微生物工程课件

第5章微生物工程第五章微生物工程课件1第5章微生物工程第5章微生物工程2常见的工业微生物2微生物育种技术3微生物工程的发展史1第5章微生物工程微生物的营养和生长4发酵工业的生产流程5生物反应器和反应动力学6微生物发酵产品7资源和能源领域中的微生物工程8常见的工业微生物2微生物育种技术3微生物工程的发展史1第5章35.1微生物工程的发展史5.1微生物工程的发展史45.1微生物工程的发展史12显微镜与微生物的发现微生物与发酵3微生物纯种培养技术4丙酮/丁醇发酵和甘油发酵5青霉素的发现与青霉素发酵的工业化6微生物工程的发展12显微镜与微生物的发现微生物与发酵3微生物纯种培养技术4丙55.1.1、显微镜与微生物的发现显微镜的发明是人类认识微生物,并最终将发酵与微生物联系起来的基础。5.1.1、显微镜与微生物的发现显微镜的发明是人类认识微生物65.1.1、显微镜与微生物的发现5.1.1、显微镜与微生物的发现75.1.2、微生物与发酵5.1.2、微生物与发酵85.1.3、微生物纯种培养技术在自然环境中，一种微生物常常和其他微生物互相混杂在一起生活。为了培养纯的某种微生物，首先就必须先将特定的微生物从它的自然生存环境中分离出来，然后转移到事先经过灭菌的纯净的培养基上进行培养。5.1.3、微生物纯种培养技术在自然环境中，一种微生物常常和95.1.4、丙酮/丁醇发酵和甘油发酵甘油发酵和丙酮/丁醇发酵都是典型的厌氧发酵，无论是发酵工艺还是设备都比较简单，不涉及太复杂的工程问题。5.1.4、丙酮/丁醇发酵和甘油发酵甘油发酵和丙酮/丁醇发酵10

5.1.5、青霉素的发现与青霉素发酵的工业化生物化学家对青霉素发酵工业化的贡献是他们深入研究了青霉素的代谢途径和它的抗菌机理，在代谢机理的研究成果启发下，人们发现，加入青霉素合成的前体可以大大提高青霉素的产量。

5.1.5、青霉素的发现与青霉素发酵的工业化生物化学家对青11

5.1.5、青霉素的发现与青霉素发酵的工业化

5.1.5、青霉素的发现与青霉素发酵的工业化125.1.6、微生物工程的发展青霉素发酵的工业化使人们逐渐掌握了从自然环境中筛选有用微生物的技术、微生物诱变育种技术、好氧发酵技术和发酵产物的分离提纯技术。5.1.6、微生物工程的发展青霉素发酵的工业化使人们逐渐掌握135.2常见的工业微生物12细菌放线菌3酵母4霉菌12细菌放线菌3酵母4霉菌145.2.1、细菌细菌是单细胞原核生物，个体极小，没有成型的细胞核，一般以典型的“一分为二”的裂殖方式繁殖。球菌按其细胞排列方式又可进一步分为单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌和链球菌等。5.2.1、细菌细菌是单细胞原核生物，个体极小，没有成型的细155.2.1、细菌5.2.1、细菌165.2.1、细菌5.2.1、细菌175.2.1、细菌5.2.1、细菌185.2.1、细菌5.2.1、细菌195.2.1、细菌5.2.1、细菌205.2.1、细菌5.2.1、细菌215.2.1、细菌5.2.1、细菌225.2.1、细菌5.2.1、细菌235.2.2、放线菌5.2.2、放线菌245.2.2、放线菌5.2.2、放线菌255.2.3、酵母5.2.3、酵母265.2.3、酵母5.2.3、酵母275.2.3酵母第五章微生物工程课件285.2.4、霉菌霉菌是一类比酵母更高级也更复杂的小型丝状真菌5.2.4、霉菌霉菌是一类比酵母更高级也更复杂的小型丝状真菌295.2.4、霉菌5.2.4、霉菌305.2.4、霉菌5.2.4、霉菌315.2.4、霉菌5.2.4、霉菌325.3微生物育种技术12诱变育种代谢工程育种3DNA重排与基因组重排育种12诱变育种代谢工程育种3DNA重排与基因组重排育种335.3.1、诱变育种诱变育种是最常见的微生物育种技术，在发酵工业的发展过程中做出了重大的贡献，而且至今仍被广泛使用。微生物在自然状态下也会以极低的频率发生突变，因而在微生物传代的过程中，从大量的子代菌株里偶然也能筛选得到生产性能改善的高产菌株!这个过程称为自然选育。5.3.1、诱变育种诱变育种是最常见的微生物育种技术，在发酵345.3.1、诱变育种5.3.1、诱变育种355.3.1、诱变育种5.3.1、诱变育种365.3.1、诱变育种5.3.1、诱变育种375.3.1、诱变育种5.3.1、诱变育种38

5.3.2、代谢工程育种

代谢工程，又称代谢途径工程或途径工程，是基于代谢流分析和基因重组技术改善菌株遗传性状的一种先进的工程技术。代谢工程可以在对细胞的整个代谢网络的代谢流进行定性、定量分析的基础上，找出制约目标产物积累的关键酶催化反应，并利用基因重组技术直接对代谢途径中的关键酶进行修饰。

5.3.2、代谢工程育种

代谢工程，又称代谢途径工程或途径395.3.3、DNA重排与基因组重排育种5.3.3、DNA重排与基因组重排育种40

5.4、微生物的营养和生长

微生物细胞由多种不同的元素组成。

5.4、微生物的营养和生长

微生物细胞由多种不同的元素组成41

5.4、微生物的营养和生长

5.4、微生物的营养和生长

425.5发酵工业的生产流程第五章微生物工程课件435.5发酵工业的生产流程12原料预处理发酵培养基的配制和灭菌3无菌空气制备4微生物种子的制备5发酵过程的操作方式6发酵产品及其分离提纯工艺12原料预处理发酵培养基的配制和灭菌3无菌空气制备4微生物种44

5.5.1、原料预处理

对于很多不能直接利用淀粉或者直接利用淀粉效率不高的微生物，发酵前还需要将淀粉质原料水解为葡萄糖。除碳源外，微生物的生长还需要氮源、磷、硫及许多金属元素。

5.5.1、原料预处理

对于很多不能直接利用淀粉或者直接利45

5.5.2、发酵培养基的配制和灭菌

工业上应用的发酵培养基大多数是液体培养基。液体培养基的配制是根据不同微生物的营养要求，将适量的各种原料溶解在水中，或者与水充分混合制成悬浮液。

5.5.2、发酵培养基的配制和灭菌

工业上应用的发酵培养基46

5.5.3、无菌空气制备

好氧微生物的生长和产物生成过程都需要氧气，一般都采用空气作为氧气的来源。工业上空气除菌的过程比较复杂，为了保证生产过程的稳定，往往需要高空采风、经空气压缩机加压后采用加热灭菌和过滤等各种手段灭菌。

5.5.3、无菌空气制备

好氧微生物的生长和产物生成过程都47

5.5.4、微生物种子的制备

5.5.4、微生物种子的制备

48

5.5.5、发酵过程的操作方式

5.5.5、发酵过程的操作方式

49

5.5.5、发酵过程的操作方式

5.5.5、发酵过程的操作方式

50

5.5.6、无菌空气制备

5.5.6、无菌空气制备

515.6生物反应器和反应动力学12搅拌罐鼓泡塔3气升式反应器4流化床反应器和填充床反应器5发酵过程的检测和控制6发酵过程动力学和传质12搅拌罐鼓泡塔3气升式反应器4流化床反应器和填充床反应器552

5.6.1、搅拌罐

搅拌罐是发酵工业最常用的反应器形式

5.6.1、搅拌罐

搅拌罐是发酵工业最常用的反应器形式53

5.6.2、鼓泡塔

5.6.2、鼓泡塔

54

5.6.3、气升式反应器

5.6.3、气升式反应器

55

5.6.4、流化床反应器和填充床反应器

5.6.4、流化床反应器和填充床反应器

56

5.6.5、发酵过程的检测和控制

①过程参数的测量与操作变量的调节②过程的模型化与控制策略

5.6.5、发酵过程的检测和控制

①过程参数的测量与操作变57

5.6.6、发酵过程动力学和传质

（1）生物反应是一个多相体系

5.6.6、发酵过程动力学和传质

（1）生物反应是一个多相58

5.6.6、发酵过程动力学和传质

（2）生物反应是一个多组分体系（3）生物反应是典型的多尺度问题（4）生物反应是一个动态问题

5.6.6、发酵过程动力学和传质

（2）生物反应是一个多组595.7微生物发酵产品12大宗及精细化学产品有机酸、氨基酸及其他食品添加剂3酶制剂4医药及检测试剂5农用和兽用生物制品6由微生物发酵生产的多糖和聚羟基链烷酸12大宗及精细化学产品有机酸、氨基酸及其他食品添加剂3酶制剂605.7.1、大宗及精细化学产品乙醇既可以从石油化工获得，也可以由酿酒酵母或运动发酵细菌从葡萄糖、淀粉或纤维素水解物、糖蜜等发酵产生。除了乙醇外，乳酸也具有作为大宗化工产品的前景。5.7.1、大宗及精细化学产品乙醇既可以从石油化工获得，也可61

5.7.2、有机酸、氨基酸及其他食品添加剂5.7.2.1有机酸5.7.2.2氨基酸

5.7.2、有机酸、氨基酸及其他食品添加剂5.7.2.162

5.7.2、有机酸、氨基酸及其他食品添加剂5.7.2.3核酸核苷酸是组成核糖核酸的单体，也有一些核苷酸不包括在核酸的序列中，而是在细胞中担负着其他一些重要使命。5.7.2.4维生素

5.7.2、有机酸、氨基酸及其他食品添加剂5.7.2.3635.7.3、酶制剂很多工业酶制剂都是利用微生物发酵生产的，其中产量最大的是水解酶类。5.7.3、酶制剂很多工业酶制剂都是利用微生物发酵生产的，其645.7.4、医药及检测试剂微生物次级代谢物对我们的健康和营养起着十分重要的作用。5.7.4、医药及检测试剂微生物次级代谢物对我们的健康和营养655.7.5、农用和兽用生物制品微生物代谢产物的另一重要用途是农业和畜牧业。一些微生物的次级代谢产物已经广泛用于农牧渔业。酶在农牧业中的应用也已经引起人们的注意。5.7.5、农用和兽用生物制品微生物代谢产物的另一重要用途是66

5.7.6、由微生物发酵生产的多糖和聚羟基链烷酸

5.7.6、由微生物发酵生产的多糖和聚羟基链烷酸67

5.7.6、由微生物发酵生产的多糖和聚羟基链烷酸

5.7.6、由微生物发酵生产的多糖和聚羟基链烷酸685.8资源和能源领域中的微生物工程12微生物冶金磷矿的微生物处理3微生物与石油资源的开采和利用4从生物量到能源12微生物冶金磷矿的微生物处理3微生物与石油资源的开采和利用695.8.1、微生物冶金微生物冶金是利用微生物的催化作用将矿物中的金属氧化，以离子的形式溶解到浸出液中加以回收的过程，由于冶金过程是在水溶液中进行的，因而属于湿法冶金，又称为微生物湿法冶金。5.8.1、微生物冶金微生物冶金是利用微生物的催化作用将矿物705.8.2、磷矿的微生物处理可以将磷矿粉和培养基混在一起，利用微生物发酵过程将磷矿粉中的不溶性磷转化为可溶性磷，然后将这些可溶性磷和发酵产生的大量微生物一起作为高效的复合磷肥使用。5.8.2、磷矿的微生物处理可以将磷矿粉和培养基混在一起，利71

5.8.3、微生物与石油资源的开采和利用一般认为，石油是深埋在地下的古代动植物和微生物的残体，在地层深处的压力和温度下经受漫长的演变而形成的。微生物采油技术又可分为地上微生物采油技术和地下微生物采油技术。

5.8.3、微生物与石油资源的开采和利用一般认为，石油是深725.8.4、从生物量到能源生物量是指单位面积或体积内生物体的质量，在资源领域，也指所有通过光合作用转化而成的有机物。生物量中最丰富的是植物纤维。5.8.4、从生物量到能源生物量是指单位面积或体积内生物体的73ThankyouThankyou74第5章微生物工程第五章微生物工程课件75第5章微生物工程第5章微生物工程76常见的工业微生物2微生物育种技术3微生物工程的发展史1第5章微生物工程微生物的营养和生长4发酵工业的生产流程5生物反应器和反应动力学6微生物发酵产品7资源和能源领域中的微生物工程8常见的工业微生物2微生物育种技术3微生物工程的发展史1第5章775.1微生物工程的发展史5.1微生物工程的发展史785.1微生物工程的发展史12显微镜与微生物的发现微生物与发酵3微生物纯种培养技术4丙酮/丁醇发酵和甘油发酵5青霉素的发现与青霉素发酵的工业化6微生物工程的发展12显微镜与微生物的发现微生物与发酵3微生物纯种培养技术4丙795.1.1、显微镜与微生物的发现显微镜的发明是人类认识微生物,并最终将发酵与微生物联系起来的基础。5.1.1、显微镜与微生物的发现显微镜的发明是人类认识微生物805.1.1、显微镜与微生物的发现5.1.1、显微镜与微生物的发现815.1.2、微生物与发酵5.1.2、微生物与发酵825.1.3、微生物纯种培养技术在自然环境中，一种微生物常常和其他微生物互相混杂在一起生活。为了培养纯的某种微生物，首先就必须先将特定的微生物从它的自然生存环境中分离出来，然后转移到事先经过灭菌的纯净的培养基上进行培养。5.1.3、微生物纯种培养技术在自然环境中，一种微生物常常和835.1.4、丙酮/丁醇发酵和甘油发酵甘油发酵和丙酮/丁醇发酵都是典型的厌氧发酵，无论是发酵工艺还是设备都比较简单，不涉及太复杂的工程问题。5.1.4、丙酮/丁醇发酵和甘油发酵甘油发酵和丙酮/丁醇发酵84

5.1.5、青霉素的发现与青霉素发酵的工业化生物化学家对青霉素发酵工业化的贡献是他们深入研究了青霉素的代谢途径和它的抗菌机理，在代谢机理的研究成果启发下，人们发现，加入青霉素合成的前体可以大大提高青霉素的产量。

5.1.5、青霉素的发现与青霉素发酵的工业化生物化学家对青85

5.1.5、青霉素的发现与青霉素发酵的工业化

5.1.5、青霉素的发现与青霉素发酵的工业化865.1.6、微生物工程的发展青霉素发酵的工业化使人们逐渐掌握了从自然环境中筛选有用微生物的技术、微生物诱变育种技术、好氧发酵技术和发酵产物的分离提纯技术。5.1.6、微生物工程的发展青霉素发酵的工业化使人们逐渐掌握875.2常见的工业微生物12细菌放线菌3酵母4霉菌12细菌放线菌3酵母4霉菌885.2.1、细菌细菌是单细胞原核生物，个体极小，没有成型的细胞核，一般以典型的“一分为二”的裂殖方式繁殖。球菌按其细胞排列方式又可进一步分为单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌和链球菌等。5.2.1、细菌细菌是单细胞原核生物，个体极小，没有成型的细895.2.1、细菌5.2.1、细菌905.2.1、细菌5.2.1、细菌915.2.1、细菌5.2.1、细菌925.2.1、细菌5.2.1、细菌935.2.1、细菌5.2.1、细菌945.2.1、细菌5.2.1、细菌955.2.1、细菌5.2.1、细菌965.2.1、细菌5.2.1、细菌975.2.2、放线菌5.2.2、放线菌985.2.2、放线菌5.2.2、放线菌995.2.3、酵母5.2.3、酵母1005.2.3、酵母5.2.3、酵母1015.2.3酵母第五章微生物工程课件1025.2.4、霉菌霉菌是一类比酵母更高级也更复杂的小型丝状真菌5.2.4、霉菌霉菌是一类比酵母更高级也更复杂的小型丝状真菌1035.2.4、霉菌5.2.4、霉菌1045.2.4、霉菌5.2.4、霉菌1055.2.4、霉菌5.2.4、霉菌1065.3微生物育种技术12诱变育种代谢工程育种3DNA重排与基因组重排育种12诱变育种代谢工程育种3DNA重排与基因组重排育种1075.3.1、诱变育种诱变育种是最常见的微生物育种技术，在发酵工业的发展过程中做出了重大的贡献，而且至今仍被广泛使用。微生物在自然状态下也会以极低的频率发生突变，因而在微生物传代的过程中，从大量的子代菌株里偶然也能筛选得到生产性能改善的高产菌株!这个过程称为自然选育。5.3.1、诱变育种诱变育种是最常见的微生物育种技术，在发酵1085.3.1、诱变育种5.3.1、诱变育种1095.3.1、诱变育种5.3.1、诱变育种1105.3.1、诱变育种5.3.1、诱变育种1115.3.1、诱变育种5.3.1、诱变育种112

5.3.2、代谢工程育种

代谢工程，又称代谢途径工程或途径工程，是基于代谢流分析和基因重组技术改善菌株遗传性状的一种先进的工程技术。代谢工程可以在对细胞的整个代谢网络的代谢流进行定性、定量分析的基础上，找出制约目标产物积累的关键酶催化反应，并利用基因重组技术直接对代谢途径中的关键酶进行修饰。

5.3.2、代谢工程育种

代谢工程，又称代谢途径工程或途径1135.3.3、DNA重排与基因组重排育种5.3.3、DNA重排与基因组重排育种114

5.4、微生物的营养和生长

微生物细胞由多种不同的元素组成。

5.4、微生物的营养和生长

微生物细胞由多种不同的元素组成115

5.4、微生物的营养和生长

5.4、微生物的营养和生长

1165.5发酵工业的生产流程第五章微生物工程课件1175.5发酵工业的生产流程12原料预处理发酵培养基的配制和灭菌3无菌空气制备4微生物种子的制备5发酵过程的操作方式6发酵产品及其分离提纯工艺12原料预处理发酵培养基的配制和灭菌3无菌空气制备4微生物种118

5.5.1、原料预处理

对于很多不能直接利用淀粉或者直接利用淀粉效率不高的微生物，发酵前还需要将淀粉质原料水解为葡萄糖。除碳源外，微生物的生长还需要氮源、磷、硫及许多金属元素。

5.5.1、原料预处理

对于很多不能直接利用淀粉或者直接利119

5.5.2、发酵培养基的配制和灭菌

工业上应用的发酵培养基大多数是液体培养基。液体培养基的配制是根据不同微生物的营养要求，将适量的各种原料溶解在水中，或者与水充分混合制成悬浮液。

5.5.2、发酵培养基的配制和灭菌

工业上应用的发酵培养基120

5.5.3、无菌空气制备

好氧微生物的生长和产物生成过程都需要氧气，一般都采用空气作为氧气的来源。工业上空气除菌的过程比较复杂，为了保证生产过程的稳定，往往需要高空采风、经空气压缩机加压后采用加热灭菌和过滤等各种手段灭菌。

5.5.3、无菌空气制备

好氧微生物的生长和产物生成过程都121

5.5.4、微生物种子的制备

5.5.4、微生物种子的制备

122

5.5.5、发酵过程的操作方式

5.5.5、发酵过程的操作方式

123

5.5.5、发酵过程的操作方式

5.5.5、发酵过程的操作方式

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5.5.6、无菌空气制备

5.5.6、无菌空气制备

1255.6生物反应器和反应动力学12搅拌罐鼓泡塔3气升式反应器4流化床反应器和填充床反应器5发酵过程的检测和控制6发酵过程动力学和传质12搅拌罐鼓泡塔3气升式反应器4流化床反应器和填充床反应器5126

5.6.1、搅拌罐

搅拌罐是发酵工业最常用的反应器形式

5.6.1、搅拌罐

搅拌罐是发酵工业最常用的反应器形式127

5.6.2、鼓泡塔

5.6.2、鼓泡塔

128

5.6.3、气升式反应器

5.6.3、气升式反应器

129

5.6.4、流化床反应器和填充床反应器

5.6.4、流化床反应器和填充床反应器

130

5.6.5、发酵过程的检测和控制

①过程参数的测量与操作变量的调节②过程的模型化与控制策略

5.6.5、发酵过程的检测和控制

①过程参数的测量与操作变131

5.6.6、发酵过程动力学和传质

（1）生物反应是一个多相体系

5.6.6、发酵过程动力学和传质

（1）生物反应是一个多相132

5.6.6、发酵过程动力学和传质

（2）生物反应是一个多组分体系（3）生物反应是典型的多尺度问题（4）生物反应是一个动态问题

5.6.6、发酵过程动力学和传质

（2）生物反应是一个多组1335.7微生物发酵产品12大宗及精细化学产品有机酸、氨基酸及其他食品添加剂3酶制剂4医药及检测试剂5农用和兽用生物制品6由微生物发酵生产的多糖和聚羟基链烷酸12大宗及精细化学产品有机酸、氨基酸及其他食品添加剂3酶制剂1345.7.1、大宗及精细化学产品乙醇既可以从石油化工获得，也可以由酿酒酵母或运动发酵细菌从葡萄糖、淀粉或纤维素水解物、糖蜜等发酵产生。除了乙醇外，乳酸也具有作为大宗化工产品的前景。5.7.1、大宗及精细化学产品乙醇既可以从石油化工获得，也可135

5.7.2、有机酸、氨基酸及其他食品添加剂5.7.2.1有机酸5.7.2.2氨基酸

5.7.2、有机酸、氨基酸及其他食品添加剂5.7.2.1136

5.7.2、有机酸、氨基酸及其他食品添加剂5.7.2.3核酸核苷酸是组成核糖核酸的单体，也有一些核苷酸不包括在核酸的序列中，而是在细胞中担负着其他一些重要使命。5.7.2.4维生素

5.7.2、有机酸、氨基酸及其他食品添加剂5.7.2.31375