微生物工程-00-绪论

微生物工程,主讲：许敏,xumin12,成绩评定平时成绩40%（包括考勤、考查等）期末考试60%,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),现代生物技术（生物工程）,微生物工程,基因工程,细胞工程,酶工程,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。它已经成为与微生物学、生物化学和化学工程学等多学科密切相关的交叉性学科。,三、微生物工程的特点,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。,7、通过微生物菌种改良，能够利用原有设备使生产飞跃上升。,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。,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40003000年古希腊、古罗马公元前2000年龙山文化距今4200年啤酒、黄酒、酱油、泡菜等,鬶,2、第一代微生物发酵技术纯培养技术,AnthonyLeeuwenhoek通过自制显微镜观察到微生物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+密封式发酵罐酒精、丙酮、丁醇、有机酸等（主要是厌氧发酵；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1928AlexanderFleming发现青霉素（钱恩、弗洛里）,深层培养技术（submergedfermentation)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，如氨基酸发酵工业等是近代发酵工业的鼎盛时代好氧发酵，初级、次级代谢产物,4、第三代发酵技术微生物工程,DNA重组技术、原生质体融合技术等应用（不但构建出高产的基因工程菌，还使微生物能产生外源蛋白）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、醋等食品添加剂：赖氨酸、柠檬酸、色素等,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、苎麻脱胶,脂肪酶：分解脂肪为脂肪酸和甘油凝乳酶：制干酪,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：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（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,污水处理（厌气法、好气法）,7、在高技术领域中的应用,为基因工程提供各种工具酶等,二）微生物工程产品类型,1、微生物菌体的发酵,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,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）,如：甾体转化,可地松（Cortisone）,豆甾醇（Stigmasterol）,5、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,六、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）等,二）微生物工程发展趋向,1、提高现有微生物发酵工业水平2、利用重组DNA技术3、开拓极端酶,极端酶由于极端酶的极端稳定性，为开拓新的生物催化和生物转化提供了广阔的应用前景。,七、微生物工程的内容,微生物工程基本上可分为发酵和提取两部分,发酵部分也称发酵工程，是微生物反应过程；提取部分也称后处理，或下游加工技术,虽然微生物工业生产以发酵为主，发酵的好坏是整个生产的关键，但后处理在发酵生产中也占有重要的地位。,微生物工业生产的一般流程,微生物工程主要内容生产菌种的选育、发酵条件的优化与控制、反应器的设计及产物的分离、提取与精制等,武汉大学曹军卫主编（4部分）科学出版社,第一部分微生物工程原理1微生物工程概论2生产菌种的来源3微生物的代谢调节和代谢工程4优良菌种选育5菌种保藏的原理和方法6培养基7发酵工艺控制8发酵过程的参数检测和自动控制9微生物反应动力学第二部分微生物工程下游加工工程10微生物工程下游加工工程概论11发酵液的预处理和过滤12沉淀法13溶剂萃取法14双水相萃取法15叹附法16离子交换法17结晶法,第三部分微生物工程生产设备18培养基灭菌及灭菌设备19发酵设备20空气除菌设备21产品纯化设备第四部分微生物工程生产工艺和产品举例22卫生保健产品23食品