微生物工程概論課件

微生物工程

MicroorganismEngineering

緒論

CollegeofbiotechnologySouthernMedicalUniversity微生物工程

MicroorganismEngineerin1課時安排總課時64理論40實驗24成績評定考試成績80％平時成績20％課時安排成績評定2本章節(jié)的主要內(nèi)容什么是微生物工程包括哪些內(nèi)容？微生物工程的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段？微生物工程的產(chǎn)品包括哪些類型？微生物工程有哪些特點？微生物工程有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？微生物工程的發(fā)展前景如何？本章節(jié)的主要內(nèi)容什么是微生物工程包括哪些內(nèi)容？3什么是發(fā)酵？

1857年法國化學家、微生物學家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果。”

什么是發(fā)酵？4基本概念

1.傳統(tǒng)的發(fā)酵：是指酒的生產(chǎn)過程。

2.生化和生理學意義的發(fā)酵：指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。

3.工業(yè)上的發(fā)酵：是指在有氧或無氧條件下利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程。

Fermentation

Fervere

基本概念FermentationFer5微生物工程的基本概念

利用微生物的特定性狀和機能，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)，生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)體系；是將傳統(tǒng)發(fā)酵與現(xiàn)代基因工程、細胞工程、代謝工程、生物信息工程和計算機控制等新技術(shù)結(jié)合并迅速發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。微生物工程是滲透有工程學的微生物學，是發(fā)酵技術(shù)工程化的發(fā)展。微生物工程的基本概念利用微生物的特定性狀和6微生物工程的組成微生物學化學工程生物化學微生物工程的組成微生物學化學工程7微生物細胞是發(fā)酵工廠最重要的機器微生物細胞是發(fā)酵工廠最重要的機器8微生物細胞機器的工作模式Workingpatternofcell-machineinIndustrialFermentation微生物細胞機器的工作模式Workingpatternof9微生物工程-------工業(yè)生物技術(shù)的核心借助于微生物進行產(chǎn)品開發(fā)或環(huán)境改造是微生物工程的基本內(nèi)容和目標，基于生物學知識、又依托工程概念，涉及到解決人類所面臨的食品與營養(yǎng)、健康與環(huán)境、資源與能源等重大問題，解決的是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程中的關(guān)鍵問題，為人類社會帶來巨大經(jīng)濟和社會效益。微生物工程-------工業(yè)生物技術(shù)的核心借助于微生物進行產(chǎn)10微生物工程

研究的主要內(nèi)容

微生物工程

研究的主要內(nèi)容11FERMENTATIONProcessControl上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSESFermentationengineeringUPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATION上游工程下游工程Fermentati12菌種的選育培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種發(fā)酵過程產(chǎn)品的分離提純等微生物發(fā)酵生產(chǎn)流程菌種的選育微生物發(fā)酵生產(chǎn)流程13微生物工程發(fā)展簡史1、傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)——天然發(fā)酵幾千年酒（古埃及公元前4000–3000年；龍山文化4200年）啤酒、黃酒、醬油、泡菜等特點：只知現(xiàn)象，不知本質(zhì)微生物工程發(fā)展簡史1、傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)——天然發(fā)酵幾千年14微生物工程概論課件152、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)

——純培養(yǎng)技術(shù)1676年，微生物學的先驅(qū)荷蘭人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）首次觀察到了細菌。他沒有上過大學，是一個只會荷蘭語的小商人，但卻在1680年被選為英國皇家學會的會員。荷蘭人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）2、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)1676年，微生物學的先162、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)

——純培養(yǎng)技術(shù)1857年，LouisPasteur微生物引起發(fā)酵；酒精發(fā)酵由酵母引起法國人巴斯德（LouisPasteur）（1822～1895）2、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)1857年，LouisPasteu172、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)

——純培養(yǎng)技術(shù)1905年，RobertKoch因其關(guān)于肺結(jié)核的出色工作獲得了諾貝爾獎。發(fā)明了固體培養(yǎng)基；建立了純培養(yǎng)技術(shù)實現(xiàn)人為控制發(fā)酵過程德國人柯赫（RobertKoch）（1843～1910）2、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)1905年，RobertKoch182、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)

——純培養(yǎng)技術(shù)特點：天然發(fā)酵向純種發(fā)酵轉(zhuǎn)變

(第一次技術(shù)轉(zhuǎn)折)

主要產(chǎn)品：酒精、丙酮、丁醇、甘油

（主要是厭氧發(fā)酵；初級代謝產(chǎn)物）2、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)特點：天然發(fā)酵向純種發(fā)酵轉(zhuǎn)變193、第二代微生物發(fā)酵技術(shù)

——深層培養(yǎng)技術(shù)1928年9月15日，亞歷山大·弗萊明發(fā)現(xiàn)了青霉素，這使他在全世界贏得了25個名譽學位、15個城市的榮譽市民稱號以及其他140多項榮譽，其中包括諾貝爾醫(yī)學獎。

引起尿道炎的大腸桿菌，未經(jīng)用藥時的情形。

與青毒素接觸不久，細胞外壁開始隆起。

再過一段時期，隆起部分越來越大，使細胞膜膨脹。

細胞膜過分脹大發(fā)生破裂，細胞死亡。3、第二代微生物發(fā)酵技術(shù)1928年9月15日，亞歷山大·弗萊203、第二代微生物發(fā)酵技術(shù)

——深層培養(yǎng)技術(shù)

出現(xiàn)于20世紀40年代，以抗生素的生產(chǎn)為標志

青霉素的發(fā)現(xiàn)與大量需求

表面培養(yǎng)法（效價40U/mL，純度20%，收率30%）深層培養(yǎng)技術(shù)（機械攪拌通氣發(fā)酵）（效價90000U/mL，純度99.9%，收率90%）

鏈霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四環(huán)素等

抗生素工業(yè)的發(fā)展促進了其他發(fā)酵產(chǎn)品的出現(xiàn)，如氨基酸發(fā)酵工業(yè)

好氧發(fā)酵，初級、次級代謝產(chǎn)物3、第二代微生物發(fā)酵技術(shù)出現(xiàn)于20世紀40年代，以抗生素214、第三代微生物發(fā)酵技術(shù)

——代謝調(diào)控技術(shù)

石油發(fā)酵階段石蠟、醋酸、甲醇為原料生產(chǎn)微生物細胞作為飼料蛋白質(zhì)大規(guī)模、連續(xù)化、自動化的開始微生物化學、微生物生理學以及微生物遺傳學1956年，日本利用生物素缺陷型菌株進行谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)。由氨基酸發(fā)酵開始了代謝控制發(fā)酵。4、第三代微生物發(fā)酵技術(shù)

225、第四代發(fā)酵技術(shù)——基因工程技術(shù)1972，DNA重組技術(shù)、原生質(zhì)體融合技術(shù)等應(yīng)用1977，美國——激素釋放抑制因子1978，利用工程菌生產(chǎn)的人胰島素問世1982，我國開始自主生產(chǎn)基因工程胰島素紅細胞生成素

(治療貧血)

生長激素

(促進生長)

胰島素

(治療糖尿病)

干擾素

(抗病毒、抗腫瘤)

5、第四代發(fā)酵技術(shù)——基因工程技術(shù)1972，DNA重組技術(shù)23微生物工程產(chǎn)品類型1.微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵2、微生物菌體的發(fā)酵3、微生物的生物轉(zhuǎn)化微生物工程產(chǎn)品類型1.微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵2、微生物菌體的發(fā)酵24初級代謝產(chǎn)物與菌體生長相伴隨的產(chǎn)物，氨基酸、核苷酸、維生素、有機酸、溶劑菌體對其合成反饋控制嚴密，一般不過量積累次級代謝產(chǎn)物與菌體生長不相伴隨，以初級代謝產(chǎn)物為原料而合成

抗生素、生物堿、毒素、胞外多糖等

結(jié)構(gòu)常較復(fù)雜對環(huán)境條件敏感1.微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵初級代謝產(chǎn)物1.微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵25初級代謝產(chǎn)物

primarymetabolite

是指微生物通過代謝活動所產(chǎn)生的、自身生長和繁殖所必需的物質(zhì)，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等。通過初級代謝，能使營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)物質(zhì)、具生理活性物質(zhì)或為生長提供能量，因此初級代謝產(chǎn)物，通常都是機體生存必不可少的物質(zhì)，只要在這些物質(zhì)的合成過程的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止，重則導(dǎo)致機體發(fā)生突變或死亡，是一種基本代謝類型。

初級代謝產(chǎn)物

primarymetabolite26次級代謝產(chǎn)物

secondarymetabolite

是指微生物生長到一定階段才產(chǎn)生的化學結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、對該生物無明顯生理功能，或并非是微生物生長和繁殖所必需的物質(zhì)，如抗生素、毒素、激素、色素等。不同種類的微生物所產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物不相同，他們可能積累在細胞內(nèi)，也可能排到外環(huán)境中。次級代謝產(chǎn)物

secondarymetabolite272、微生物菌體的發(fā)酵SCP、藥用真菌（冬蟲夏草、茯苓等）生物防治制劑（如蘇云金桿菌）活性乳酸菌制劑、食用和藥用酵母細胞的生長與產(chǎn)物的積累成平行關(guān)系，生長速率最大的時期也是產(chǎn)物合成最高階段2、微生物菌體的發(fā)酵SCP、藥用真菌（冬蟲夏草、茯苓等）細胞283、微生物的生物轉(zhuǎn)化

利用微生物細胞的一種或幾種酶，對外源化合物的特定部位進行加工，如加入羥基、還原雙鍵、脫氧或切斷支鏈等。

轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物并不是微生物細胞利用營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)細胞代謝產(chǎn)生，而是微生物細胞的酶或酶系作用于底物的某一部位，進行特定部位的化學反應(yīng)而形成。

反應(yīng)最顯著的特點是特異性強，包括反應(yīng)特異性、結(jié)構(gòu)位置特異性、立體特異性3、微生物的生物轉(zhuǎn)化利用微生物細胞的一種或幾種29

化學轉(zhuǎn)化：步驟繁多、得率低、價格昂貴（Savett,576kg脫氧膽酸，30多步反應(yīng)，兩年→938mg醋酸可的松）

生物法：高效、收率高（1952年，Munrry等，黑根霉，僅1步就將孕酮11位上導(dǎo)入一個羥基，使從孕酮合成皮質(zhì)酮只需3步，這樣才使可的松問世）甾體轉(zhuǎn)化

甾族激素：分腎上腺皮質(zhì)激素和性激素；重要的生理調(diào)節(jié)作用，在臨床上廣泛用于治療過敏性皮炎、類風濕性關(guān)節(jié)炎、紅班狼瘡、支氣管哮喘等化學轉(zhuǎn)化：步驟繁多、得率低、價格昂貴（Savett,530可地松（Cortisone）豆甾醇（Stigmasterol）含環(huán)戊烷多氫菲核的化合物

可的松類抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主要因在甾體母核11位上導(dǎo)入一氧原子可地松豆甾醇（Stigmasterol）含環(huán)戊烷多氫菲核的化31微生物工程的特點1、生產(chǎn)過程通常在常溫常壓下進行，操作條件溫和，不需考慮防爆問題，一種設(shè)備具有多種用途。2、原料以碳水化合物為主，不含有毒物質(zhì)。3、生產(chǎn)過程是以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行的，因此多個反應(yīng)就象一個反應(yīng)一樣，可在單一設(shè)備（發(fā)酵罐）中進行。微生物工程的特點1、生產(chǎn)過程通常在常溫常壓下進行，操作條件溫32微生物工程的特點5、能高度選擇性地進行復(fù)雜化合物在特定部位反應(yīng)，如氧化、還原、官能團導(dǎo)入等。6、生產(chǎn)產(chǎn)品的生物體本身也是發(fā)酵產(chǎn)物，富含維生素、蛋白質(zhì)、酶等有用物質(zhì)；除特殊情況外，培養(yǎng)液一般不會對人和動物造成危害。4、能容易地生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，如酶、光學活性體等微生物工程的特點5、能高度選擇性地進行復(fù)雜化合物在特定部位反33發(fā)酵過程中尚存在的問題：2、微生物反應(yīng)是活細胞的反應(yīng)，產(chǎn)物的獲得除受環(huán)境因素影響外，也受細胞內(nèi)因素的影響，且菌體易發(fā)生變異。1、底物不能完全轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物，副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可避免，因而造成提取和精制困難，這是目前發(fā)酵行業(yè)下游操作落后的原因之一。發(fā)酵過程中尚存在的問題：2、微生物反應(yīng)是活細胞的反應(yīng)，產(chǎn)物的34發(fā)酵過程中尚存在的問題：3、原料是農(nóng)副產(chǎn)品，雖然價廉，但質(zhì)量波動較大。4、生產(chǎn)前準備工作量大，花費高，相對化學反應(yīng)而言，反應(yīng)器效率低。5、通常底物濃度不能過高，且要在無雜菌污染情況下進行。6、發(fā)酵廢水常具有較高的BOD

和COD，需處理后排放。發(fā)酵過程中尚存在的問題：3、原料是農(nóng)副產(chǎn)品，雖然價廉，但質(zhì)量35生化需氧量是一種環(huán)境監(jiān)測指標，主要用于監(jiān)測水體中有機物的污染狀況。一般有機物都可以被微生物所分解，但微生物分解水中的有機化合物時需要消耗氧，如果水中的溶解氧不足以供給微生物的需要，水體就處于污染狀態(tài)。BOD（BiochemicalOxygenDemand）生化需氧量是一種環(huán)境監(jiān)測指標，主要用于監(jiān)測水體中有機物的污染36化學需氧量是以化學方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量。水樣在一定條件下，以氧化1升水樣中還原性物質(zhì)所消耗的氧化劑的量為指標，折算成每升水樣全部被氧化后，需要的氧的毫克數(shù)，以mg/L表示。它反映了水中受還原性物質(zhì)污染的程度。該指標也作為有機物相對含量的綜合指標之一。

COD（ChemicalOxygenDemand）化學需氧量是以化學方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量。37微生物工程的應(yīng)用食品加工：單細胞蛋白（酵母、真菌等）含醇飲料：葡萄酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌發(fā)酵乳制品：奶酪、酸奶調(diào)味品：味精、肌苷酸、醬油、醋等微生物技術(shù)最早開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域，至今產(chǎn)量和產(chǎn)值仍占微生物工程的首位1、在食品工業(yè)的應(yīng)用微生物工程的應(yīng)用食品加工：單細胞蛋白（酵母、真菌等）微生物技38微生物工程概論課件39微生物工程概論課件40目前我國味精產(chǎn)量居世界第一位，檸檬酸的產(chǎn)量和出口量都居世界首位，淀粉糖的產(chǎn)量也居世界前列，還有酶制劑、酵母以及其他發(fā)酵制品也都有非常大的發(fā)展，我國已經(jīng)是發(fā)酵工業(yè)大國。

目前我國味精產(chǎn)量居世界第一位，檸檬酸的產(chǎn)量和出口量都居世界首41LouisPasteur，法國微生物學家和化學家。AlexanderFleming，英國細菌學家。SelmanAbrahamWaksman，美國抗生素之父。2、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用LouisPasteur，法國微生物學家和化學家。2、在醫(yī)422、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用抗生素：12000余種青霉素、金霉素、四環(huán)素、鏈霉素、慶大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、頭孢霉素等2、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用抗生素：12000余種432、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用

氨基酸：可發(fā)酵生產(chǎn)的有谷、賴、丙、組、異亮、亮、苯丙、脯、蘇、色、酪、纈、瓜、鳥氨酸（國內(nèi)40億元，占發(fā)酵業(yè)產(chǎn)值12%）

維生素：VB2、VB12、Vc、VA、VD等

生物制品：亞單位疫苗、重組疫苗、DNA疫苗等2、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用氨基酸：可發(fā)酵生產(chǎn)的有谷、賴、丙、442、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用2、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用453、在輕工業(yè)中的應(yīng)用糖化酶：

-淀粉酶、-淀粉酶、異淀粉酶、木聚糖酶、葡萄糖異構(gòu)酶、半乳糖酶、纖維素酶等蛋白酶堿性蛋白酶（洗滌劑、皮革鞣化、啤酒去濁）酸性蛋白酶（飲料、制蛋白水解物）中性蛋白酶（皮革脫毛、蠶絲脫膠、蛋白胨制備）3、在輕工業(yè)中的應(yīng)用糖化酶：-淀粉酶、-淀粉酶、異淀粉酶463、在輕工業(yè)中的應(yīng)用果膠酶果汁果酒澄清、脫膠脂肪酶：分解脂肪為脂肪酸和甘油凝乳酶：制干酪氨基?；?、甘露聚糖酶等3、在輕工業(yè)中的應(yīng)用果膠酶果汁果酒澄清、脫膠脂肪酶：分解脂肪474、在化工能源中的應(yīng)用醇及溶劑：乙醇、甘油、異丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等有機酸：檸檬酸、醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、蘋果酸、衣康酸、水楊酸等多糖：黃原膠、海藻糖等清潔能源：氫氣、微生物燃料電池等4、在化工能源中的應(yīng)用醇及溶劑：乙醇、甘油、異丙醇、丙酮、丁485、在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用生物農(nóng)藥：

殺蟲劑（病毒殺蟲劑－核型奪角體病毒、細菌殺蟲劑－蘇云金桿菌、真菌殺蟲劑－白僵菌）

防治植物病害（細菌－假單孢菌、放線菌－細黃鏈菌、真菌－木霉、病毒－弱病毒、農(nóng)用抗生素－慶豐霉素）生物除草劑：利用雜草的病原微生物生物增產(chǎn)劑：根瘤菌、藍細菌、鉀細菌、磷細菌等5、在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用生物農(nóng)藥：生物除草劑：利用雜草的病原微生物496、在環(huán)境保護中的作用污水處理6、在環(huán)境保護中的作用污水處理507、在細菌冶金中的應(yīng)用

細菌冶金又稱微生物浸礦，是近代濕法冶金工業(yè)上的一種新工藝。它主要是應(yīng)用細菌法溶浸貧礦、廢礦、尾礦和大冶爐渣等，以回收某些貴重有色金屬和稀有金屬，達到防止礦產(chǎn)資源流失，最大限度地利用礦藏的一種冶金方法。7、在細菌冶金中的應(yīng)用細菌冶金又稱微生物浸礦，517、在細菌冶金中的應(yīng)用氧化硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌2S+3O2+2H2O→2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O2→2Fe2(SO4)3+2H2OFeS2（黃鐵礦）+7Fe2(SO4)3+8H2O→15FeSO4+8H2SO4Cu2S