微生物资源开发与利用剖析课件.ppt

1,微生物资源的开发利用：（1）微生物（2）发酵工程（3）生物转化（4）环境保护及清洁生产,2,一、微生物及其特点,微生物是微小生物的总称，一般只有借助显微镜才能其进行观察。,微生物,病毒,原核生物：,真细菌、古生菌,真核生物：,真菌（酵母、霉菌、蕈菌等）、单细胞藻类、原生动物等,3,微生物既是人类的敌人，更是人类的朋友！,1.人类时时刻刻与微生物“共存”。是 祸？是 福？,在近代科学中，对人类福利最大的一门科学算是微生物学了。微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分。但微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来“残忍”的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。,4,（1）1664年，英国人虎克（Robert Hooke）曾用原始的显微镜对生长在皮革表面及蔷薇枯叶上的霉菌进行观察。,2.微生物的发现和微生物学的建立与发展,5,1676年，微生物学的先驱荷兰人列文虎克（Antony van leeuwenhoek）首次观察到了细菌。他没有上过大学，是一个只会荷兰语的小商人，但却在1680年被选为英国皇家学会的会员。,6,（2）微生物学的奠基,法国人巴斯德（Louis Pasteur）（18221895）,德国人柯赫（Robert Koch）（18431910）,7,微生物学的奠基,巴斯德,(1)发现并证实发酵是由微生物引起的；,(2)彻底否定了“自然发生”学说；,化学家出生的巴斯德涉足微生物学是为了治疗“酒病”和“蚕病”,著名的曲颈瓶试验无可辩驳地证实，空气内确实含有微生物，是它们引起有机质的腐败。,(3)免疫学预防接种,首次制成狂犬疫苗,(4)其他贡献,巴斯德消毒法：6065作短时间加热处理，杀死有害微生物,8,柯赫,a）细菌纯培养方法的建立,土豆切面 营养明胶 营养琼脂（平皿）,（1）微生物学基本操作技术方面的贡献,b）设计了各种培养基，实现了在实验室内对各种微生物的培养,c）流动蒸汽灭菌,d）染色观察和显微摄影,9,（2）对病原细菌的研究作出了突出的贡献：,a）具体证实了炭疽杆菌是炭疽病的病原菌；,b）发现了肺结核病的病原菌；（1905年获诺贝尔奖）,c）证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则 著名的柯赫原则,1、在每一相同病例中都出现这种微生物；2、要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中培养出来；3、用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会 重复发生；4、从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。,10,3.微生物的特点,个体小、结构简、胃口大、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、变异易、抗性强,11,食谱广：,微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！,纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食,12,繁殖快：,24小时后：4722366500万亿个后代，重量达到：4722吨48小时后：2.2 10 43个后代，重量达到2.2 10 25 吨,相当于4000个地球的重量！,大肠杆菌一个细胞重约10 12 克，平均20分钟繁殖一代,一头500 kg的食用公牛，24小时生产 0.5 kg蛋白质,而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产 50000 kg优质蛋白质。,13,易培养：,很多微生物都可以非常方便地进行人工培养！,数量大：,在自然界中（土壤、水体、空气，动植物体内和体表）都生存有大量的微生物！,14,变异易：,个体小、结构简、且多与外界环境直接接触繁殖快、数量多,短时间内产生大量的变异后代,突变率：10-5 10-10,15,抗（逆）性强：,抗热：有的细菌能在265个大气压，250 的条件下生长；自然界中细菌生长的最高温度可以达到113；有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死,抗寒：有些微生物可以在12 30的低温生长,抗酸碱：细菌能耐受并生长的pH范围：pH 0.5 13,耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl,32%)中 都有微生物生长,抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长,16,4.新世纪的微生物学,20世纪40年代后，微生物自身的特点使其成为生物学研究的“明星”，微生物学很快与生物学主流汇合，并被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，在生命科学的发展中作出了巨大的贡献。,微生物学与生物学发展的主流汇合、交叉，获得了全面、深入的发展,17,1微生物自身的特点（共性和特性）将会更加受到关注和利用其中：,以微生物为研究材料继续对一些基本生命现象进行研究；,微生物产业的开发；,重要致病菌的特点及其防治；,极端环境的微生物的研究；,共性：微生物具有其他生物共有的基本生物学特性：生长、繁殖、代谢、共用一套遗传密码等，甚至其基因组 上含有与高等生物同源的基因，充分反映了生物高 度的统一性。特性：微生物具有其它生物不具备的生物学特性，例如可在 其他生物无法生存的极端环境下生存和繁殖，具有其 他生物不具备的代谢途径和功能，反映了微生物极其 丰富的多样性。,微生物自身特性的进一步开发、利用：例如降解性塑料，分解纤维素、生产单细胞蛋白等。借助（利用）微生物特点的基因工程产业：利用微生物生产药物、疫苗等。,18,二、发酵工程,发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。,19,Fermentation engineering,上游工程UPSTREAM PROCESSES,下游工程DOWNSTREAM PROCESSES,发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成：上游工程、发酵工程、下游工程,20,UPSTREAM PROCESSES-菌种-菌种扩大培养 培养基配制 灭菌-接种,上游工程,Fermentation engineering,21,DOWNSTREAM PROCESSES-产品分离提纯-废物处理 副产物回收利用,下游工程,发酵工程,22,发酵工程技术,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(1)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干燥无菌空气的空气过滤技术；(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算 机控制技术；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。,23,(4)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更大规模生产的动力学模型。(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。,24,1、发酵的定义,（1）、传统发酵（2）、生化和生理学意义的发酵（3）、工业上的发酵,25,（2）、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生酒精并放出CO2。,（1）、传统发酵,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，或者是指酒的生产过程。,26,（3）、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。包括：1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,27,适宜的微生物保证或控制微生物进行代谢的各种条件进行微生物发酵的设备精制成产品的方法的设备,（2）获得发酵产品的条件,2、发酵工业,（1）定义：是指利用生物的生命活动产生的酶对无机或有机原料进行生物加工获得产品；或通过培养生物获得次级代谢产物的工业。,28,3、发酵工业的范围,（1）、以微生物细胞为产物的发酵工业（2）、以微生物代谢产物为产品的发酵工业（3）、以微生物酶为产品的发酵工业（4）、生物转化或修饰化合物的发酵工业（5）、微生物废水处理和其他,29,微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂,1、生产微生物细胞物质,定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。,2、微生物酶发酵,酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类：胞内酶 和胞外酶生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。,3、微生物代谢产物发酵,包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。,4、微生物的生物转化,定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。,5、微生物特殊机能的利用,利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。,35,发酵工业简介发酵食品有机酸氨基酸核酸类物质酶制剂医药工业（抗生素）饲料工业（单细胞蛋白环境工程（废物处理）其它（冶金工业）,Fermentation Industry Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical(Antibiotics)Feedstuff(eg.SCP)Environmental Application(Waste Treatment)Others(eg.Metallurgical industry),4、发酵工业的特征,发酵过程中离不开微生物的作用1、发酵原料的选择及预处理2、微生物菌种的选育及扩大培养3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种子扩大培养和发酵采用不同的工艺。4、发酵产物的分离提取5、发酵废物的回收和利用,(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。(2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。,(3)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件简单。(4)发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在无菌条件下进行。(5)由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。,(6)发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。(7)工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显著的经济效益。(8)除利用微生物本身外，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。,5、发酵方法的类别与流程,1、类别：根据对氧的需要区分：厌氧和有氧发酵 根据培养基物理性状区分：液体和固体发酵 根据从微生物生长特性区分：分批发酵和连续发酵,2、发酵的流程,空气,空气净化处理,保藏菌种,斜面活化,扩大培养,种子罐,主发酵,碳源、氮源、无机盐等营养物质,灭菌,产物分离纯化,成品,3.工业发酵步骤和工艺流程,(1)用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制(2)培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3)将已培养好的有活性的纯菌株以一定量接到发酵罐中(4)将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形 成代谢产物(5)将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品(6)回收或处理发酵过程中产生的废物和废水,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,发酵原料的预处理,原料不同处理方法也有所差异。1.淀粉利用前需变成糊精或葡萄糖 方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法 2.糖蜜加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐 3.植物纤维原料酸碱法、蒸汽爆破法、酶法 3.碳氢化合物：石油脱蜡一定馏分的石油经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10的油，加入适量无机盐进行接种发酵,菌种斜面培养,菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种方法：一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于种子扩大培养。,种子扩大培养,扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体培养两级不同方式。固体种子扩大培养一般采用传统的制曲工艺，一般先用克氏瓶进行扩大，再转接到曲盘扩大培养。需氧微生物：将克氏瓶表面培养的菌种接到装有液体培养基的三角瓶中，在摇床上振荡培养。厌氧微生物：将有菌种的试管斜面或克氏瓶转接到三角瓶液体培养基中静置培养。,微生物发酵和控制,发酵方式可分为固体发酵和液体发酵两种。固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。影响发酵的因素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必须适当地控制影响发酵的各种条件，掌握发酵的动态，并进行杂菌的检查和产物测定，使整个发酵过程顺利进行。,发酵产物的分离提取,利用菌体：离心沉淀或板框压滤法使菌体与醪液分开，也可以用喷雾干燥法直接做成粉剂。酒精发酵醪蒸馏塔蒸馏；抗菌素及有机酸根据产物的不同特性，采用离子交换树脂吸附处理、脱色过滤、减压浓缩等方法提取精制。获得的产物都要按照有关部门制定的国家标准进行质量检验和性能测定，符合要求后才为合格产品。,6、发酵工业的意义与展望,利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种固定化技术广泛应用开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸等次级代谢产物将生物技术理广泛地用于环境工程,