第十二章 微生物工程生產(chǎn)舉例

第十二章微生物工程

生產(chǎn)舉例提綱第一節(jié)抗生素生產(chǎn)工藝第二節(jié)氨基酸生產(chǎn)工藝第三節(jié)檸檬酸生產(chǎn)工藝第四節(jié)污水的生物處理第一節(jié)抗生素生產(chǎn)工藝重點(diǎn)：抗生素的生物合成；微生物的次級(jí)代謝與初級(jí)代謝的關(guān)系；抗生素生物合成的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制；細(xì)胞生長(zhǎng)期到抗生素產(chǎn)生期的過(guò)渡；酶的誘導(dǎo)作用；分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制；難點(diǎn)：抗生素生物合成的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制；分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)控制。概述一、抗生素的分類(lèi)按生物來(lái)源、作用、化學(xué)結(jié)構(gòu)、作用機(jī)制、合成途徑可分為：表22-1二、抗生素生產(chǎn)工藝二、抗生素生產(chǎn)工藝二、抗生素生產(chǎn)工藝二、抗生素生產(chǎn)工藝二、抗生素生產(chǎn)工藝2、化學(xué)合成法根據(jù)某種抗生素的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，通過(guò)化學(xué)合成的方法，可生產(chǎn)局部抗生素。如：氯霉素、磷霉素等。經(jīng)過(guò)化學(xué)合成方法和控制條件的不斷深入研究，越來(lái)越多的抗生素可用化學(xué)合成法生產(chǎn)。二、抗生素生產(chǎn)工藝三、青霉素生產(chǎn)工藝三、青霉素生產(chǎn)工藝三、青霉素生產(chǎn)工藝1、菌種：產(chǎn)黃青霉生長(zhǎng)發(fā)育分六個(gè)階段：Ⅰ—Ⅳ期：菌絲生長(zhǎng)期，適宜做種子；Ⅳ—Ⅴ期：青霉素分泌期；Ⅵ期：菌絲體自溶期。三、青霉素生產(chǎn)工藝三、青霉素生產(chǎn)工藝3、發(fā)酵條件控制補(bǔ)糖：殘?zhí)墙抵?.6％〔PH上升〕；補(bǔ)氮：氨氮0.05％，補(bǔ)硫銨、氨水或尿素；PH：6.4—6.6，加糖、加酸、加堿調(diào)節(jié)；溫度：前期，25-26℃；后期，23℃；通氣比：1：0.8；溶氧：﹥氧飽和溶解度的30％；消沫劑：玉米油、豆油或化學(xué)合成消沫劑。三、青霉素生產(chǎn)工藝4、青霉素的別離純化過(guò)濾：板框、真空轉(zhuǎn)鼓；萃取：醋酸丁脂，2-3次；脫色：活性碳，150-200g/10億單位；結(jié)晶：濃縮結(jié)晶或直接結(jié)晶；洗滌枯燥第二節(jié)氨基酸生產(chǎn)工藝一、氨基酸生產(chǎn)工藝控制二、氨基酸生產(chǎn)工藝三、異亮氨酸、亮氨酸生產(chǎn)工藝概述工業(yè)上重要氨基酸簡(jiǎn)介一、氨基酸生產(chǎn)工藝控制1、菌種：細(xì)菌，野生型或營(yíng)養(yǎng)缺陷型、結(jié)構(gòu)類(lèi)似物突變菌種；2、培養(yǎng)基：碳源：淀粉水解糖、糖蜜等；氮源：銨鹽、氨水或尿素，豆餅、麩皮粉；無(wú)機(jī)鹽：S、P、Ga、Mg、K等；生物素：影響細(xì)胞膜透性，對(duì)氨基酸分泌影響很大，來(lái)源：玉米漿、麩皮、糖蜜。一、氨基酸生產(chǎn)工藝控制3、發(fā)酵條件控制PH：通過(guò)流加氨水或尿素來(lái)控制；溫度：菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成最適溫度不同，并隨菌種不同而異；溶氧：不同氨基酸發(fā)酵有不同要求；消沫劑：玉米油、豆油或化學(xué)合成消沫劑。一、氨基酸生產(chǎn)工藝控制4、氨基酸別離純化過(guò)濾：板框；提?。旱入婞c(diǎn)沉淀；脫色：活性碳，〔過(guò)濾除活性碳〕；精制：離子交換或重結(jié)晶法。二、氨基酸〔賴氨酸〕生產(chǎn)工藝重點(diǎn)：

賴氨酸生物合成途徑及代謝調(diào)節(jié)機(jī)制；酵母和霉菌的賴氨酸生物合成途徑和調(diào)節(jié)機(jī)制；賴氨酸生產(chǎn)菌的育種途徑。難點(diǎn)：天冬氨酸族氨基酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制。二、氨基酸生產(chǎn)工藝氨基酸的生物合成1、天冬氨酸族生物合成途徑

天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸或天冬氨酸為原料，合成蘇氨酸、蛋氨酸和異亮氨酸。天冬酰氨甲硫氨酸

琥珀酰高絲氨酸合成酶草酰乙酸→天冬氨酸→天冬氨酸磷酸→天冬氨酸-β-半醛→高絲氨酸→蘇氨酸→異亮氨酸

DDP合成酶

二氨基庚二酸→賴氨酸2、天冬氨酸族生物合成的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制在細(xì)菌中，雖然天冬氨酸族氨基酸生物合成途徑是相同的，但是其代謝調(diào)節(jié)機(jī)制是多種多樣的。1〕大腸桿菌K12①天冬氨酸激酶②天冬氨酸-β-半醛脫氫酶③DDP合成酶〔賴氨酸分支的第一個(gè)酶〕④高絲氨酸合成酶〔HD〕〔通向蘇氨酸、蛋氨酸分支的第一個(gè)酶〕2、天冬氨酸族生物合成的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制2〕黃色短桿菌其賴氨酸生物合成調(diào)節(jié)機(jī)制比大腸桿菌簡(jiǎn)單，其天冬氨酸激酶只有一種，該酶具有兩個(gè)變構(gòu)部位，可以與終產(chǎn)物結(jié)合，當(dāng)兩種終產(chǎn)物同時(shí)過(guò)量時(shí)，該酶活性受到抑制。3〕乳糖發(fā)酵短桿菌賴氨酸合成調(diào)節(jié)3、酵母和霉菌的賴氨酸生物合成途徑就賴氨酸合成途徑來(lái)講，不同種類(lèi)的微生物途徑不同，可以歸納為兩條途徑：1〕為經(jīng)過(guò)二氨基庚二酸的生物合成途徑，如細(xì)菌、DPA；2〕是AAA，酵母菌、霉菌經(jīng)過(guò)α-氨基己二酸AAA途徑合成賴氨酸。4、氨基酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制反響抑制與優(yōu)先合成氨基酸生物合成的根本調(diào)節(jié)機(jī)制有反響抑制與在合成途徑分支點(diǎn)處的優(yōu)先合成。反響抑制：A→B→C→D

ED優(yōu)先合成：A→B→CFG5、其他特殊的控制機(jī)制1〕終產(chǎn)物控制催化分支合成途徑共同局部的初始酶，在僅一種氨基酸終產(chǎn)物過(guò)剩時(shí)，完全不受或微弱或局部地反響抑制〔或阻遏〕，只是在多數(shù)終產(chǎn)物共存下才強(qiáng)烈地控制。有以下幾種情況：①協(xié)同〔或多價(jià)〕反響抑制②合作〔或增效〕反響抑制③同功酶控制④積累反響抑制5、其他特殊的控制機(jī)制2〕順序控制：EDA→B→CFGA→B→C→D6、賴氨酸生產(chǎn)菌的育種途徑出發(fā)菌株的選擇：要求代謝比較簡(jiǎn)單的細(xì)菌〔如黃色短桿菌、谷氨酸棒桿菌、乳酸發(fā)酵短桿菌等〕1〕優(yōu)先合成的轉(zhuǎn)換：滲漏缺陷型的選育。2〕切斷支路代謝：營(yíng)養(yǎng)缺陷型的選育。3〕抗結(jié)構(gòu)類(lèi)似物突變株的選育〔代謝調(diào)節(jié)突變〕。4〕代謝互鎖解除代謝互鎖的方法：①選育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗AEC的賴氨酸的生產(chǎn)菌為出發(fā)菌株，經(jīng)誘變得到抗AEC兼抗亮氨酸缺陷型菌株。②選育抗亮氨酸結(jié)構(gòu)類(lèi)似物的突變株，從遺傳上解除亮氨酸對(duì)DDP合成酶的阻遏。③選育對(duì)苯醌或喹啉衍生物敏感菌株，這是一種尋找亮氨酸滲漏缺陷型菌株的有效方法。6、賴氨酸生產(chǎn)菌的育種途徑5〕增加前體物的生物合成和阻塞產(chǎn)物的生成：方法：①選育丙氨酸缺陷型；②選育抗天冬氨酸結(jié)構(gòu)類(lèi)似物突變株；③選育適宜的活性比突變株；6〕改變細(xì)胞膜的透過(guò)性7〕選育溫度敏感突變株8〕應(yīng)用細(xì)胞工程和遺傳工程育種9〕防止高產(chǎn)菌株回復(fù)突變7、賴氨酸生物合成途徑大腸桿菌的賴氨酸生物合成途徑：圖23-28、賴氨酸發(fā)酵條件控制溶氧：特別重要，缺乏，會(huì)使賴氨酸生產(chǎn)受到不可逆抑制；PH：通過(guò)補(bǔ)加氨水來(lái)控制；溫度：32℃；前體：甘氨酸或絲氨酸。〔短小假單胞菌〕三、異亮氨酸、亮氨酸生產(chǎn)工藝1、異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸的生物合成途徑：圖23-4

2、異亮氨酸發(fā)酵兩種方法：添加前體發(fā)酵法和直接發(fā)酵法添加前體發(fā)酵法：蘇氨酸脫水酶受異亮氨酸的反響抑制；添加前體物質(zhì)D-蘇氨酸、α-酮基異戊酸；繞過(guò)異亮氨酸對(duì)蘇氨酸脫水酶的反響抑制。直接發(fā)酵法：抗反響調(diào)節(jié)突變株，解除對(duì)蘇氨酸脫水酶的反響抑制。3、亮氨酸發(fā)酵亮氨酸高產(chǎn)菌株的選育：1〕選育α-酮基異丁酸抗性突變株，解除對(duì)異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸生物合成酶系的阻遏作用；2〕選育異亮氨酸缺陷型回復(fù)突變株，其α-異丙基蘋(píng)果酸合成酶不再受亮氨酸的反響抑制；3〕α-噻唑抗性兼蛋氨酸、異亮氨酸雙重缺陷型突變株，用于亮氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)。第三節(jié)檸檬酸生產(chǎn)工藝重點(diǎn)：檸檬酸生物合成途徑；檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)；三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)。難點(diǎn)：檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)；糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)。一、檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝〔一〕檸檬酸合成途徑檸檬酸又名枸櫞酸，學(xué)名α-羥基丙烷三羧酸，是生物體主要代謝產(chǎn)物之一。

檸檬酸合成途徑：丙乙酰COA葡萄糖酮→檸檬酸酸草酰乙酸氧化脫羧羧化EMP〔二〕檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)1、糖酵解及丙酮酸代謝的調(diào)節(jié)1〕在正常情況下，檸檬酸、ATP對(duì)磷酸果糖激酶有抑制作用，而ATP、無(wú)機(jī)磷、銨離子對(duì)該酶那么有激活作用，特別是還能解除檸檬酸、ATP對(duì)磷酸果糖激酶的抑制作用。2〕比較底物錳充足、錳缺乏時(shí)分批培養(yǎng)物的最大活力時(shí)發(fā)現(xiàn)，錳缺乏時(shí)黑曲霉的組成〔合成〕代謝受損傷，這與檸檬酸的積累有關(guān)。3〕丙酮酸激酶是EMP途徑的第2個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)，在某些真菌得到證實(shí)，但黑曲霉未被證實(shí)?！捕硻幟仕嵘锖铣傻拇x調(diào)節(jié)2、檸檬酸生物合成代謝調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：1〕TCA環(huán)的起始酶：檸檬酸合成酶是一種調(diào)節(jié)酶。但在黑曲霉中，檸檬酸合成酶沒(méi)有調(diào)節(jié)作用，這是黑曲霉TCA環(huán)的第一個(gè)特點(diǎn)。2〕第二個(gè)特點(diǎn)：黑曲霉菌體內(nèi)α-酮戊二酸脫氫酶缺失或活力很低〔TCA環(huán)被阻斷〕。3〕氧和pH值對(duì)檸檬酸發(fā)酵的影響很大。〔二〕檸檬酸生物合成的代謝調(diào)節(jié)3、檸檬酸積累的原因：①M(fèi)n2+缺乏→抑制蛋白合成→NH4↑有一條呼吸活動(dòng)強(qiáng)的不產(chǎn)生ATP的側(cè)呼吸鏈；②由于丙酮酸羧化酶是組成型酶，不被調(diào)節(jié)控制。丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoA和CO2的固定兩個(gè)反響的平衡，以及檸檬酸合成酶不被調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了合成檸檬酸的能力。③由于順烏頭酸水合酶在催化時(shí)建立了以下平衡：檸檬酸：順烏頭酸：異檸檬酸=90：3：7同時(shí)控制Fe2+含量時(shí)，順烏頭酸酶活力降低，使檸檬酸積累。④隨著檸檬酸積累，pH降低到一定程度時(shí)，使順烏頭酸酶和異檸檬酸脫氫酶失活，更有利于檸檬酸的積累及排出細(xì)胞外?！踩硻幟仕岚l(fā)酵生產(chǎn)工藝〔三〕檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝〔三〕檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝〔三〕檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝二、檸檬酸提取生產(chǎn)工藝1、發(fā)酵液過(guò)濾：帶式過(guò)濾機(jī)2、中和：濾液中除含檸檬酸外，還含可溶性的殘?zhí)且约暗鞍踪|(zhì)、金屬離子等雜質(zhì)。利用檸檬酸鈣難溶于水的特點(diǎn)，與雜質(zhì)別離的過(guò)程。3、酸解：中和所得鈣鹽經(jīng)過(guò)濾、洗滌，與硫酸反應(yīng)生成檸檬酸和硫酸鈣沉淀，過(guò)濾，濾液含較純的檸檬酸。三、檸檬酸精制生產(chǎn)工藝1、離子交換：陽(yáng)離子交換：主要除鈣離子、鐵離子；陰離子交換：主要除硫酸根、氯離子；2、蒸發(fā)濃縮：外循環(huán)減壓蒸發(fā)，﹤65℃；3、結(jié)晶別離：高溫連續(xù)或分批冷卻結(jié)晶；4、枯燥包裝：離心、沸騰枯燥、質(zhì)檢、裝袋、封口。第四節(jié)污水的生物處理污水包括：1、水體的污染—富營(yíng)養(yǎng)化；2、傳染性病源體的污染；3、有毒化合物的污染；4、高分子難降解化合物的污染；5、重金屬如鉻、鎘、鉛、汞、硒等的污染；6、放射性物質(zhì)的污染。污水生物處理的主要方向一、污水的生物處理的原理污水的生物處理：采用專門(mén)裝置和設(shè)施，對(duì)含有污染物的污水進(jìn)行厭氧和好氧處理，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝，使有機(jī)污染物徹底氧化，到達(dá)污水凈化的目的?；钚晕勰喾ㄊ怯袡C(jī)污水處理的最常用的方法。二、污水的生物處理的根本方法污水凈化中三級(jí)處理的主要步驟處理步驟 過(guò)程一級(jí)處理 通過(guò)沉淀、篩分、加明礬和其他凝絮劑以及其他物理方法去除水中不溶的顆粒二級(jí)處理 生物方法去除水中的可溶性有機(jī)物細(xì)流過(guò)濾活性污泥氧化塘延長(zhǎng)通氣