微生物工程-绪论

欢迎同学们学习微生物工程！,微生物工程,主讲：陈欣,E-mail：jixiang6455,课时安排总课时48讲授40实验8,成绩评定期终考试70%实验成绩20%平时成绩10%,绪论,OUTLINE,微生物工程的研究内容微生物工程的发展历史微生物工程的应用领域,一、微生物工程的概念,WhatisMicrobialEngineering？,微生物工程是渗透有工程学的微生物学，是发酵技术工程化的发展。,生物工程(Bioengineering),二、微生物工程的地位与作用,生物技术(Biotechnology),许多国家都将生物技术确定为增强国力和经济发展的关键技术之一。,生物工程,微生物工程,基因工程,细胞工程,酶工程,微生物工程是生物技术的重要组成和基础，是生物技术产业化的重要环节。它将微生物学、生物化学和化学工程的基本原理有机结合起来，广泛而深入地揭示了发酵过程的本质。,三、微生物反应过程的特点,一）优点：（与化学工程相比）,1、生产条件,2、原料,3、生产过程,4、产品,5、高度选择性,6、生物体本身,7、微生物菌种改良,发酵过程的这些特性决定了微生物工程的种种优点，使得微生物工程成为生物技术的核心之一而受到广泛重视。,二）发酵过程中尚存在的问题：,1、底物转化率、副产物的产生影响下游,2、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。,3、原料是农副产品，质量波动较大。,4、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言，反应器效率低。,5、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。,6、发酵废水常具有较高的BOD和COD，需处理后排放。,四、微生物工程发展简史,1、传统的微生物发酵技术天然发酵,几千年酒（古埃及公元前40003000年；龙山文化4200年）啤酒、黄酒、酱油、泡菜等,2、第一代微生物发酵技术纯培养技术,LouisPasteur微生物引起发酵；酒精发酵由酵母引起EduardBuchner酒化酶(zymase)RobertKoch发明固体培养基；建立了纯培养技术人为控制发酵过程酒精、丙酮、丁醇、有机酸等（主厌氧发酵；初级代谢产物p.69）,3、第二代（近代）微生物发酵技术深层培养技术,出现于20世纪40年代，以抗生素的生产为标志青霉素的发现与大量需求表面培养法(Surfaceculture)效价40U/mL，纯度20%，收率30%,深层培养技术（Submergedfermentation)机械搅拌通气发酵链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出现，如氨基酸发酵工业好氧发酵，初级、次级代谢产物,4、第三代发酵技术微生物工程,(1972)DNA重组技术、原生质体融合技术等应用1982，第一个基因工程产品利用工程菌生产的人胰岛素问世现有许多种类的产品,红细胞生成素(治疗贫血)生长激素(促进生长)胰岛素(治疗糖尿病)干扰素(抗病毒、抗肿瘤),五、微生物工程的应用,食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等）含醇饮料：葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌发酵乳制品：奶酪、酸奶调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等,微生物技术最早开发应用的领域，至今产量和产值仍占微生物工程的首位,1、在食品工业的应用,（一）微生物工程应用领域,2、在医药卫生中的应用,抗生素：12000余种,氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发酵业产值12%）,维生素：VB2、VB12、Vc、VA、VD等,生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等,酶抑制剂：棒酸（可抑制-内酰胺酶对青霉素的破坏）-淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂,3、在轻工业中的应用,糖酶：-淀粉酶、-淀粉酶、异淀粉酶、木聚糖酶、葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等,蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊）酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物）中性蛋白酶（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）,果胶酶：果汁果酒澄清、苎麻脱胶,脂肪酶：分解脂肪为脂肪酸和甘油凝乳酶：制干酪氨基酰化酶、甘露聚糖酶等,4、在化工能源中的应用,醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等多糖：黄原胶、海藻糖等清洁能源：氢气、微生物燃料电池等,5、在农业中的应用,生物农药：杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫）防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病毒、庆丰霉素）,生物除草剂：利用杂草的病原微生物生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等,6、在环境保护中的作用,污水处理（厌气法、好气法）,7、在高技术领域中的应用,基因工程的各种工具酶等,二）微生物工程产品类型,1、微生物菌体的发酵,SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）生物防治制剂（如苏云金杆菌）活性乳制剂,细胞的生长与产物的积累成平行关系，生长速率最大的时期也是产物合成最高阶段,2、微生物酶发酵,各种酶制剂糖化酶、氨基酰化酶（D、L-氨基酸光学拆分）、蛋白酶、脂肪酶等,3、微生物代谢产物发酵,初级代谢产物：概念举例菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累,次级代谢产物：概念举例结构较复杂对环境条件敏感,4、微生物的生物转化,概念？,转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物的某一部位，进行特定部位的化学反应而形成。,反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性、立体特异性,含环戊烷多氢菲核的化合物；甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调节作用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红班狼疮、支气管哮喘等甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产物而获得的；可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾体母核11位上导入一氧原子，最大的困难也正在此化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett,576kg脱氧胆酸，30多步反应，两年938mg醋酸可的松）生物法：高效、收率高（1952年，Munrry等，黑根霉，仅1步就将孕酮11位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步，这样才使可的松问世）,如：甾体转化,可地松（Cortisone）,豆甾醇Stigmasterol,5、微生物特殊机能的利用,利用微生物消除环境污染金属浸沥回收利用基因工程菌开拓发酵工程新领域,六、微生物工程面临的挑战和发展趋向,一）面临的挑战,1、化学合成工业的竞争,2、农业生物工程的冲击转基因植物中表达生产PHB(聚-羟丁酸)、抗体、药物、植酸酶（将饲料中的有机磷转变为动物可以利用的形式，减少粪便中的磷，降低饲养场地区的污染）等,二）微生物工程发展趋向,1、提高现有微生物发酵工业水平2、利用重组DNA技术进行菌种改造3、开拓极端酶,极端酶由于极端酶的极端稳定性，为开拓新的生物催化和生物转化提供了广阔的应用前景。,七、微生物工程的内容,微生物工程基本上可分为发酵和提取两部分,发酵部分也称发酵工程，是微生物反应过程；提取部分也称后处理，或下游加工技术,虽然微生物工业生产以发酵为主，发酵的好坏是整个生产的关键，但后处理在发酵生产中也占有重要的地位。,微生物工程主要内容生产菌种的选育、发酵条件的优化与控制、反应器的设计及产物的分离、提取与精制等,武汉大学曹军卫主编（4部分）科学出版社,第一部分微生物工程原理1、微生物工程概论2、生产菌种的来源3、优良菌种选育4、菌种保藏的原理与方法5、微生物代谢调节和代谢工程6、培养基7、发酵工艺控制8、发酵过程的参数检测和自动控制9、微生物反应动力学,第二部分微生物工程下游加工工程1、微生物下游加工工程概论2、发酵液的预处理3、沉淀法4、溶剂萃取法5、双水相萃取法6、吸附法7、离子交换法8、结晶法,第三部分微生物工程生产设备1、培养基灭菌及灭菌设备2、发酵设备3、空气除菌设备4、产品纯化设备,第四部分微生物工程生产举例1、抗生素生产工艺2、氨基酸生产工艺3、甾体类化合物的微生物的转化工艺4、污水的生物处理,八、微生物工程课的任务,在学习了微生物学、生物化学等课程的基础上，进一步深入了解嫌气和好气发酵有关的工艺原理，应用这些基本理论去分析和解决微生物工业生产中的具体问题，使生产过程更好地符合客观规律，进一步