简明微生物工程 1-1前言

微生物工程授课教师：孙玉unyuying125@163.com

绪论一、微生物工程的概念

微生物工程（Microbialengineering）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基因工程基因工程（geneengineering），又称为重组DNA技术，是按着人们的科研或生产需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质（DNA片段），在体外切割，拼接形成重组DNA,然后将重组DNA与载体的遗传物质重新组合，再将其引入到没有该DNA的受体细胞中，进行复制和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并使之稳定地遗传给下一代。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.细胞工程是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。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。完整的微生物工程应该包括从投入原料到最终产品获得的整个过程。微生物工程学就是要研究和解决在这整个过程中的工艺和设备问题，将实验室和中型试验所取得的成果迅速扩大到工业化生产中去。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，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

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）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(扁瓶，湿麸皮)，效价40U/mL，纯度20%，收率30%深层培养技术

——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：100m3─200m3───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)

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[zhù]

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：微生物燃料电池（可以生产氢气）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。真菌杀虫剂

真菌杀虫剂是一类寄生谱较广的昆虫病原真菌，是一种触杀性微生物杀虫剂。目前，研究利用的主要种类有：白僵菌、绿僵菌、拟青霉、座壳孢菌和轮枝菌。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