微生物工程概论课件.ppt

微生物工程Microorganism Engineering绪论,College of biotechnology Southern Medical University,课时安排总课时 64理论 40实验 24,成绩评定考试成绩 80平时成绩 20,本章节的主要内容,什么是微生物工程包括哪些内容？微生物工程的发展经历了哪几个阶段？微生物工程的产品包括哪些类型？微生物工程有哪些特点？微生物工程有哪些应用领域？微生物工程的发展前景如何？,什么是发酵？1857年法国化学家、微生物学家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”,基本概念,1.传统的发酵：是指酒的生产过程。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。3.工业上的发酵：是指在有氧或无氧条件下利用微生物制造或生产某些产品的过程。,微生物工程的基本概念,利用微生物的特定性状和机能，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基因工程、细胞工程、代谢工程、生物信息工程和计算机控制等新技术结合并迅速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。,微生物工程的组成,微生物细胞是发酵工厂最重要的机器,微生物细胞机器的工作模式,Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation,微生物工程-工业生物技术的核心,借助于微生物进行产品开发或环境改造是微生物工程 的基本内容和目标，基于生物学知识、又依托工程概念，涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题，解决的是生物技术产业化进程中的关键问题，为人类社会带来巨大经济和社会效益。,微生物工程研究的主要内容,上游工程UPSTREAM PROCESSES,下游工程DOWNSTREAM PROCESSES,Fermentation engineering,UPSTREAM PROCESSES-genetics,cell-inoculum development media formulation sterilization-inoculation,DOWNSTREAM PROCESSES-product extraction,purification&assay-waste treatmentby product recovery,菌种的选育培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种发酵过程产品的分离提纯等,微生物发酵生产流程,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；龙山文化4200年）啤酒、黄酒、酱油、泡菜等,特点：只知现象，不知本质,2、第一代微生物发酵技术 纯培养技术,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。,荷兰人列文虎克（Antonyvan leeuwenhoek）,2、第一代微生物发酵技术 纯培养技术,1857年，Louis Pasteur 微生物引起发酵；酒精发酵由酵母引起,法国人巴斯德（Louis Pasteur）（18221895）,2、第一代微生物发酵技术 纯培养技术,1905年，Robert Koch 因其关于肺结核的出色工作获得了诺贝尔奖。发明了固体培养基；建立了纯培养技术 实现人为控制发酵过程,德国人柯赫（Robert Koch）（18431910）,2、第一代微生物发酵技术 纯培养技术,特点：天然发酵向纯种发酵转变(第一次技术转折)主要产品：酒精、丙酮、丁醇、甘油（主要是厌氧发酵；初级代谢产物）,3、第二代微生物发酵技术 深层培养技术,1928年9月15日，亚历山大弗莱明发现了青霉素，这使他在全世界赢得了25个名誉学位、15个城市的荣誉市民称号以及其他140多项荣誉，其中包括诺贝尔医学奖。,3、第二代微生物发酵技术 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（效价40U/mL，纯度20%，收率30%）深层培养技术（机械搅拌通气发酵）（效价90000U/mL，纯度99.9%，收率90%）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,4、第三代微生物发酵技术 代谢调控技术,石油发酵阶段石蜡、醋酸、甲醇为原料生产微生物细胞作为饲料蛋白质大规模、连续化、自动化的开始,微生物化学、微生物生理学以及微生物遗传学1956年，日本利用生物素缺陷型菌株进行谷氨酸 发酵生产。由氨基酸发酵开始了代谢控制发酵。,5、第四代发酵技术基因工程技术,1972，DNA 重组技术、原生质体融合技术等应用1977，美国 激素释放抑制因子1978，利用工程菌生产的人胰岛素问世1982，我国开始自主生产基因工程胰岛素,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),微生物工程产品类型,1.微生物代谢产物发酵,2、微生物菌体的发酵,3、微生物的生物转化,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,1.微生物代谢产物发酵,初级代谢产物primary metabolite,是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。通过初级代谢，能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或为生长提供能量，因此初级代谢产物，通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止，重则导致机体发生突变或死亡，是一种基本代谢类型。,次级代谢产物secondary metabolite,是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如抗生素、毒素、激素、色素等。不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同，他们可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。,2、微生物菌体的发酵,SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）生物防治制剂（如苏云金杆菌）活性乳酸菌制剂、食用和药用酵母,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,3、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,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）,甾体转化,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,可地松（Cortisone）,豆甾醇（Stigmasterol）,含环戊烷多氢菲核的化合物,可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主要因在甾体母核11位上导入一氧原子,微生物工程的特点,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。,微生物工程的特点,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。,4、能容易地生产复杂的高分子化合物，如酶、光学活性体等,发酵过程中尚存在的问题：,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。,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。,发酵过程中尚存在的问题：,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。,生化需氧量是一种环境监测指标，主要用于监测水体中有机物的污染状况。一般有机物都可以被微生物所分解，但微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧，如果水中的溶解氧不足以供给微生物的需要，水体就处于污染状态。,BOD（Biochemical Oxygen Demand）,化学需氧量是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。水样在一定条件下，以氧化1升水样中还原性物质所消耗的氧化剂的量为指标，折算成每升水样全部被氧化后，需要的氧的毫克数，以mg/L表示。它反映了水中受还原性物质污染的程度。该指标也作为有机物相对含量的综合指标之一。,COD（ChemicalOxygen Demand）,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,目前我国味精产量居世界第一位，柠檬酸的产量和出口量都居世界首位，淀粉糖的产量也居世界前列，还有酶制剂、酵母以及其他发酵制品也都有非常大的发展，我国已经是发酵工业大国。,Louis Pasteur，法国微生物学家和化学家。Alexander Fleming，英国细菌学家。Selman Abraham Waksman，美国抗生素之父。,2、在医药卫生中的应用,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,2、在医药卫生中的应用,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,2、在医药卫生中的应用,3、在轻工业中的应用,糖化酶：-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）,3、在轻工业中的应用,果胶酶果汁果酒澄清、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：柠檬酸、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：氢气、微生物燃料电池等,5、在农业中的应用,生物农药：杀虫剂（病毒杀虫剂核型夺角体病毒、细菌杀虫剂苏云金杆菌、真菌杀虫剂白僵菌）防治植物病害（细菌假单孢菌、放线菌细黄链菌、真菌木霉、病毒弱病毒、农用抗生素庆丰霉素）,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,6、在环境保护中的作用,污水处理,7、在细菌冶金中的应用,细菌冶金又称微生物浸矿，是近代湿法冶金工业上的一种新工艺。它主要是应用细菌法溶浸贫矿、废矿、尾矿和大冶炉渣等，以回收某些贵重有色金属和稀有金属，达到防止矿产资源流失，最大限度地利用矿藏的一种冶金方法。,7、在细菌冶金中的应用,氧化硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌,2S+3O2+2H2O2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O22Fe2(SO4)3+2H2OFeS2（黄铁矿）+7Fe2(SO4)3+8H2O15FeSO4+8H2SO4Cu2S（辉铜矿）+2Fe2(SO4)32CuSO4+4FeSO4+S,大肠杆菌和酵母作为外源蛋白的表达宿主基因工程的各种工具酶等,8、在高技术领域内的应用,微生物工程面临的挑战和发展趋向,一）面临的挑战,1、化学合成工业的竞争 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 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）,二）微生物工程发展趋向,1、提高现有微生物发酵工业水平，利用重组DNA技术2、微生物资源的开发3、发酵过程的优化与控制4、生物分离新技术,本章节需掌握的内容,微生物工程定义初级代谢产物次级代谢产物微生物工程发展的几个阶段,武汉大学曹军卫主编（4部分）科学出版社,吴松刚(福建师大)主编科学出版社;2004,姚汝华华南理工大学出版社 2002,俞俊棠 唐孝宣(上、下册)华东化工学院出版社 1991,俞俊棠 唐孝宣等(上、下册)化工工业出版社 2003,贺小贤化学工业出版社 2003,焦瑞身化学工业出版社2003,陈驹声等化学工业出版社 1987,党建章中国轻工出版社 2003,李艳中国轻工业出版社 1999,高孔荣中国轻工业出版社 1991,