第一章--微生物工程概论

第一章微生物工程概论,生命科学与工程学院范怀德,1-1微生物工程研究领域现状与研究内容1-2微生物工程与微生物工程发展简史1-3微生物工程应用1-4微生物工程的特点,1-1微生物工程研究领域现状与研究内容,1.1.1微生物工程是生物工程科学的重要基础学科微生物工程（microbialengineering）是研究微生物生长代谢活动规律在工业化大规模生产上应用的科学。,它在不同的范围内以研究菌种的特性和选育、培养基的特性和选择，微生物的代谢与控制、发酵工艺控制、微生物反应动力学、染菌的防治与控制和产品分离提纯工艺控制以及单元操作等为主要内容。,1.1.2微生物工程领域国内外现状,世界微生物工程的发展现状国内微生物工程的发展现状,世界微生物工程的发展现状,美国生物技术企业有1200多家，西欧有580多家，日本有300多家。其中有ADM公司、诺维信（原诺和诺德）公司等专门以发酵工程技术大规模生产各种产品的公司有DSM公司、汉高公司等利用大规模发酵技术生产部分产品的公司有在某一方面有专长的公司如生产基因重组蛋白质的Amgen公司等。,国内微生物工程的发展现状,从事酒精、溶剂、抗生素、有机酸、氨基酸、酶制剂、激素、维生素、核苷酸发酵等方面的研究与生产。,1.1.3微生物工程主要研究内容,微生物菌种、菌种选育的研究微生物的代谢调节和代谢工程的研究培养基的研究发酵工艺控制研究下游加工技术的研究,1.1.4当前微生物工程研究的总趋势与重点领域,当前微生物工程研究中的基本问题与发展趋势微生物工程研究的主要课题和研究方向,微生物工程研究中的基本问题,1菌种技术菌种技术包括从自然界中得到生产目的产物菌种的菌种筛选技术提高菌种生产性能的菌种选育技术保证菌种生产能力长时间维持的菌种保藏技术。,2微生物营养物质的资源开发,主要是利用石油、天然气、空气及纤维素资源，这是21世纪极富挑战性的领域。它对于开辟人类未来粮食资源，燃烧废气中物资回收以及解决公害具有很大意义。它们是新兴微生物工程的重要组成部分。,3微生物发酵动力学的研究,微生物发酵动力学模型理论研究和生物传感器的研究涉及到发酵过程中菌体浓度、基质浓度、温度、pH值、溶解氧等工艺参数。它们是如何调控发酵的？发酵动力学为探索发酵中各种因素的作用和最佳控制开辟新的前景，其模型理论研究为比似放大提供理论依据。这方面的研究正方兴未艾。,4微生物工程的发酵技术,一发酵培养基制备技术，原料来源和价格灭菌技术包括工艺路线、灭菌时间和温度，其发展趋势是将发酵和提取结合综合考虑产品的生产成本来开发培养基制备的技术,二发酵过程控制优化技术是在现有的菌种或基因工程菌的基础上，在发酵罐中通过操作条件的控制或发酵装备的适当改造达到发酵产品的生产最优，即生产能力最大或经济效益最高或产品质量最好,三发酵过程配套的技术涉及到空气压缩过滤技术、搅拌器的配套技术、制冷技术等，包括水、电、气、汽等的动力成本占发酵生产成本的40%60%，而由于搅拌轴机械加工技术落后，使发酵罐容积难于突破200m3。,5下游分离纯化技术,分离纯化技术的研发有两个方向，一是结合其他学科的发展开发新的分离纯化技术；二是对现有的分离纯化技术进行重新开发，从另一个角度对现有的分离纯化技术进行利用，如絮凝和凝聚通常用于发酵工艺菌体去除，而国内有报道将絮凝和凝聚用于含延胡索酸酶活菌体的收集，通过选择适合的絮凝剂，可以最大程度地去除杂质，保护酶的活性。,在发酵工程中寻求操作简单、经济适用的分离纯化技术，已经成为生物化工领域的热点研究问题之一，主要是利用现有的分离纯化技术进行重新组合和开发，减少操作工艺程序，降低生产成本。新型分离纯化技术的开发与应用，可以减少后提取工艺的操作费用，提高后提取工艺的产品收率，大大降低了生产成本，使许多产品大规模生产成为可能，使生化过程替代化学过程成为可能。,6新技术的应用,主要是结合其他学科的发展开发新的分离纯化技术，涉及微生物学、生物学、工程学、电子学、信息学、机械学、计算机等诸多学科领域，任何学科的发展都可以促进发酵工程的技术进步。新技术的应用与探索，将促使微生物工程产业迈向一个新天地。新技术的应用包括膜分离技术、连续离子交换、连续结晶、分子蒸馏技术、气体超临界萃取技术等等的研究.,微生物工程研究的主要课题和研究方向,1计算机控制微生物发酵过程主要计算机自控系统的作用2育种与分子生物学、组胚工程、遗传工程、代谢调控之间关系及其研究3比拟放大方法4染菌放活的研究,1计算机控制微生物发酵过程主要计算机自控系统的作用,根据微生物发酵动力学模型模拟理论作为依据来设计计算机程序，使得工艺流程和发酵技术参数达到最优化控制。微生物发酵机制，发酵动力学，发酵工艺是计算机控制基础和理论指导而计算机控制可促进微生物工程的发展。,因此，大量的通过微生物发酵动力学的研究来进行最佳发酵工艺条件的控制是研究的主要问题，而计算机如何控制工艺参数及程序的动态变化是核心问题，计算机所起作用的大小完全取决于提供数据的分析测试仪器的可靠性精确度，以及对微生物工程的生物化学知识是否了解透彻。,2育种与分子生物学、组胚工程、遗传工程、代谢调控之间关系及其研究,微生物育种的研究一直是生物工程领域的热点课题之一,它的基本内容是：突变菌株的筛选：重点是缺陷型菌株的筛选产生各种氨基酸；杂交育种：重点是改变产品的产量和质量，创造出新品种；质生质体融合技术；DNA体外重组技术；基因表达系统。把育种与基因表达调控联系起来的研究是现代最时髦的热点课题。,3比拟放大方法,微生物工程在实验室里用小试试验设备进行科学实验，如何在大型的生产规模设备里重视，是比拟放大所面临的最基本问题。也是微生物工程迫切需要解决的问题。,比拟放大方法的研究不仅可提示微生物代谢调控机制，反应的动力学、力学及传递现象的深入了解，而且可确定微生物发酵工艺条件和操作条件，加强模型理论的研究。,实验室的小型试验中间试验规模大型生产规模这个生产顺序仍是新产品、新品种投入生产的必经之路。因此，比拟放大方法在微生物工程中显得就非常之重要。当前，比拟放大方法是所谓的半数学模型法，定全的数学模型法用于比拟放大尚存在困难，也是今后研究的重点课题之一。,4染菌放活的研究,微生物工程中由于各种发酵工艺的菌种、培养基、发酵条件、发酵周期及产物性质不同，受污染的危害性亦不同。染菌是微生物工程的致使伤，轻者影响产率、产物种产量的质量；严重者造成“倒罐”现象，破坏生产计划，浪费原材料。放活染菌的研究主要集中在：污染菌的性质、污染的途径、污染的时间、污染的程度和所产生的后果以及原因分析和避免污染的措施。尤其是准确、快速的检测方法是主要研究内容之一。,必须指出，上述诸领域与课题仍不能概括微生物工程的所有重大问题，还有许多方面，诸如处理污水、净化环境、防止菌种衰退的措施，酶合成的代谢调节等，都对微生物工程十分重要，而且近年来也迅速得以进展。,微生物工程的发展划分为四个阶段：从人类开始从事酿造酒、醋的时期，是以自然发酵为主的微生物工程时期；19世纪末到20世纪30年代，主要建立纯培养技术；,1-2微生物工程发展简史,20世纪40年代到50年代，主要是建立深层培养技术为主的微生物工程时期，这个时期由于好气性发酵工程的建立，1947年诞生了生化工程；20世纪5060年代以来，由于DNA重组技术、细胞融合技术的发展进入现代微生物工程时期，微生物工程的发展史和微生物工程学科的建立与发展，大概是符合这一历史进程的。,微生物及微生物工程发展的历史大概可划分为如下几个阶段：,自然发酵传统的微生物发酵技术纯培养技术的建立第一代微生物发酵技术深层培养技术的建立第二代（近代）微生物发酵技术微生物工程第三代微生物发酵技术,1-3微生物工程应用,微生物工程在食品工业中的应用微生物工程在医药工业中的应用微生物工程在酶工程中的应用微生物工程在化工和漂产品的应用微生物工程在农业中的应用微生物工程在环境保护中的应用微生物工程在金属冶炼中的应用微生物工程在高新技术研究中的应用,1-4微生物工程的特点,微生物工程是微生物技术和化学工程有机结合的产物，是微生物发酵技术和或与生物加工技术走向工业化、实现产业化所形成的一个新体系和新系统，利用化工过程进行发酵控制与生产，得到生物产品，造福人类。但与化工过程相比较，微生物工程具有不可比拟的优势。,1.4.1微生物工程特点,微生物工程优点,微生物工程工业优点如下：反应条件温和：微生物反应是生物化学反应，通常在常温常压下进行，一系列的反应过程均为自身的代谢调节方式进行。,生物发酵罐的通用性：微生物生物发酵罐（或称为生物反应器）多数为通气、搅拌式通用发酵罐，同一种或同类的反应器能生产各种产物。如某药厂的车间成为“三抗车间”，指一套设备可生产三种不同的抗生素。,生产原料多数为农副产品：微生物工程所用原料来源丰富、广泛。通常以淀粉、糖蜜等碳水化合物为主，其中包括各种农副产品及食品、制糖、造纸等工业的废水和废料。只要不含有毒物质，所用原料一般没有精致的必要，微生物本身能有选择地摄取其中所需的有用物质。,微生物反应机理的高度选择性：由于微生物特有的反应机制，微生物能高度选择性地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导入等转化反应，从而获得某些具有重大经济价值的工业物质。如黄色短杆菌，能将延胡索酸转换成L-苹果酸。,微生物菌种选育的优越性：通过不同的菌种选育，诸如诱变选育、杂交育种、原生质体的融合、以及基因工程（或工程菌）育种均可大幅度地提高生产率，获得高产菌株。例如微生物生产青霉素，从最初其产率不到0.01%，到今天已达5%以上，产率提高了500多倍。,可以生产目前不能生产的或用化学法生产较困难的性能优异的产品：微生物工业最为发展前景的领域是，微生物能用简单的物质合成复杂的高分子化合物。如某些现代生物制品（干扰素、乙肝疫苗、人促红细胞生长素等），以及酶制剂、活性蛋白、活性肽和多糖等生物产品。,微生物工程缺点,能源消耗较大：由大多数微生物工业发酵属于好氧发酵，需要消耗大量氧气，否则微生物菌体就会窒息而死，于是空压机、搅拌装置需要不停的进行工作，进行供氧，这些装置就要消耗很多的能量。,微生物菌体的生长需要消耗部分原料：微生物工程是通过微生物自身的生长代谢分泌产物，而维持菌体正常生长与繁殖需要消耗一部分原料，而有些菌体发酵结束后是无用的，甚至会造成环境污染。,需要消耗大量水：微生物发酵溶媒是水，由于微生物自身的特点，造成底物浓度和产物浓度都不能过高，且维持一定的比例，这样造成发酵罐体积越来越大，但产量较少，效率低。,废水、废液量大，易造成污染：微生物发酵废液量大，洗涤用水量也很大。废水中生化需氧量（BOD5）一般较高，易造成污染。,微生物工程与酶工程比较,发酵工程和酶工程二者之间，既有联系又有区别，因为大多数酶制剂也是由发酵而产生的产物，如淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等。酶制剂的研究开发涉及产酶菌种选育