简明微生物工程 1-1前言课件

1、 微 生 物 工 程授课教师：孙玉一、微生物工程的概念 微生物工程（ Microbial engineering ）是利用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系；是将传统发酵与现代DNA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发酵技术。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)生物技术是21世纪高新技术革命的核心内容，生物技术产业将是21世纪的支柱产业生物技术在迎接人口、资源、能

2、源、食物环境等五大危机的挑战中将大显身手。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 程酶工程酶的大批量生产以及利用酶的催化作用,借助工程技术手段进行物质转化,生产人们所需要产品的技术. 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、生产过程通常在常温常压下进行，操作条件温和，不需考虑防爆问题，一种设备具有多种用途。2、原料以碳水化合物为主，不含有毒物

3、质。3、生产过程是以生命体的自动调节方式进行的，因此多个反应就象一个反应一样，可在单一设备（发酵罐）中进行。4、能容易地生产复杂的高分子化合物，如酶、光学活性体等。5、能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位反应，如氧化、还原、官能团导入等。6、生产产品的生物体本身也是发酵产物，富含维生素、蛋白质、酶等有用物质；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物造成危害。8、通过微生物菌种改良，能够利用原有设备使生产水平飞跃上升。 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。7、发酵生产在操作上最需要注意的是防止杂菌污染。进行设备的冲洗、灭菌、空气过滤等

4、，使全过程在无菌状态下运转，是非常重要的。一旦失败，就要遭受重大损失。特别是噬菌体对发酵的危害更大。二）发酵过程中尚存在的问题：1、底物不能完全转化成目的产物，副产物的产生不可避免，因而造成提取和精制困难，这是目前发酵行业下游操作落后的原因之一。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，虽然价廉，但质量波动较大。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

5、生物发酵技术天然发酵几千年酒 （古埃及 公元前4000 3000年；追溯到 4000年前的龙山文化时期）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 Louis Pasteur 微生物引起发酵；酒精发酵由酵母引起 Eduard Buchner 酒化酶(zymase) Robert Koch 发明了固体培养基；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）青霉素产量改变发展史二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青 霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由 Fleming发现青霉素 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究

6、 表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 40u/ml1943年沉浸培养： 5m3 200u/ml当今：100m3200m3 5-7万u/ml 链霉素、金霉素、新霉素、红霉素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) 2、在医药卫生中的应用 抗生素：12 000余种青霉素、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 氨基酸：可发酵

7、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zh麻脱胶脂肪酶：分解脂肪为脂肪

8、酸和甘油凝乳酶：制干酪氨基酰化酶、甘露聚糖酶等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、磷细菌等生物杀虫剂的种类及应用 微生物杀虫剂种类很多，已发现的有2000多种，按照微生物的分类可分为细菌、真菌、病毒、原生动物和线虫等。目前，国内研究开发应用并形成商品化产品的主要有细菌类杀虫剂、真菌类杀虫剂、病毒类杀虫剂和抗生素类杀虫剂。1 细菌杀虫剂细菌类杀虫剂是国内研究开发较早的生产量最大、应用最广的微生物杀虫剂。目前，研究应用的品种有苏云金杆菌、青虫菌、日本

9、金龟子芽孢杆菌和球形芽孢杆菌，其中苏云金杆菌是最具有代表性的品种。苏云金杆菌(Bt)是一种能产生伴孢晶体毒素，昆虫寄主谱较广的重要昆虫病原菌，是一种胃毒性杀虫剂。大量的试验和实际应用表明，苏云金杆菌对多种农业害虫有不同程度的毒杀作用，这些害虫包括棉铃虫、烟青虫、银纹夜蛾、斜纹夜蛾、甜菜夜蛾、小地老虎、稻纵卷叶螟、玉米螟、小菜蛾和茶毛虫等，对森林害虫松毛虫有较好效果。另外，还可用于防治蚊类幼虫和储粮蛾类害虫。 白僵菌 白僵菌是我国研究时间最长和应用面积最大的真菌杀虫剂。白僵菌的寄主很多，可防治对象有玉米螟、松毛虫、多种金龟子、水稻叶蝉、飞虱、桑天牛、茶小叶蝉、茶毛虫、大豆食心虫和蚜虫等，特别是对

10、玉米螟和松毛虫，已作为常规手段连年使用。 3 病毒杀虫剂 病毒杀虫剂是一类以昆虫为寄主的病毒类群，虽研究开发比细菌杀虫剂晚，但近年来发展迅速。应用比较普遍的有核型多角体病毒(NPV)、颗粒体病毒(GV)和基因工程棒状病毒。我国科技人员经过多年的努力，已开发出多种野生型昆虫病毒复合杀虫剂产品，并实现商品化。利用基因工程技术开发的重组病毒杀虫剂也已进入田间释放阶段。从1993年国内第1个昆虫病毒杀虫剂棉铃虫核型多角体病毒完成产品注册登记至今，已有10几家产品获得登记，包括：棉铃虫、斜纹夜蛾、菜青虫、黄地老虎和茶尺蠖等，年产量约2000t。 4 农用抗生素农用抗生素是我国较早研究开发的微生物农药，但

11、在杀虫抗生素上的研究开发近十几年来才取得了重大突破。阿维菌素是目前已知的最具代表性的抗生素类杀虫剂，以其作为主要成分的复配制剂目前已有80多个品种，该产品杀虫谱广，不易产生抗性，对多种害虫和害螨都具有良好的防效，该产品已成功地实现了产业化。国内完成进入产业化开发的其他品种还有浏阳霉素、杀蚜素、华光霉素、南昌霉素、韶关霉素和梅岭霉素等。目前，我国已登记产品62个，生产企业100多家。5 昆虫病原线虫、微孢子虫这两种杀虫剂研究起步较晚，产品也初步达到实用化程度，但由于产业化生产方法存在一些问题，没有形成规模化生产。产品有小卷蛾线虫，用于防治小菜蛾，蝗虫微孢子虫防治牧草的蛀虫。6、在环境保护中的作用

12、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【麦角科，虫草属真菌】、茯苓（为多孔菌科寄生植物茯苓的干燥菌核） 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（DL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： 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 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： 与菌体生长不相伴随，以初级代谢产物

13、为原料而合成 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4、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部位进行加工，如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链等。 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

14、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）Stigmasterol(豆甾醇 )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

15、学合成工业的竞争 有机溶剂，如丙酮丁醇 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取代，如乳酸2、农业生物工程的冲击 转基因植物中表达生产 PHB(聚羟基丁酸酯,是一种由微生物合成的生物塑料，具有可生物降解特性 和生物配伍性，可广泛用于生物医学材料、环保等领域。) 、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、提取与精制等七、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