微生物工程总论

1、1 欢迎同学们学习欢迎同学们学习微生物工程！微生物工程！2微微 生生 物物 工工 程程主讲：曹NT_CAOJ3 绪绪 论论4需要注意的问题 认识微生物工程的重要性认识微生物工程的重要性 如何学习这门课如何学习这门课 如何去看书如何去看书 重视科技文献重视科技文献5第一节第一节 微生物工程组成及研究内容微生物工程组成及研究内容 什么是发酵 微生物工程和发酵工程有那些联系与区别 微生物工程的组成有哪些6一、发酵的定义1 1、传统发酵、传统发酵2 2、生化和生理学意义的发酵、生化和生理学意义的发酵3 3、工业上的发酵、工业上的发酵71、传统发酵 最初发酵是用来描述酵母菌作用

2、于果最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。指酒的生产过程。82、生化和生理学意义的发酵 指微生物在无氧条件下，分解各种有机指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。氧化还原产能反应。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出生酒精并放出COCO2 2。93、工业上的发酵工业上的发酵 泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程泛指利用微生物制造

3、或生产某些产品的过程 包括：包括：1.1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2.2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。基酸、酶制剂等。 产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。10二、微生物工程的概念二、微生物工程的概念 微生物工程微生物工程（ Microbial engineering ）是利用是利用微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体生产有用物质或直接应用于工业

4、化生产的技术体系；是将传统发酵与现代系；是将传统发酵与现代DNADNA重组、细胞融合、重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术发酵技术。微生物工程是渗透有工程学的微生物学，是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。发酵技术工程化的发展。11生物技术是生物技术是21世纪高新技术革命的核心内容，世纪高新技术革命的核心内容，生物技术产业将是生物技术产业将是21世纪的支柱产业世纪的支柱产业生物技术在迎接人口、资源、能源、食物生物技术在迎接人口、资源、能源、食物环境等五大危机的挑战中将大显身手。环境等五大危机的挑战中

5、将大显身手。许多国家都将生物技术确定为增强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。国力和经济发展的关键技术之一。12生 物 工 程微生物工程微生物工程基基 因因 工工 程程细细 胞胞 工工 程程酶酶 工工 程程13 微生物工程的意义及组成基因工程基因工程酶工程酶工程细胞工程细胞工程微生物工程微生物工程产物产品产品产品产品14FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES15菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试

6、验发酵罐试验纯种培养纯种培养16微生物工程研究内容微生物工程研究内容主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术养细胞和生产代谢产物的工艺技术(1) (1) 有严格的无菌生长环境：有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；干燥无菌空气的空气过滤技术；(2)(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料在发酵过程中根据细

7、胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；速度的计算机控制技术；(3)(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。种子培养和生产培养的不同的工艺技术。17(4)(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。更大规模生产的动力学模型。(5)(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试

8、，从中试到大规模生产过程中会出现许多试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是微生物工程工艺放大问题。问题，这就是微生物工程工艺放大问题。 大型发酵罐搅拌装置大型发酵罐搅拌装置 发酵车间的空气过滤器21三、微生物工程发展简史三、微生物工程发展简史1、传统的微生物发酵技术、传统的微生物发酵技术天然发酵天然发酵几千年几千年酒酒 （古埃及（古埃及 公元前公元前4000 3000年；年； 龙山文化龙山文化4200年）年）啤酒、黄酒、酱油、泡菜等啤酒、黄酒、酱油、泡菜等222、第一代微生物发酵技术、第一代微生物发酵技术纯培养技术纯培养技术 Louis Pasteur 微生物引起发酵；酒精发酵由酵

9、母引起微生物引起发酵；酒精发酵由酵母引起 Eduard Buchner 酒化酶酒化酶(zymase) Robert Koch 发明了固体培养基；建立了纯培养技术发明了固体培养基；建立了纯培养技术 人为控制发酵过程人为控制发酵过程 酒精、丙酮、丁醇、有机酸等酒精、丙酮、丁醇、有机酸等 （主厌氧发酵；初级代谢产物）（主厌氧发酵；初级代谢产物）233、第二代（近代）微生物发酵技术、第二代（近代）微生物发酵技术深层培养技术深层培养技术 出现于出现于20世纪世纪40年代，以抗生素的生产为标志年代，以抗生素的生产为标志 青霉素的发现与大量需求青霉素的发现与大量需求 表面培养法表面培养法(surface c

10、ulture) 效价效价40U/mL，纯度，纯度20%，收率，收率30% 深层培养技术深层培养技术（submerged fermentation) 机械搅拌通气发酵机械搅拌通气发酵 链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等链霉素、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，如氨基酸发酵工业酵工业 好氧发酵，初级、次级代谢产物好氧发酵，初级、次级代谢产物244、第三代发酵技术、第三代发酵技术微生物工程微生物工程 （1972）DNA 重组技术、原生质体融合技术等应用重组技术、原生质体融合技术等应用 1982，第一个

11、基因工程产品，第一个基因工程产品利用工程菌生产的人利用工程菌生产的人胰岛素问世胰岛素问世 现有许多种类的产品现有许多种类的产品红细胞生成素红细胞生成素 ( 治疗贫血治疗贫血) 生长激素生长激素 ( 促进生长促进生长) 胰岛素胰岛素 (治疗糖尿病治疗糖尿病) 干扰素干扰素 (抗病毒、抗肿瘤抗病毒、抗肿瘤) 医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业基因工程药物、疫苗及抗体产品基因工程药物、疫苗及抗体产品基因工程菌发酵基因工程菌发酵抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂

12、、生物农药、生物肥料等生物农药、生物肥料等第二节 微生物工程的应用领域26一、微生物工程的应用一、微生物工程的应用食品加工：食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等）单细胞蛋白（酵母、真菌等）含醇饮料：含醇饮料：葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌发酵乳制品：发酵乳制品：奶酪、酸奶奶酪、酸奶调味品：调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等味精、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仍占微生物工程的首位1、在食品工业的应用、在食品工业的应用（一）微生物工程应用领域（一）微生物工程

13、应用领域272、在医药卫生中的应用、在医药卫生中的应用 抗生素：抗生素：青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等、新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等 氨基酸：氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内（国内40亿元，占发亿元，占发酵业产值酵业产值12%） 维生素：维生素：VB2 、VB12、Vc、VA、VD等等 生物制品：生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等疫

14、苗等 酶抑制剂：酶抑制剂： 棒酸（可抑制棒酸（可抑制 -内酰胺酶对青霉素的破坏）内酰胺酶对青霉素的破坏） -淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病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胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂283、在轻工业中的应用、在轻工业中的应用糖酶：糖酶： -淀粉酶、淀粉酶、 -淀粉酶、异淀粉酶、木聚糖酶、淀粉酶、异淀粉酶、木聚糖酶、 葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等蛋白酶：蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊）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）酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物） 中性蛋白酶

15、（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）中性蛋白酶（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）果胶酶：果胶酶：果汁果酒澄清果汁果酒澄清脂肪酶：脂肪酶：分解脂肪为脂肪酸和甘油分解脂肪为脂肪酸和甘油凝乳酶：凝乳酶：制干酪制干酪氨基酰化酶、甘露聚糖酶等氨基酰化酶、甘露聚糖酶等294、在化工能源中的应用、在化工能源中的应用醇及溶剂：醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等丁二醇等有机酸：有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等衣康酸、水杨酸等多糖：多糖：黄原胶、海藻糖等黄原胶、海藻糖等清洁能源：清洁能源：氢气、微生物燃料电池

16、等氢气、微生物燃料电池等305、在农业中的应用、在农业中的应用生物农药：生物农药： 杀虫剂（杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫、白僵菌、病毒、微孢子虫） 防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病毒、庆丰霉素）毒、庆丰霉素）生物除草剂：生物除草剂：利用杂草的病原微生物利用杂草的病原微生物生物增产剂：生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等316、在环境保护中的作用、在环境保护中的作用污水处理（厌气法、好气法）污水处理（厌气法、好气法）7、在高技术领域中的应用、在高技术领域中的应用基因工程的各种工具酶等基因工程的各种工具酶等32喷洒

17、工程菌清除石油污染33（二）微生物工程产品类型（二）微生物工程产品类型1、微生物菌体的发酵、微生物菌体的发酵SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）生物防治制剂（如苏云金杆菌）生物防治制剂（如苏云金杆菌）活性乳制剂活性乳制剂细胞的生长与产物的积累成平行关系，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生长速率最大的时期也是产物合成最高阶段342、微生物酶发酵、微生物酶发酵各种酶制剂各种酶制剂糖化酶、氨基酰化酶（糖化酶、氨基酰化酶（DL氨基酸光学拆分）、氨基酸光学拆分）、蛋白酶、脂肪酶等蛋白酶、脂肪酶等353、微生物代谢产物发酵、微生物代谢产

18、物发酵初级代谢产物：初级代谢产物： 与菌体生长相伴随的产物，与菌体生长相伴随的产物， 氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂 菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累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：次级代谢产物： 与菌体生长不相伴随，以初级代谢产物为原料而合成与菌体生长不相伴随，以初级代谢产物为原料而合成 抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等 结构常较复杂对环境条件敏感结构常较复杂对环境条件敏感364、微生物的生物转化、微生物的生物转化 利用微生物细胞的一种或几种酶，对外源化合物的特定利用微生物细胞的一种或几种

19、酶，对外源化合物的特定部位进行加工，如部位进行加工，如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链等。等。 转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞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。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、立体特异性位置特异性、立体特异性375、微生物特殊机能的利用、微生物特殊机能的利用利用微生

20、物消除环境污染利用微生物消除环境污染金属浸沥回收金属浸沥回收利用基因工程菌开拓发酵工程新领域利用基因工程菌开拓发酵工程新领域38二、微生物工程面临的挑战和发展趋向二、微生物工程面临的挑战和发展趋向一）面临的挑战一）面临的挑战1、化学合成工业的竞争、化学合成工业的竞争 有机溶剂，如丙酮丁醇有机溶剂，如丙酮丁醇 发酵法产品所占份额已很少发酵法产品所占份额已很少 当然也有多种原来通过化工合成的产品逐渐被发酵法所当然也有多种原来通过化工合成的产品逐渐被发酵法所取代，如乳酸取代，如乳酸2、农业生物工程的冲击、农业生物工程的冲击 转基因植物中表达生产转基因植物中表达生产 PHB、抗体、药物、植酸酶、抗体、药物、植酸酶（将饲料中的有机磷转变为动物可（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