微生物工程概论

第一部分 微生物工程原理,目的要求 第一部分微生物工程原理包括8章，目的是介绍微生物工程的上游工艺原理。要求学生掌握生产菌种的分离、优良菌种的选育、菌种保藏、微生物的代谢调节和代谢工程、培养基配制、发酵工艺控制、发酵过程的微生物反应动力学等原理和方法。,1 微生物工程概论 微生物工程:微生物工程的主体是利用微生物生长代谢活动生产的各种生理活性物质来生产商业产品。这项工程需要微生物学、生物化学、化学工程和市场营销学等有关知识来共同营建。微生物工程已成为微生物学、生物化学、化学工程和市场营销学等多学科密切相关的交叉性学科。,1.1 微生物工程的发展简史,1.1.1 传统的微生物发酵技术天然发酵 人类利用微生物的代谢产物作为食品和医药，已有几千年的历史了。,酒 (古埃及 公元前4000 3000年； 龙山文化4200年） 啤酒、黄酒、酱油、泡菜、面包等。,1.1.2 第一代微生物发酵技术 纯培养技术的建立,主要是厌氧发酵和表面固体发酵产生的初级代谢产物。 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(surface culture) 效价40U/mL，纯度20%，收率30%,1.1.3 第二代（近代）微生物发酵技术 深层培养技术(机械搅拌通气技术) 可以说,这是一个近代发酵工业的鼎盛时代。新产品、新技术、新工艺新设备不断出现,应用范围也日益扩大,如广泛应用于能源开发、环境保护、细菌冶金和石油勘探等。,2、第一代微生物发酵技术纯培养技术,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 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 （主要是厌氧发酵；初级代谢产物）,此后很快全世界各国的研究人员发展出大量基因分离、鉴定和克隆的方法,不但构建出高产量的基因工程菌,还使微生物产生出它们本身不能产生的外源蛋白质,包括植物、动物和人类的多种生理活性蛋白。而且很快形成了产品,如胰岛素、生长激素、细胞因子及多种单克隆抗体等基因工程药物和产品已正式上市。, （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),1.2 微生物工程的应用,微生物工程在基因工程、细胞工程、蛋白质工程等现代生物技术的支持下，可以产生众多新的产品，应用的范围进一步扩大，已深入到工农业生产、医药保健、环境保护、甚至微电子领域，促进了传统产业的技术改造和新兴产业的产生，对人类社会生活将产生深远的影响，同时也具有巨大的经济效益潜力。,1.2.1 微生物工程在食品工业中 的应用 1.2.2 微生物工程在医药卫生中的 应用 1.2.2、1 抗生素 1.2.2、2 氨基酸 1.2.2、3 维生素,122、4甾体激素 122、5生物制品 122、6治疗用酶 122、7酶抑制剂 122、8其他,123微生物工程在轻工业中的应用,糖酶 蛋白酶 果胶酶 脂肪酶 氨基 酰化酶 甘露聚糖酶 过氧化氢酶,124微生物工程在化工能源产品中的应用,醇及溶剂 有机酸 多糖烷烃 清洁能源 藻类产油等,125 微生物工程在农业中的应用 125、1 生物农药 125、2 生物除草剂 125、3 生物增强剂 125、4 食用菌,126 微生物工程在环境保护中的应用 127 微生物工程在细菌冶金中的应用 128 微生物工程在高新技术研究中的应用,总之,微生物工程技术的应用十分广泛,它的发展推动了其他生物技术的快速发展,同时随着基因工程、蛋白质工程、细胞工程技术的研究,将会进一步扩大微生物工程技术的应用范围,为工农业生产和人类健康做出更为巨大的贡献。,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,微生物工程应用领域,2、在医药卫生中的应用,2、微生物工程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：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、氨（国内40亿元，占发酵业产值12%）,维生素：VB2 、VB12、Vc、VA、VD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 生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等,3、在轻工业中的应用,3、微生物工程在轻工业中的应用 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,4、微生物工程在化工能源产品中的应用 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：氢气、微生物燃料电池等,5、在农业中的应用,5 、微生物工程在农业中的应用 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,6、在环境保护中的作用,6 、微生物工程在环境保护中的应用 污水处理（厌气法、好气法）,7、微生物工程在细菌冶金中的应用 8、在高技术领域中的应用 基因工程的各种工具酶等,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、茯苓等） 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,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,如： 甾体转化,生物转化与化学转化的比较, 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）,可地松（Cortisone）,Stigmasterol,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,微生物工程面临的挑战,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 PHB、抗体、药物、植酸酶（将饲料中的有机磷转变为动物