微生物工程課件

1、第5章 微生物工程第5章 微生物工程常見的工業(yè)微生物2微生物育種技術(shù)3微生物工程的發(fā)展史1第5章 微生物工程微生物的營養(yǎng)和生長4發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)流程5生物反應(yīng)器和反應(yīng)動力學(xué)6微生物發(fā)酵產(chǎn)品7資源和能源領(lǐng)域中的微生物工程85.1 微生物工程的發(fā)展史5.1 微生物工程的發(fā)展史12顯微鏡與微生物的發(fā)現(xiàn)微生物與發(fā)酵3微生物純種培養(yǎng)技術(shù)4丙酮/丁醇發(fā)酵和甘油發(fā)酵5青霉素的發(fā)現(xiàn)與青霉素發(fā)酵的工業(yè)化6微生物工程的發(fā)展5.1.1、顯微鏡與微生物的發(fā)現(xiàn)顯微鏡的發(fā)明是人類認(rèn)識微生物,并最終將發(fā)酵與微生物聯(lián)系起來的基礎(chǔ)。5.1.1、顯微鏡與微生物的發(fā)現(xiàn)5.1.2、微生物與發(fā)酵5.1.3、微生物純種培養(yǎng)技術(shù)在自然環(huán)境中

2、，一種微生物常常和其他微生物互相混雜在一起生活。為了培養(yǎng)純的某種微生物，首先就必須先將特定的微生物從它的自然生存環(huán)境中分離出來，然后轉(zhuǎn)移到事先經(jīng)過滅菌的純凈的培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng)。5.1.4、丙酮/丁醇發(fā)酵和甘油發(fā)酵甘油發(fā)酵和丙酮/丁醇發(fā)酵都是典型的厭氧發(fā)酵，無論是發(fā)酵工藝還是設(shè)備都比較簡單，不涉及太復(fù)雜的工程問題。5.1.5、青霉素的發(fā)現(xiàn)與青霉素發(fā)酵的工業(yè)化生物化學(xué)家對青霉素發(fā)酵工業(yè)化的貢獻(xiàn)是他們深入研究了青霉素的代謝途徑和它的抗菌機(jī)理，在代謝機(jī)理的研究成果啟發(fā)下，人們發(fā)現(xiàn)，加入青霉素合成的前體可以大大提高青霉素的產(chǎn)量。5.1.5、青霉素的發(fā)現(xiàn)與青霉素發(fā)酵的工業(yè)化5.1.6、微生物工程的發(fā)展青霉

3、素發(fā)酵的工業(yè)化使人們逐漸掌握了從自然環(huán)境中篩選有用微生物的技術(shù)、微生物誘變育種技術(shù)、好氧發(fā)酵技術(shù)和發(fā)酵產(chǎn)物的分離提純技術(shù)。5.2 常見的工業(yè)微生物12細(xì)菌放線菌3酵母4霉菌5.2.1、細(xì)菌細(xì)菌是單細(xì)胞原核生物，個體極小，沒有成型的細(xì)胞核，一般以典型的 “一分為二”的裂殖方式繁殖。球菌按其細(xì)胞排列方式又可進(jìn)一步分為單球菌、雙球菌、四聯(lián)球菌、八疊球菌、葡萄球菌和鏈球菌等。5.2.1、細(xì)菌5.2.1、細(xì)菌5.2.1、細(xì)菌5.2.1、細(xì)菌5.2.1、細(xì)菌5.2.1、細(xì)菌5.2.1、細(xì)菌5.2.1、細(xì)菌5.2.2、放線菌5.2.2、放線菌5.2.3、酵母5.2.3、酵母5.2.3 酵母5.2.4、霉菌霉

4、菌是一類比酵母更高級也更復(fù)雜的小型絲狀真菌5.2.4、霉菌5.2.4、霉菌5.2.4、霉菌5.3 微生物育種技術(shù)12誘變育種代謝工程育種3DNA重排與基因組重排育種5.3.1、誘變育種誘變育種是最常見的微生物育種技術(shù)，在發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展過程中做出了重大的貢獻(xiàn)，而且至今仍被廣泛使用。微生物在自然狀態(tài)下也會以極低的頻率發(fā)生突變，因而在微生物傳代的過程中，從大量的子代菌株里偶然也能篩選得到生產(chǎn)性能改善的高產(chǎn)菌株!這個過程稱為自然選育。5.3.1、誘變育種 5.3.1、誘變育種 5.3.1、誘變育種 5.3.1、誘變育種5.3.2、代謝工程育種代謝工程，又稱代謝途徑工程或途徑工程，是基于代謝流分析和基因

5、重組技術(shù)改善菌株遺傳性狀的一種先進(jìn)的工程技術(shù)。代謝工程可以在對細(xì)胞的整個代謝網(wǎng)絡(luò)的代謝流進(jìn)行定性、定量分析的基礎(chǔ)上，找出制約目標(biāo)產(chǎn)物積累的關(guān)鍵酶催化反應(yīng)，并利用基因重組技術(shù)直接對代謝途徑中的關(guān)鍵酶進(jìn)行修飾。5.3.3、DNA重排與基因組重排育種5.4、微生物的營養(yǎng)和生長微生物細(xì)胞由多種不同的元素組成。5.4、微生物的營養(yǎng)和生長5.5 發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)流程5.5 發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)流程12原料預(yù)處理發(fā)酵培養(yǎng)基的配制和滅菌3無菌空氣制備4微生物種子的制備5發(fā)酵過程的操作方式6發(fā)酵產(chǎn)品及其分離提純工藝5.5.1、原料預(yù)處理對于很多不能直接利用淀粉或者直接利用淀粉效率不高的微生物，發(fā)酵前還需要將淀粉質(zhì)原料水

6、解為葡萄糖。除碳源外，微生物的生長還需要氮源、磷、硫及許多金屬元素。5.5.2、發(fā)酵培養(yǎng)基的配制和滅菌工業(yè)上應(yīng)用的發(fā)酵培養(yǎng)基大多數(shù)是液體培養(yǎng)基。液體培養(yǎng)基的配制是根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)要求，將適量的各種原料溶解在水中，或者與水充分混合制成懸浮液。5.5.3、無菌空氣制備好氧微生物的生長和產(chǎn)物生成過程都需要氧氣，一般都采用空氣作為氧氣的來源。工業(yè)上空氣除菌的過程比較復(fù)雜，為了保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定，往往需要高空采風(fēng)、經(jīng)空氣壓縮機(jī)加壓后采用加熱滅菌和過濾等各種手段滅菌。5.5.4、微生物種子的制備5.5.5、發(fā)酵過程的操作方式5.5.5、發(fā)酵過程的操作方式5.5.6、無菌空氣制備5.6 生物反應(yīng)器和反應(yīng)

7、動力學(xué)12攪拌罐鼓泡塔3氣升式反應(yīng)器4流化床反應(yīng)器和填充床反應(yīng)器5發(fā)酵過程的檢測和控制6發(fā)酵過程動力學(xué)和傳質(zhì)5.6.1、攪拌罐攪拌罐是發(fā)酵工業(yè)最常用的反應(yīng)器形式5.6.2、鼓泡塔5.6.3、氣升式反應(yīng)器5.6.4、流化床反應(yīng)器和填充床反應(yīng)器5.6.5、發(fā)酵過程的檢測和控制過程參數(shù)的測量與操作變量的調(diào)節(jié)過程的模型化與控制策略5.6.6、發(fā)酵過程動力學(xué)和傳質(zhì)（1）生物反應(yīng)是一個多相體系5.6.6、發(fā)酵過程動力學(xué)和傳質(zhì)（2）生物反應(yīng)是一個多組分體系（3）生物反應(yīng)是典型的多尺度問題（4）生物反應(yīng)是一個動態(tài)問題5.7 微生物發(fā)酵產(chǎn)品12大宗及精細(xì)化學(xué)產(chǎn)品有機(jī)酸、氨基酸及其他食品添加劑3酶制劑4醫(yī)藥及檢測

8、試劑5農(nóng)用和獸用生物制品6由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的多糖和聚羥基鏈烷酸5.7.1、大宗及精細(xì)化學(xué)產(chǎn)品乙醇既可以從石油化工獲得，也可以由釀酒酵母或運(yùn)動發(fā)酵細(xì)菌從葡萄糖、淀粉或纖維素水解物、糖蜜等發(fā)酵產(chǎn)生。除了乙醇外，乳酸也具有作為大宗化工產(chǎn)品的前景。5.7.2、有機(jī)酸、氨基酸及其他食品添加劑5.7.2.1 有機(jī)酸5.7.2.2 氨基酸5.7.2、有機(jī)酸、氨基酸及其他食品添加劑5.7.2.3 核酸核苷酸是組成核糖核酸的單體，也有一些核苷酸不包括在核酸的序列中，而是在細(xì)胞中擔(dān)負(fù)著其他一些重要使命。5.7.2.4 維生素5.7.3、酶制劑很多工業(yè)酶制劑都是利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)的，其中產(chǎn)量最大的是水解酶類。5.7

9、.4、醫(yī)藥及檢測試劑微生物次級代謝物對我們的健康和營養(yǎng)起著十分重要的作用。5.7.5、農(nóng)用和獸用生物制品微生物代謝產(chǎn)物的另一重要用途是農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)。一些微生物的次級代謝產(chǎn)物已經(jīng)廣泛用于農(nóng)牧漁業(yè)。酶在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用也已經(jīng)引起人們的注意。5.7.6、由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的多糖和聚羥基鏈烷酸5.7.6、由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的多糖和聚羥基鏈烷酸5.8 資源和能源領(lǐng)域中的微生物工程12微生物冶金磷礦的微生物處理3微生物與石油資源的開采和利用4從生物量到能源5.8.1、微生物冶金微生物冶金是利用微生物的催化作用將礦物中的金屬氧化，以離子的形式溶解到浸出液中加以回收的過程，由于冶金過程是在水溶液中進(jìn)行的，因而屬于濕法冶金，又稱為微生物濕法冶金。5.8.2、磷礦的微生物處理可以將磷礦粉和培養(yǎng)基混在一起，利用微生物發(fā)酵過程將磷礦粉中的不溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷，然后將這些可溶性磷和發(fā)酵產(chǎn)生的大量微生物一起作為高效的復(fù)合磷肥使用。5.8.3、微生物與石油資源的開采和利用一般認(rèn)為，石油是深埋在地下的