微生物工程概論精選教學課件

1、微 生 物 工 程Microbial Engineering教材微生物工程 曹軍衛(wèi) 馬輝文 張甲耀 編 科學出版社生物技術(shù)主要包括基因工程、蛋白質(zhì)工程、酶工程、生物信息學、植物細胞工程、動物細胞工程、微生物工程、生物制藥技術(shù)、高級生物傳感器、環(huán)境生物工程、農(nóng)業(yè)生物工程、糖生物工程、生物枝術(shù)與疾病診斷。一 什么是微生物工程？ 微生物工程是以微生物為主體，應用生物科學，特別是微生物學的理論和方法，結(jié)合現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某種特定性狀和功能，按照人們設(shè)計的藍圖，改良、加工、繁殖微生物，以獲取微生物體本身或其代謝產(chǎn)物等有用物質(zhì)，為人類生產(chǎn)、生活為目的的一門新興學科。 微生物工程是微生物學、生

2、物化學、藥學和化學工程學等多學科密切相關(guān)的交叉性學科。1. 微生物工程 = 現(xiàn)代發(fā)酵工程發(fā)酵（fermentation） 狹義發(fā)酵和廣義發(fā)酵微生物工程結(jié)合了現(xiàn)代工程技術(shù)手段，超出了傳統(tǒng)的發(fā)酵含義。微生物工程產(chǎn)品傳統(tǒng)發(fā)酵內(nèi)容-釀造：食品、酒、調(diào)味品等近代的工業(yè)發(fā)酵內(nèi)容-抗生素、氨基酸、酶制劑、各種生物活性物質(zhì)等FERMENTATIONPROCESS CONTROL微生物工程的生產(chǎn)工藝過程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES從廣義上講，由三部分組成： 上游工程、發(fā)酵工程、下游工程菌種篩選搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗微 生 物 工 程包括三個部分：微生物

3、工程原理微生物工程下游加工工程微生物工程生產(chǎn)設(shè)備第一部分 微生物工程原理共10章內(nèi)容第一章 微生物工程概論一、 微生物工程的發(fā)展簡史1.傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)天然發(fā)酵 果汁釀酒、醋、醬、原始啤酒、面包發(fā)酵、奶酪、泡菜等。2.第一代微生物發(fā)酵技術(shù)純培養(yǎng)技術(shù)的建立 1680 年，荷蘭布商Anthony Leeuwenhoek安東尼列文虎克發(fā)明了顯微鏡。 1857年，法國Louis Pasteur巴斯德用曲頸瓶實驗證明了不同的發(fā)酵產(chǎn)物是由不同的微生物引起的。 1905年，德國醫(yī)生Robert Koch科赫建立了純培養(yǎng)技術(shù)，由此開創(chuàng)了人為控制發(fā)酵過程的時期，發(fā)明了簡單的密封式發(fā)酵罐。 這時期的產(chǎn)品有酵母

4、、酒精、丙酮、丁醇、有機酸、酶制劑等。Leeuwenhoek (1632-1723)Leeuwenhoek 制造的顯微鏡（單鏡頭系統(tǒng)）眼睛L.Pasteur (18221895)3.第二代微生物發(fā)酵技術(shù)深層培養(yǎng)技術(shù)deep culture 又稱沉沒培養(yǎng)法。有時也稱液體培養(yǎng)法。在深層的液體培養(yǎng)中進行的一種發(fā)酵培養(yǎng)方法。操作時將無菌空氣通入容器中，不斷攪拌，使微生物充分與氧氣接觸而迅速繁殖。占地面積小，勞動力省，產(chǎn)量高，適合于機械化和自動化生產(chǎn)。適用于需氧性微生物。 1928年，英國細菌學家弗萊明發(fā)現(xiàn)了點青霉產(chǎn)物青霉素。牛津大學病理學教授弗洛里分離和提純了青霉素，并用于治療疾病。 1945年，采用

5、了深層培養(yǎng)技術(shù)，青霉素投入了大規(guī)模生產(chǎn)，從而推動了抗生素工業(yè)乃至發(fā)酵工業(yè)的快速發(fā)展。 這時期微生物發(fā)酵已經(jīng)廣泛應用于能源開發(fā)、環(huán)境保護、細菌冶金和石油勘探等。4.第三代微生物發(fā)酵技術(shù)微生物工程 這一代生物技術(shù)產(chǎn)品的特點是運用了現(xiàn)代生物技術(shù)DNA重組技術(shù)、細胞融合技術(shù)等的成果而進行生產(chǎn)的產(chǎn)品。 1953年美國的 Watson及Crick發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，為DNA的重組奠定了基礎(chǔ)。 1974年美國的Boyer和Cohen首次在實驗室中實現(xiàn)了基因轉(zhuǎn)移，為基因工程啟開了通向現(xiàn)實的大門，而使人們有可能在實驗室中組建按人們意志設(shè)計出來的新的生命體?，F(xiàn)代微生物工程時期的產(chǎn)品醫(yī)藥產(chǎn)品類食品及飼料添加劑

6、生物殺蟲劑、生物除草劑、殺菌劑化工能源環(huán)保產(chǎn)品二、微生物工程的應用1.微生物工程在食品工業(yè)中的應用這是生物技術(shù)最早開發(fā)應用的領(lǐng)域，其中包括傳統(tǒng)的含醇飲料、調(diào)味品、乳制品等，至今其產(chǎn)量和產(chǎn)值還占生物技術(shù)的首位。含醇飲料：葡萄酒、果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、香檳酒、朗姆酒等。傳統(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵食品：醬、醬油、醋、豆鼓、豆腐乳、飴糖、泡菜等。 發(fā)酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等； 用近代發(fā)酵或酶反應技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等。 食品添加劑：面包酵母、味精、賴氨酸、檸檬酸、紅曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鳥苷酸、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖、葡萄糖氧化

7、酶和異維生素C、乳鏈菌肽（食用防腐劉)、匹馬霉素(食品保護劑)。 新型發(fā)酵飲料：活性乳酸飲料。2.微生物工程在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應用（1）抗生素：6000多種，絕大多數(shù)是微生物產(chǎn)生的。抗細菌抗生素：青霉素、金霉素、紅霉素等等?？拐婢股兀褐泼咕?、兩性霉素、灰黃霉素等等?？乖x抗生素：煙古霉素、古曲霉素等。抗腫瘤抗生素：放線菌素、絲裂霉素、內(nèi)瘤霉素等。免疫作用的抗生素：環(huán)孢菌素A等。半合成抗生素： 某些天然抗生素在去側(cè)鏈后，可用化學合成法接上新的側(cè)鏈而改變原有抗菌譜或其它特性，這樣的抗生素就被稱為半合成抗生素。常用的半合成青霉素：甲氧苯青霉素(新青 )、乙氧萘青霉素(新青 )、苯唑青霉素(新青)、

8、氨芐青霉素、羥氨芐青霉索等。常用的半合成頭孢菌素：第一代： 頭孢噻吩鈉 （先鋒1號 ）頭孢氨芐（先鋒4號 ） 頭孢羥氨芐 頭孢唑啉(先鋒5號) 頭孢拉啶(先鋒6號 ) 頭孢硫脒 頭孢克羅 頭孢噻啶（先鋒2號 ） 頭孢來星（先鋒3號） 頭孢乙腈 頭孢匹林 頭孢替唑 第二代： 頭孢呋辛鈉 頭孢呋辛酯 頭孢孟多 頭孢呋辛鈉 頭孢克洛 頭孢替安 頭孢美唑 頭孢西丁 頭孢丙烯 頭孢尼西 第三代： 頭孢噻肟鈉 頭孢哌酮 頭孢他啶 頭孢曲松 頭孢唑肟 頭孢甲肟 頭孢匹胺 頭孢替坦 頭孢克肟 頭孢泊肟酯 頭孢他美酯 頭孢地秦 頭孢噻騰 頭孢地尼 頭孢特侖 頭孢拉奈 拉氧頭孢 頭孢布烯 頭孢米諾 頭孢羅齊 第四

9、代： 頭孢吡肟 頭孢匹羅 頭孢唑南等。其他半合成抗生素：丁胺卡那霉素、強力霉素、乙酰螺旋霉素等。 （2）氨基酸： 氨基酸在醫(yī)藥中主要用于生產(chǎn)氨基酸大輸液。 可經(jīng)發(fā)酵獲得的氨基酸有谷氨酸、賴氨酸等。 可用酶法獲得的氨基酸有天門冬氨酸、丙氨酸等。2.微生物工程在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應用（3）維生素：目前可用生物技術(shù)生產(chǎn)的維生素或其中間產(chǎn)物有維生素B2、維生素B12、維生素c的前體、類胡蘿卜素、維生素D2的前體等。（4）甾體激素：可的松、氫化可的松、潑尼松、強的松龍、膚氫松、地塞米松、確安舒松等甾體激素化學合成過程中，有若干步是用微生物的生物轉(zhuǎn)化來完成的。2.微生物工程在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應用（5）生物制品：生物

10、制品是指含抗原的制品，被用于預防、診斷或治療傳染病。 由減毒或死的病毒或立克次氏體制造的疫苗，如牛痘和斑疹傷寒疫苗； 減毒或死的病原菌制成的疫苗，如卡介苗、傷寒菌苗； 類毒素如白喉類毒素； 含抗體的制品：能中和外毒素的抗毒素。2.微生物工程在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應用（6）治療用酶： 如蛋白酶和核酸酶可用于加速去除壞死組織、膿汁、分泌液、血腫；胃蛋白酶、脂肪酶、蛋白酶可幫助消化等等。（7）酶抑制劑 淀粉酶抑制劑可治糖尿??；抑肽素(蛋白質(zhì)抑制劑)可用于治療胃潰瘍；多巴丁有降血壓作用。2.微生物工程在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應用（8）其他核苷酸產(chǎn)品 ：如肌苷可治療心臟病、白血病、血小板下降、肝病等。 其它發(fā)酵藥物：如谷

11、氨酰胺可抗腫瘤、麥角胺可治療偏頭痛等?；蚬こ趟幬铮焊蓴_素可抗病毒、抗腫瘤；生長激素促進生長等。2.微生物工程在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應用3.微生物工程在輕工業(yè)中的應用主要是用于輕工業(yè)及其食品工業(yè)中的酶：糖酶：蛋白酶：加入洗滌劑等果膠酶：果汁或果酒的澄清等脂肪酶：降解脂肪為甘油和有機酸凝乳酶：奶酪過氧化氫酶：將雙氧水分解4.微生物工程在化工能源產(chǎn)品中的應用利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶法生產(chǎn)下列產(chǎn)品： 烷烴：甲烷 醇及溶劑： 乙醇、甘油(丙三解)等 有機酸：醋酸、丙酸等 多糖：右旋糖酐、黃原膠等。 清潔能源：氫氣等。5.微生物工程在農(nóng)業(yè)中的應用（1）生物農(nóng)藥：微生物殺蟲劑、防治病害如殺稻瘟菌素等。（2）生物除草

12、劑：利用微生物產(chǎn)生的環(huán)己酰胺、谷氨酰胺合成酶等除草；（3）生物增產(chǎn)劑：赤霉素是一種能促種子萌芽、植株助長的植物生產(chǎn)素。還有固氮菌、鉀細菌、磷細菌、抗生菌制劑作為輔助肥料及抗菌增產(chǎn)劑。（4）食用菌和藥用真菌：主要品種有蘑菇、草菇、香菇、猴頭菌、靈芝銀耳、木耳、冬蟲夏草等。5.微生物工程在農(nóng)業(yè)中的應用6.微生物工程在環(huán)境保護中的應用 自然界本身就存在著碳和氮的循環(huán)，而微生物在對生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。厭氣發(fā)酵法：如沼氣發(fā)酵；好氣發(fā)酵法：如活性污泥對工業(yè)和生活污水處理； 目前正在尋找更合適的微生物，特別是能降解酚、有機氮、有機磷、有機金屬化合物的菌種。沼氣進料口出料口沉積物厭氧各

13、種微生物聯(lián)合作用,降解各種大分子,產(chǎn)生甲烷7.微生物工程在細菌冶金中的應用 利用化能自養(yǎng)細菌如鐵細菌、硫化細菌等把亞鐵氧化為高鐵，將含硫金屬礦石(一般采用貧礦)中的金屬離子形成硫酸鹽而釋放出來?？捎么朔ń〉慕饘儆秀~、鈷、鋅、鉛、鈾、金等。目前在美國約有10的銅用此法生產(chǎn)，我國也用此法生產(chǎn)銅和金。8.微生物工程在高技術(shù)研究中的應用 如基因工程中用的限制性內(nèi)切酶、連結(jié)酶、DNA探針等；醫(yī)學診斷或工業(yè)過程檢測用的生物傳感器(酶或微生物電極) 、生物芯片(biochip）等。 微生物工程依靠微生物來完成發(fā)酵工廠生產(chǎn)線上的必不可少的加工（或轉(zhuǎn)化）步驟，在這個意義上，微生物細胞就是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上特殊機器細胞機器。細胞機器與普通意義上的機器不同，細胞機器必須由代謝能直接驅(qū)動。在發(fā)酵工廠的生產(chǎn)線上，微生物細胞機器必須完成“ 在線制造 ”和“生產(chǎn)運行”的雙重任務(wù)。三、微生物工程的任務(wù)和展望1.提高現(xiàn)有微生物發(fā)酵工業(yè)水平，向科學化、現(xiàn)代化的微生物工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展2.用現(xiàn)代遺傳育種手段，改良、培育特色微生物新品種3.在現(xiàn)有酶