生物工程专业实验讲义

1、生物工程专业实验讲义(适用于生物工程专业)袁丽红 曹飞制药与生命科学学院二零零四年四月目 录实验一 发酵种子的制备12实验三 高速冷冻离心机的使用方法.3实验四 固定化生物催化剂的制备4实验五 游离细胞与固定化细胞酶活比较5实验六 固定化生物催化剂的连续生产6实验七Asp的分离7实验八离子交换树脂的预处理及交换容量的测定8实验一 发酵种子的制备一、 目的要求1 了解实验室种子制备过程。2 掌握实验室不同菌种种子生产方法。二、 原理实验室种子制备过程包括琼脂斜面、固体培养基扩大培养或摇瓶液体培养。不同菌种其具体制备方法不同，其过程如下图：种子扩大培养过程三、 试验及器材1 菌种：斜面低温保藏的大

2、肠杆菌（E.coli）2 培养基：牛肉膏 0.5% NaCl 0.5%若配固体培养基，在其中加2%琼脂。3 器材：天平、灭菌锅、试管、三角瓶（500mL）四、 操作方法1 按培养基配方配制100mL固体培养基，分装于试管中。压力1Kg/cm2灭菌30mins，结束后取出、趁热制成斜面。2 按培养基配方配制1000mL液体培养基，分装于三角瓶中，每瓶100mL，压力1Kg/cm2灭菌30mins，结束后取出。3 接于液体培养基中，37培养24hs。4 挑斜面长好的E.coli约2环接入液体培养基中，37振荡培养24hs，转速约150rpm。五、 思考与讨论实验室种子制备的原则是什么？一、 目的要

3、求1 了解发酵罐的结构，掌握发酵罐的基本操作技术。2 了解发酵罐中微生物生长的生长特征。3 掌握实验室中微生物从斜面摇瓶发酵罐的无菌操作培养技术，对工业化微生物生产过程作出初步了解。4 掌握酶合成代谢调控机制。5 掌握发酵工艺控制工艺。二、 原理一定数量的微生物，接种于合适的新鲜培养基中，在适宜的培养条件下，所表现出的群体生长特征可分为四个时期，即延迟期、对数期、稳定期和衰亡期。微生物在各个时期的生理特征各不相同。微生物的生长过程是其总的代谢活动的综合体现，每一种代谢途径均由一些特有的酶的反应组成，同时微生物代谢具有高度的调节作用，通过本实验了解酶合成的调节机制之一酶合成的诱导。三、 试剂及器

4、材12 发酵培养基：牛肉膏 2% 、玉米浆 2%、K2HPO4 0.2%、MgSO4 0.1% 富马酸铵 0.5%、富马酸钠1%、pH 7.5。3. 消泡剂：植物油4器材：发酵罐、灭菌锅、721分光光度计、超净工作台、台式高速离心机、离心管、移液管。四、操作方法1 按配方配制1200mL发酵培养基，调pH7.5，装入发酵罐中，封好各个封口，保持1Kg/cm2压力下灭菌30mins，结束后取出放在超净工作台上。2 待发酵点中的培养基冷却至35左右时，用火环接种法将E.coli种子液接发酵器中，接种量1015%，控制温度37，转速约为300rpm，空气流速1L/min，发酵培养约2224hs，其中

5、每间隔1hr取样测pH值和OD660值（样品进行适当稀释）纪录发酵全过程中pH值变化和菌体生长情况。3 发酵结束后放罐、收集发酵液并测量其总体积（V）。吸取1 mL发酵液于离心管中，放入台式高速离心机中离心，转速8000 rpm，时间10 min，测湿菌体重（W）计算发酵产菌率。五、思考与讨论1 哪些因素影响产菌率。2 如何提高发酵效率。3 讨论酶合成生产的调节方式。实验三 高速冷冻离心机的使用方法一、 目的要求1 了解高速冰冻离心机的结构、使用方法及注意事项。2 掌握生物物质、微生物菌体离心分离的原理。二、 原理离心机是利用离心力对混合溶液进行分离和沉淀的一种专用仪器，高速冰冻离心机在实验室

6、分离和制备工作中是必不可少的工具，其最高速度可以达到25000 rpm，最大离心力可达89000g。这类离心机通常带有冷却离心腔的制冷设备，温度控制是由装在离心腔内的热电偶检测离心腔的温度。高速冰冻离心机有多个内部可变换的角式或甩平式转头，它们大多用于收集微生物菌种细胞碎片，大的细胞器以及一些沉淀物等。三、 试剂与器材 E.coli发酵液、天平、Beckmen高速冰冻离心机、离心管四、操作方法1 使用前先检查调速旋钮、定时旋钮等是否在“0”处，离心管是否泄漏。2 选择合适的转头安装到离心腔内承载转头的轴上。3 接通电源，打开电源开关。4 将待离心的液体装入合适的离心管中，盛量不宜过多（占管的2

7、/3体积）以免益处，盖上离心管盖，精密平衡离心管，并对称的放入转头中。5 调节速度旋钮和定时旋钮，至所需的速度和时间。6 打开起动开关，并观察离心机上的各个指示仪表是否正常工作。7 离心结束后自动关机、关闭冷冻开关、电源开关、切断电源。8 将转头取出，将离心机的盖子敞开放置。9 收集离心物，洗净离心管。五、注意事项1 高速离心机的转头是镶置在一个较细的轴上，因此精密的平衡离心管及内含物是十分重要的。2 当转头只是部分装载时，管子必须相互对称的放在转头上，以便使负载均匀地分布在转头的周围。3 装载溶液时，要根据离心管的具体操作说明进行，要根据离心液体的性质、体积选择合适的离心管，液体不得装的过多

8、，以防离心时甩出，造成转头生锈或者腐蚀。4 每次使用时，要仔细检查转头，及时清洗、擦干，转头是离心机中须重点保护的部件，搬动时不能碰撞，避免造成伤痕。转头长时间不用时，要涂一层光蜡保护。5 转头在使用前应放置在冰箱或置于离心机的转头室内预冷。6 离心过程中不得随意离开，应随时观察李新机上仪表是否正常工作，并注意声音有无异常，以便及时排除故障。7 离心力通常用重力常数g的倍数（数字×g）或用rpm表示各种离心机的转头大小不同，在使用离心机时，可根据所选用的转头半径来相互换算。每个转头各有其最高允许速度，使用时注意不能过速使用。实验四 固定化生物催化剂的制备一、 目的要求1 学会卡拉胶固

9、定大肠杆菌的操作方法2 了解工业化固定生物催化剂的工艺过程二、 原理酶和细胞固定化方法主要有吸附法、包埋法、共价键结合法和交联法等。本实验通过卡拉胶包埋法固定大肠杆菌细胞，掌握包埋法固定细胞的操作方法。卡拉胶是由角叉菜提取的一种多糖，它含有许多硫酸根多糖，在K+存在下，它能立即发生凝胶作用，由此形成的固定化颗粒能在磷酸缓冲液和其他电解质溶液中使用，其稳定性不受影响。卡拉胶包埋法即温和又简单，可供多种酶和细胞固定化使用。三、 试剂及器材1 菌种：大肠杆菌细胞2 试剂：卡拉胶、KCl3 器材：电炉、天平、恒温水裕锅、量筒、小刀、烧杯四、 操作方法1 配制6%卡拉胶水溶液（A），并冷却至5560。2

10、 配制菌悬液（B），按湿细胞重与蒸馏水为1：1（g/mL）配制，并预热至5560。3 将A与B按4：1（mL/mL）混匀，冷至10使凝胶强化，把所形成的凝胶浸在0.3MKCl溶液中。4 取出凝胶切成5×5mm大小的小块，印成固定化大肠杆菌细胞。5 测定固定化细胞颗粒的密度、床层空隙率、计算单位体积或重量固定化颗粒中细胞包埋量。五、 思考与讨论影响卡拉胶固定化细胞颗粒机械强度的因素有哪些？实验五 游离细胞与固定化细胞酶活比较一、 目的要求掌握酶活测定和计算方法二、 原理 天门冬氨酸酶是催化富马酸和氨转化形成L-Asp的酶：富马酸 + 氨水 L天冬氨酸测定发酵过程中游离细胞酶活和固定化E

11、.coli细胞酶是评价发酵培养条件和固定化方法对大肠杆菌生产L-Asp能力影响的重要指标之一。三、试剂与器材1 试剂：富马酸、氨水2 器材：752分光光度计、离心机、电炉、三角瓶、烧杯四、 操作方法1 富马酸标准曲线制作（测定范围525g/mL）精确称取0.5000g富马酸，配制成0.5mg/mL母液，分别吸取母液0.1，0.2，0.3，0.4和0.5mL母液，定容至10mL，即成5，10，15，20，25g/mL富马酸标准溶液，测定各标准液OD240值，绘制成标准曲线。21M富马酸铵底物配制：内含1mMMgCl2, pH为3游离细胞酶活力测定称湿细胞，加入30底物溶液，于37下振荡反应1h，

12、取出沸水灭活，终止反应，离心，取上清液，进行适当稀释，测OD240。4 固定化细胞颗粒酶活力测定称相当于1g湿细胞的固定化细胞颗粒，加30ML底物，于37振荡反应1h，取样离心，适当稀释，测OD240。5 酶活定义：与上述反应条件下，每小时消耗1g分子底物的酶量定义为一个酶活单位。五、 思考与讨论计算游离细胞和固定化细胞酶活力，并进行比较，讨论影响固定化细胞的酶活力的因素。实验六 固定化生物催化剂的连续生产一、 目的要求了解固定化生物反应器的性能与反应器操作之间的关系二、 原理添装于固定床反应器中的具有天门冬氨酸酶活性的固定化大肠杆菌颗粒能连续的利用富马酸和氨作为底物，使之转变为L-Asp，其

13、实验流程如下：底物贮槽恒流泵恒温固定床反应器产品液贮槽在其它反应条件不变的情况下，反应器的性能随反应器的操作流量（即原料液在反应器中的停留时间）而变化。三、 试剂及器材 试剂：M富马酸铵底物（内含1m MgCl2） 器材：固定床反应器、恒流泵、超级恒温水浴锅、752分光光度计、烧杯、乳胶管。四、 操作方法 将具有天冬氨酸酶活性的固定化大肠杆菌颗粒装入固定床反应器中。连续底物贮槽、循环水等，控制恒温372.调节恒流泵至一流量，待反应器流动稳定后侧体积流量，并取洋测OD240值。 将恒流泵调至另一流量（与上述流量有明显差别）重复2 计算最佳流量，并将恒流泵调节至最佳流量，连续转化生产L-Asp，每

14、间隔h测OD240，计算富马酸转化率。五、 思考与讨论 讨论两种流量下富马酸转化率之差异 测定转化过程中富马酸转化曲线，并用文字说明。 如何提高反应器的转化率？实验七Asp的分离一、 目的要求 掌握发酵液（转化液）预处理方法 掌握等电点沉淀法分离氨基酸的方法二、 原理）使-Asp所带的静电荷为零，可大大降低L-Asp溶解度，使L-Asp沉淀出来。所得L-Asp结晶用水洗涤，不需进行重结晶，即可制得纯品。三、 试剂及器材 试剂：60% H2SO4、活性炭 器材：布氏漏斗、电炉、烘箱、烧杯四、 操作方法 转化液预处理：过滤转化液，除去其中颗粒状杂质，加入活性炭脱色，然后过滤，收集溶液、测定其体积。

15、 加热滤液至90，用60%H2SO4调pH至2.8，然后在下保温hs, 即有L-Asp结晶析出。 过滤收集L-Asp晶体，用蒸馏水淋洗，过滤得L-Asp纯晶体。 于烘箱中烘干至恒重，称重。五、 思考与讨论 计算L-Asp理论得率和实际收率，并对结果进行讨论。 计算固定化反应器生产L-Asp能力并讨论之单位时间反应器生产LASP量固定化反应器中生产能力反应器中颗粒床层总体积实验八离子交换树脂的预处理及交换容量的测定一、 目的要求 通过实验加深对离子交换树脂的重要性能之一总交换容量的认识。 掌握离子交换树脂的作用原理。 学会离子交换树脂的预处理方法。 熟悉静态法、动态法测定离子交换树脂总交换容量的

16、操作方法。二、 原理交换容量是离子交换树脂质量的重要标志，本实验测定的是离子交换树脂的总交换量也叫最大或极限交换量，它是指树脂经过100/105干燥至恒重后，每克或水中每树脂的具有的可交换离子的总数，单位为毫克当量克（干树脂）或（温树脂）即（meq/g或mL）离子交换树脂交换量最简单的测定方法是酸碱滴定法。氢型阳离子交换树脂与碱作用时生成水，为一不可逆反应、故可用于静态法测定交换容量。阴离子交换树脂不能采用类似的方法测定，应用氯型树脂，当它与作用时，生成，这一反应为可逆反应，故宜采用动态法测定树脂交换容量。（）=（）滴定流出液中含量来测定其总交换容量。三、 试剂与器材 试剂：、0.1标准溶液、

17、标准溶液、溶液、甲基橙指示剂、3标准溶液 器材：恒流泵、层析柱、滴定管、精密天平、烘箱、容量瓶、三角瓶四、 操作方法 离子交换树脂预处理分别称取，树脂，加水倒入交换柱中，流加mLNaOH溶液，流速滴秒，结束后滴加mL去离子水，流速可大一些，结束后再流加mL溶液，流速滴秒，最后流加去离子水，如此重复三次。静态法测定离交树脂交换量（）精确称取处理好并抽干的氢型阳离子树脂克，下烘干至恒重，按下式计算含水量其中：W1-烘干前树脂量W2-烘干后树脂量（）另取处理好的树脂克放入三角瓶中，吸取mL0.1标准溶液加入树脂中，放置、要求树脂全部浸入溶液中，然后用吸管分别取出10mL放入三只三角瓶中，以甲基橙作指示剂，用0.1标准溶液滴定溶液由无色变为红色为滴定终点，取三次滴定的平均值，按下式计算树脂交换总量。总交换容量（meq/克干树脂）其中：G湿树脂总量（克）W树脂含水量N10.1N NaOH标准溶液的当量浓度 N20.1N HCl标准溶液的当量浓度 V20.1N HCl标准溶液的用量（mL）（）精确称取处理好的并抽干的氯型阳离子树脂克，下烘干至恒重，按下式计算含水量（W）（）另取克树脂，