酸的形成:培养液中葡 萄糖的含量超过菌体生长所需量或在缺氧 的情况下,便会大量产生乙酸. 减少乙酸的策略: 限制性流加葡萄糖 甘油代替葡萄糖 降低培养温度
• 宿主菌 • 降低比生长速率 • 透析培养
细胞培养和微生物发酵中的重要 参数
动物发酵工程—液体深层发酵
01
温度
02
pH
03
溶解氧
04
泡沫
05 营养物质的浓度
DNA重组含义
DNA重组与DNA杂交的区别
DNA杂交是在两条单链之间进行；DNA重组是在双链DNA片段 之间进行的。
自然界的DNA重组
例如：减数分裂；病毒侵染。
发酵设备
（一）机拌式发酵罐
01
通用式发酵罐
发酵设备
（一）机拌式Байду номын сангаас酵罐
02
自吸式发酵罐
一、深层发酵的操作方式
微生物分批生长的生长曲线 1.延滞期；2.加速生长期；3.指数生长期；
4.减速期；5.稳定期；6.衰亡期
一、深层发酵的操作方式
连续 发酵
01
连续发酵
所谓连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜
培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的
液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。稳定状态可以有
发酵设备
（二）通风搅拌式发酵罐
常用的有循环式通风发酵罐和高位塔式发酵罐
循环式通风发酵罐优点： ①发酵罐内没有搅拌装置，结构简单，清洗方便，加厂容易； ②由于取消了搅拌用的电机，而通风量与通用式发酵罐大致相等，所以动
力消耗有很大降低。
高位塔式发酵罐则将空气由罐底导入，经筛选板逐渐上升的同时带动发酵 液上升，又通过有液封作用的降液管下降形成循环。
动物生物技术
3. 液体深层发酵
第一章
液体深层发酵
一、深层发酵的操作方式
（一）分批发酵
营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排 出，与外部没有物料交换。它除了控制温度、ph及通气以外，不进行任何其他控制 ，操作简单。但从细胞所处的环境来看，则有明显改变。
微生物技术的发展与创新2024
引言：微生物技术作为一门高新技术，已经取得了许多重要的突破和创新。
本文将从五个方面阐述微生物技术的发展和创新，包括基因工程的进展、生物制药的新技术、环境治理中的微生物应用、食品工业的创新以及农业领域的新发展。
通过对这些领域的详细分析，可以清楚地了解微生物技术的发展方向和应用前景。
概述：随着科技的不断进步，微生物技术的发展呈现出日新月异的发展态势。
微生物技术是利用微生物及其代谢产物进行工业生产，环境治理和农业发展等方面的技术，具有广泛的应用前景。
本文将依次从基因工程的进展、生物制药的新技术、环境治理中的微生物应用、食品工业的创新以及农业领域的新发展五个大点展开讨论。
正文：一、基因工程的进展1. 分子克隆技术的创新：分子克隆技术的发展促进了基因工程的迅速发展，包括重组DNA技术和限制性内切酶等的应用。
2. 基因编辑技术的突破：CRISPR-Cas9技术的出现革新了基因编辑领域，使得基因编辑变得更加精确和高效。
3. 基因组学的进展：高通量测序和基因组分析技术的发展使得基因组学的研究取得了重大突破，进一步推动了微生物技术的发展。
二、生物制药的新技术1. 基因表达技术的改进：通过优化基因的表达和表达载体的构建，提高了生物制药产品的产量和纯度。
2. 新型药物生产平台的创新：包括植物表达系统、动物细胞培养技术和工程细菌等，为生物制药的发展打开了新的可能性。
3. 个性化药物研发的新思路：基于基因组学数据的个性化药物研发，有望为治疗特定疾病提供更好的解决方案。
三、环境治理中的微生物应用1. 污水处理与废物降解：通过微生物降解废物和处理污水，可以减少对环境的污染，实现可持续发展。
2. 生物能源的开发利用：利用微生物对有机质进行发酵，可以生产生物能源如生物气和生物乙醇，减少对传统能源的依赖。
3. 环境修复与生态恢复：利用微生物修复土壤污染和油污等环境问题，促进生态系统的恢复和保护。
四、食品工业的创新1. 微生物发酵技术的应用：通过微生物发酵生产酸奶、酱油等食品，提高食品的品质和口感。
微生物、动物、植物细胞培养的异同点
微生物、动物、植物细胞培养的异同点如下：不同点：首先在培养基上，微生物是固体、半固体培养基都有，成分主要是水、无机盐、生长因子、碳源、氮源等。
如果是病毒的话要用细菌进行培养；动物的话用天然培养基加生长因子比较好，一般是液体培养基，成分主要是水、葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、动物血清；而植物培养基用合成培养基就可以了，一般是固体培养基，成分主要是矿质元素、蔗糖、纤维素、植物激素、有机添加剂。
其次是各自培养的原理上的不同，微生物细胞培养的原理是微生物细胞的增殖，动物细胞培养的原理是细胞的增殖，植物细胞培养原理是细胞的全能性。
最后，微生物细胞培养主要是获得其代谢产物或次级代谢产物或得到细胞本身；植物细胞培养主要是获得新个体或细胞产品，应用与快速繁殖试管苗、细胞产品、人工种子、转基因植物的培育等。
动物细胞培养是获得大量新生细胞或细胞产品，应用是获得细胞的产物或细胞等。
另外，动物细胞分散用到的是胰蛋白酶，植物是纤维素酶等。
相同点：两者都需要培养基、都需要无菌操作，防止染菌、培养时候都需要适当的温度等条件。
综上所述见下表：微生物动物细胞植物细胞大小(um) 1~10 10~100 10~100 悬浮生长可以，多数细胞需附着表面才能生长可以，但易结团无单个细胞营养要求简单非常复杂较复杂生长速率快，倍增时间为0.5~5小时慢，倍增时间为15~100小时慢，倍增时间为24~74小时代谢调节内部内部激素内部激素环境敏感不敏感非常敏感能忍受广泛范围细胞分化无有高剪切力敏感低非常高高传统变异，筛选技术广泛使用不常使用有时使用细胞或产物浓度较高低低由于他们所用的培养基不同，培养是所要求的条件不同所以在批量生产我们所需的目的产物时就要选择相应的生物反应器。
在选择生物反应器时要注意到生物反应器在生物反应过程的剪切力、传质问题如气-液质量传递和液-固质量传递。
生物反应器是利用生物催化剂为细胞培养（或发酵）或酶反应提供良好的反映环境的设备，通常称为发酵罐或酶反应器。
发酵工程的发展史
发酵工程的发展史如下是有关发酵工程的发展史：发酵的定义是通过微生物(或动植物细胞)的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程。
近百年来，随着科学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发配产品的新阶段。
现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。
约9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵成酒精饮料。
一、传统(古老)发酵技术的追溯在几千年前，人们就开始从事酿洒、酱、醋，奶酪的发酵生产，并积累了许多有关发酵的经验，但当时人们是知其然而不知所以然。
据考古发掘证我国在龙山文化(跟今4000-4200年)已有酒器出现先秦的《周礼天宫》一书中记载有主管王室、官用造酒事的“酒正”、“酒人”等官职说明酿酒已成为专门的职业。
3000年前，中国已有用长霉的豆腐治疗皮肤病的记载，我们今天知道，这可能是抗生素的缘故。
国外酿酒的传说则可推溯到更早，相传埃及和中亚两河流域在公元前40-30世纪就已开始酿酒，烘制面包。
二、纯培养技术的建立1857年，巴斯德通过著名的曲颈瓶试验，彻底否定了生命的自然发生说。
在此基础上，他提出了加热灭菌法，后来被人们称为巴氏消毒法成功地解决了当时困扰人们的牛奶、酒类变质问题。
巴斯德还研究了酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等，并发现这些发酵过程都是由不同的发酵菌引起的，从而奠定了初步的发酵理论。
1897年德国的毕希纳进一步发现腐碎了的酵母仍能使精发酵而形成酒精，并将此具有发酵能力的物质称为酶，揭开了发酵现象的本质。
1905年德国的罗伯特·柯赫等首先应用固体培养基分离培养出炭疽芽孢杆菌、结核芽孢杆菌、霍乱芽孢杆菌等病原细菌，建立。
一套研究微生物纯培养的技术方法此后，随着纯种微生物的分离及培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功，使人们能够利用某种类型的微生物，在人工控制的环境条件下。
生物制药利用生物体产生药物的方法
生物制药利用生物体产生药物的方法生物制药是指利用生物体（包括微生物、哺乳动物等）作为药物生产的工具，通过生物体内的生物反应合成和提取药物。
这种方法具有高效、环保、可再生等特点。
下面将介绍几种常见的生物制药方法。
1. 微生物发酵生产药物微生物发酵是最常用的生物制药方法之一。
通过培养发酵菌株并提供合适的培养条件，使其产生所需药物。
例如，青霉素的生产就是利用青霉菌进行大规模发酵。
这种方法的优点在于微生物可以快速繁殖，产量高，且生产成本较低。
2. 基因工程技术基因工程技术是指将外源基因导入到宿主生物体中，使其产生目标药物。
常见的方法是将目标基因插入到大肠杆菌等细菌的染色体中，通过细菌的复制和表达机制，合成目标蛋白，进而得到所需药物。
这种方法的优势在于可通过基因技术使生产目标蛋白更加高效，有利于降低生产成本。
3. 哺乳动物细胞培养对于一些复杂的蛋白质药物，如抗体药物，常采用哺乳动物细胞培养进行生产。
通过将目标基因导入到哺乳动物细胞中，使其表达所需的药物。
这种方法能够确保药物的正确折叠和糖基化等重要的后修饰，从而增加药物的活性和稳定性。
4. 植物表达系统植物表达系统是一种新兴的生物制药方法。
通过将目标基因导入植物细胞中，通过植物的生长和代谢过程，合成目标药物。
植物表达系统具有许多优点，如生产成本低、易于扩大规模、无需复杂的设备等。
而且植物可以合成复杂的蛋白质，并且可以进行正确的修饰。
5. 动物体内制药某些药物，特别是针对罕见病的特效药物，可能需要通过动物体内制药来生产。
这种方法是将目标基因导入到动物的遗传物质中，使其在生长发育过程中产生所需药物，并通过动物的乳汁、血液或其他组织提取所需药物。
总结起来，生物制药利用生物体产生药物的方法包括微生物发酵、基因工程技术、哺乳动物细胞培养、植物表达系统和动物体内制药等。
这些方法在药物生产中发挥着重要的作用，为医药行业提供了更多有效、安全的药物选择。
未来随着生物技术的不断发展，生物制药的方法也会进一步创新和完善。
第二章 微生物发酵产酶
细胞发酵产酶的最适温度与最适生长温度有所 不同，而且往往低于最适生长温度，这是由于在较 低的温度条件下，可提高酶的稳定性，延长细胞产 酶时间。
在细胞生长和发酵产酶过程中，由于细胞的新 陈代谢作用，不断放出热量，会使培养基的温度升 高，同时，热量不断扩散和散失，又会使培养基温 度降低，两者综合，决定了培养基的温度． 温度控制的方法一般采用热水升温，冷水降温， 故此在发酵罐中，均设计有足够传热面积的热交换 装置，如排管、蛇管、夹套、喷淋管等。
8、 毛霉（Mucor）
毛霉的菌丝体在基质上或基质内广泛蔓延，菌 丝体上直接生出孢子囊梗，分枝较小或单生，孢子 囊梗顶端有膨大成球形的孢子囊，囊壁上常带有针 状的草酸钙结晶。
毛霉用于生产蛋白酶、糖化酶、α—淀粉酶、脂 肪酶、果胶酶、凝乳酶等。
9、 链霉菌（Streptomyces）
链霉菌是生产葡萄糖异构酶的主要菌株，还可以用于生 产青霉素酰化酶、纤维素酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶、 几丁质酶等。此外，链霉菌还含有丰富的16α羟化酶，可 用于甾体转化。
3．无机盐
无机盐的主要作用是提供细胞生命活动不可缺少 的无机元素，并对培养基的pH值、氧化还原电位 和渗透压起调节作用。 主要元素有：磷、硫、钾、钠、镁、钙等。 微量元素有：铜、锰、锌、钼、钴、碘等。 微量元素是细胞生命活动不可缺少的，但 需要量很少，过量反而会引起不良效果， 必须严加控制
4．生长因素（酵母膏、玉米浆、麦芽糖）
4、 提高酶产量的措施
–除了选育优良的产酶细胞，保证发酵工艺条 件并根据需要和变化情况及时加以调节控制 以外，还可以来取某些行之有效的措施，诸 如添加诱导物，控制阻遏物浓度，添加表面 活性剂或其他产酶促进剂等。
• 1）添加诱导物
– 对于诱导酶的发酵生产，在发酵培养基中添 加适当的诱导物，可使产酶量显著提高。
南京林业大学酶工程-3 动、植物细胞发酵产酶讲解
一般为无机氮源。 一般以蔗糖为碳源。
植物细胞培养的工艺条件及其控制（续）
（三）温度的控制 室温（25℃）、 （四）pH值的控制 微酸性（pH5～6） （五）溶解氧的调节控制 代谢慢，耗氧少，对剪切力敏感，搅拌不宜强烈。 （六）光照的控制 （七）前体的添加 提高次级代谢物的产量。 （八）刺激剂(electior)的应用 强化次级代谢产物的生物合成。常用微生物细胞 壁碎片和胞外酶。
动、植物细胞培养与微生物培养区别
动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞附着在固 体或半固体的表面才能生长；对营养要求严格，除氨 基酸、维生素、盐类、葡萄糖或半乳糖外，还需有血 清。动物细胞对环境敏感，包括pH、溶氧、温度、剪 切应力都比微生物有更严的要求，一般须严格的监测 和控制。 植物细胞对营养要求较动物细胞简单。但由于植物细 胞培养一般要求在高密度下才能得到一定浓度的培养 产物，以及植物细胞生长较微生物要缓慢，长时间的 培养对无菌要求及反应器的设计也提出特殊的要求。
紫草宁及其结构
植物细胞培养的特点（续）
ห้องสมุดไป่ตู้
（2）缩短周期 发酵周期10～30天，种植周期几个月～几年。 （3）易于管理 减低劳动强度；不受地理环境和气候条件等影响。 （4）提高产品质量 主要产物浓度高，易于分离纯化，减少环境中各种有 害物质污染和侵蚀。 （5）其它 生物反应器的设计工艺条件注意的问题。
主要产物
醇类，有机酸， 色素，香精， 激素，疫苗， 氨基酸，抗生素， 药物，酶 单克隆抗体， 酶，核苷酸 酶
二、植物细胞培养的特点
（1）提高产率
例如,紫草宁(shikonin) 生产，发酵细胞中的紫 草宁比 紫菜根 (Lithospermum erythrorhizon)中高10 倍，比产率达到种植紫 草的830倍。
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动物细胞与微生物发酵生产技术生物工程是一门将生物科学、化学和工程学知识集于一体的学科，它的应用极广，包括医学、农业、食品科技、环境保护、能
源等等领域。
其中动物细胞与微生物发酵生产技术是生物工程中
最为常见也是最为重要的技术之一。
动物细胞发酵生产技术
动物细胞发酵生产又被称为细胞培养技术，是一种将动物细胞
培养在无菌的培养条件下进行发酵，以制备出特定的生物药品或
化学物质的生产工艺。
细胞培养技术的优点在于其生产出来的药
品具有较高的纯度和活性，并且很少与其他化学成分杂交，因此
这些药品不仅能够达到理想的治疗效果，同时也能够减少副作用
和不良反应。
细胞培养技术中的培养基是十分关键的一环，因为它能够为细
胞的繁殖提供所需的营养物质和环境条件。
常用的培养基有无血
清培养基和饱和培养基两种。
其中无血清培养基中不含纤维蛋白、胶原等成分，因此生产出来的药品更加纯净，但是无血清培养基
的制备成本高，同时在操作过程中也需要更高的技术水平和无菌
条件。
微生物发酵生产技术
微生物发酵生产技术是将含有特定微生物株的发酵菌种在特定
条件下进行发酵制造，以得到低成本、高产量的化学物质或生物
制品技术。
生物工程中经过几十年的发展和研究，现在已经可以
制造出很多常见的化学物质和生物制品，其中最常见的就是酸奶、干酪和海鲜等。
发酵过程中，微生物菌株能够将有机物质转化为有用的代谢产物，通过调控发酵菌种的条件，能够预测化学反应的过程和结果。
微生物发酵生产技术主要适用于大规模生产，但是要保证操作时
无菌条件以及选择适合的微生物菌株才能达到最好的效果。
微生物发酵生产技术和动物细胞发酵生产技术有很大的相似性，因为它们都需要特定的培养环境来满足生物生长和代谢所需的条件。
与动物细胞发酵生产技术不同的是，微生物发酵生产技术不
需要使用特殊的培养基，而是以廉价的基础培养物为基础，加入
特定的营养成分和生境条件来控制微生物繁殖和代谢。
结论
动物细胞发酵生产技术和微生物发酵生产技术是两种极为重要的生物制品制造技术，其优点在于其生产出来的药品或化学物质具有较高的活性和纯度，同时也更加安全和无副作用。
这两种技术对于各种药品、化学原料和生物制品的制造过程都有所涉及，能够满足大众需求并带来重大的社会贡献。