√1微生物工程概論課件

微生物工程

MicroorganismEngineering

緒論

CollegeofbiotechnologySouthernMedicalUniversity課時(shí)安排總課時(shí)64理論40實(shí)驗(yàn)24成績評定考試成績80％平時(shí)成績20％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(gè)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(diǎn)？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？什么是發(fā)酵？

1857年法國化學(xué)家、微生物學(xué)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。”

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(xué)意義的發(fā)酵：指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)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

微生物工程的基本概念

利用微生物的特定性狀和機(jī)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(xì)胞工程、代謝工程、生物信息工程和計(jì)算機(jī)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(xué)的微生物學(xué)，是發(fā)酵技術(shù)工程化的發(fā)展。微生物工程的組成微生物學(xué)化學(xué)工程生物化學(xué)微生物細(xì)胞是發(fā)酵工廠最重要的機(jī)器微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式Workingpatternofcell-machineinIndustrialFermentation微生物工程-------工業(yè)生物技術(shù)的核心借助于微生物進(jìn)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(biāo)，基于生物學(xué)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(jìn)程中的關(guān)鍵問題，為人類社會帶來巨大經(jīng)濟(jì)和社會效益。微生物工程

研究的主要內(nèi)容

FERMENTATIONProcessControl上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSESFermentationengineeringUPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecovery菌種的選育培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴(kuò)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(diǎn)：只知現(xiàn)象，不知本質(zhì)2、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(xué)的先驅(qū)荷蘭人列文虎克（Antonyvanleeuwenhoek）首次觀察到了細(xì)菌。他沒有上過大學(xué)，是一個(gè)只會荷蘭語的小商人，但卻在1680年被選為英國皇家學(xué)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)

——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)

——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(jiǎng)。發(fā)明了固體培養(yǎng)基；建立了純培養(yǎng)技術(shù)實(shí)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)

——純培養(yǎng)技術(shù)特點(diǎn)：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）3、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(gè)名譽(yù)學(xué)位、15個(gè)城市的榮譽(yù)市民稱號以及其他140多項(xiàng)榮譽(yù)，其中包括諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

引起尿道炎的大腸桿菌，未經(jīng)用藥時(shí)的情形。

與青毒素接觸不久，細(xì)胞外壁開始隆起。

再過一段時(shí)期，隆起部分越來越大，使細(xì)胞膜膨脹。

細(xì)胞膜過分脹大發(fā)生破裂，細(xì)胞死亡。3、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(jì)40年代，以抗生素的生產(chǎn)為標(biāo)志

青霉素的發(fā)現(xiàn)與大量需求

表面培養(yǎng)法（效價(jià)40U/mL，純度20%，收率30%）深層培養(yǎng)技術(shù)（機(jī)械攪拌通氣發(fā)酵）（效價(jià)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(jìn)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4、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(xì)胞作為飼料蛋白質(zhì)大規(guī)模、連續(xù)化、自動(dòng)化的開始微生物化學(xué)、微生物生理學(xué)以及微生物遺傳學(xué)1956年，日本利用生物素缺陷型菌株進(jìn)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。5、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(xì)胞生成素

(治療貧血)

生長激素

(促進(jìn)生長)

胰島素

(治療糖尿病)

干擾素

(抗病毒、抗腫瘤)

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(jī)酸、溶劑菌體對其合成反饋控制嚴(yán)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

primarymetabolite

是指微生物通過代謝活動(dòng)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?fàn)I養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)物質(zhì)、具生理活性物質(zhì)或?yàn)樯L提供能量，因此初級代謝產(chǎn)物，通常都是機(jī)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(gè)環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止，重則導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生突變或死亡，是一種基本代謝類型。

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(xué)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(xì)胞內(nèi)，也可能排到外環(huán)境中。2、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(xì)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(shí)期也是產(chǎn)物合成最高階段3、微生物的生物轉(zhuǎn)化

利用微生物細(xì)胞的一種或幾種酶，對外源化合物的特定部位進(jìn)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(xì)胞利用營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)細(xì)胞代謝產(chǎn)生，而是微生物細(xì)胞的酶或酶系作用于底物的某一部位，進(jìn)行特定部位的化學(xué)反應(yīng)而形成。

反應(yīng)最顯著的特點(diǎn)是特異性強(qiáng)，包括反應(yīng)特異性、結(jié)構(gòu)位置特異性、立體特異性

化學(xué)轉(zhuǎn)化：步驟繁多、得率低、價(jià)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(gè)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(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、紅班狼瘡、支氣管哮喘等可地松（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)入一氧原子微生物工程的特點(diǎn)1、生產(chǎn)過程通常在常溫常壓下進(jìn)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(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行的，因此多個(gè)反應(yīng)就象一個(gè)反應(yīng)一樣，可在單一設(shè)備（發(fā)酵罐）中進(jìn)行。微生物工程的特點(diǎn)5、能高度選擇性地進(jìn)行復(fù)雜化合物在特定部位反應(yīng)，如氧化、還原、官能團(tuán)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(dòng)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(xué)活性體等發(fā)酵過程中尚存在的問題：2、微生物反應(yīng)是活細(xì)胞的反應(yīng)，產(chǎn)物的獲得除受環(huán)境因素影響外，也受細(xì)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：3、原料是農(nóng)副產(chǎn)品，雖然價(jià)廉，但質(zhì)量波動(dòng)較大。4、生產(chǎn)前準(zhǔn)備工作量大，花費(fèi)高，相對化學(xué)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(jìn)行。6、發(fā)酵廢水常具有較高的BOD

和COD，需處理后排放。生化需氧量是一種環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)，主要用于監(jiān)測水體中有機(jī)物的污染狀況。一般有機(jī)物都可以被微生物所分解，但微生物分解水中的有機(jī)化合物時(shí)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）化學(xué)需氧量是以化學(xué)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(biāo)，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(biāo)也作為有機(jī)物相對含量的綜合指標(biāo)之一。

COD（ChemicalOxygenDemand）微生物工程的應(yīng)用食品加工：單細(xì)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。

LouisPasteur，法國微生物學(xué)家和化學(xué)家。AlexanderFleming，英國細(xì)菌學(xué)家。SelmanAbrahamWaksman，美國抗生素之父。2、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

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3、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：制干酪氨基酰化酶、甘露聚糖酶等4、在化工能源中的應(yīng)用醇及溶劑：乙醇、甘油、異丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等有機(jī)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5、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(xì)菌殺蟲劑－蘇云金桿菌、真菌殺蟲劑－白僵菌）

防治植物病害（細(xì)菌－假單孢菌、放線菌－細(xì)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(lán)細(xì)菌、鉀細(xì)菌、磷細(xì)菌等6、在環(huán)境保護(hù)中的作用污水處理7、在細(xì)菌冶金中的應(yīng)用

細(xì)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(xì)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(dá)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(xì)菌冶金中的應(yīng)用氧化硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌2S+3O2+2H2O