微生物工程概论

1、微生物工程主讲教师：魏 杰概 论1、微生物工程微生物工程是讨论微生物工业生产各单元的工艺和设备的一种科学，是利用微生物生长代谢活动产生的各种生理活性物质来生产商业产品。2、微生物工程的发展简史 传统的微生物发酵技术天然发酵 第一代微生物发酵技术纯培养技术的建立 第二代微生物发酵技术深层培养技术 第三代微生物发酵技术微生物工程发酵工程 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

2、、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。 在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化酶，固定化细胞所做的反应器加工底物（即有生化催化剂参加），以及培养加工后产物大规模的分离提取等工艺。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适环境条件。如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态。 发酵工程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罐和发酵原料以及各种连

3、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。(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。 FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游

4、工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成：从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development- media formulation- sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程上游工程Fermentation engineeringDOWNSTREAM PROCESSES- product extraction,

5、purification & assay- waste treatment-byproduct recoveryFERMENTATIONProcess Control下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16Fermentation engineering菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验 1857年法国化学家、微生物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。” 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另

6、一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。 发酵工程的发展历史发酵工程的发展历史1929年Flemming爵士发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的产品抗生素 20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业20世纪50年代，氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。实现了对微生物的的代谢进行人工调节，这又使生物技术进了一步20世纪60年代，生物技术产业又增加了酶制剂工业这

7、一成员 70年代，为了解决由于人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发等80年代以来，随着重组DNA技术的发展，可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段 History of applied microbiologyAncient timesfood preservation (vinegar, cheese)flavour (bread, soy sauce)brewing (beer, wine) 1861 Louis P

8、asteurfirst phase industrial biotechnology1940 penicillin (Fleming)antibiotic industryproduction of fine chemicalsHistory of applied microbiology1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen)1982 rec human insulin（胰岛素）胰岛素）post recombinant DNA areasince 1982 rec therapeutic agents（治疗剂）治疗剂）1990 rec bakers ye

9、ast1992 rec chymosine （凝乳酶）凝乳酶）(from yeast)发 酵 工 程 的 特 点酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应 ，即小规模的研究形式过程放大，即大规模的研究形式 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利用微生物的特点 发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特点： (1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力 (2)有极强的消化能力 (3)有极强的繁殖能力 生物反应过程的组成部分 （1） 原材料的预处理原材料的预处理 （2 2）

10、 生物催化剂的制备生物催化剂的制备 （3 3）生物反应器及反应条件的选择与监控）生物反应器及反应条件的选择与监控 （4 4） 产品的分离纯化产品的分离纯化 生物反应过程的特点a 采用可再生资源作为主要原料，因而来源丰富，价格低廉，过程中废物的危害性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会给产品质量带来一定的影响。b. 由于采用的是生物催化剂，反应过程一般在常温常压下进行。但生物催化剂易受环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活，难以长期使用。c. 与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，能耗较低。但某些生物反应由于其特殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高，这是因为微生物细胞或生物酶受底物浓

11、度或产物浓度的抑制或不能耐高渗透压所致，不仅使反应器体积增大，而且也加大了提取的困难，因而反应器生产效率较低。d.尽管生物反应过程成本低，应用广。但反应极力复杂，较难检测与控制。反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。 生物反应过程分类酶催化反应过程微生物反应过程废水的生物处理过程1. 酶催化反应过程酶催化反应过程采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的反应几乎都是在酶的催化下进行的。工业生产中所用的酶，或是经提取分离得到的游离酶，或是固定在多种载体上的固定化酶 。2. 微生物反应过程微生物反应过程采用活细胞为催化剂时的反应过程。这既包括一般的微生物发酵反应过程，也包括固定化细

12、胞反应过程和动植物细胞的培养过程。 3. 废水的生物处理过程废水的生物处理过程它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过程。 废水的生物处理过程废水的生物处理过程特点由细菌等菌类、原生动物、微小原生动物等各种微生物构成的混合培养系统 几乎全部采用连续操作系统 微生物所处的环境条件波动大 反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身 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。发 酵 工 业定义：是指利用生物的生

13、命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。发酵工业产品种类发酵工业产品种类发酵食品发酵食品有机酸有机酸氨基酸氨基酸核酸类物质核酸类物质酶制剂酶制剂医药工业（抗生素医药工业（抗生素）饲料工业（单细胞蛋饲料工业（单细胞蛋白白)环境工程（废物处理）环境工程（废物处理）其它其它 （冶金工业（冶金工业） Fermentation Industry Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical (Antibiotics)Feedstuff (eg. SCP)Environmental App

14、lication (Waste Treatment)Others (eg. Metallurgical industry)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获得发酵产品的条件开拓发酵原料时期： 石油发酵，醋酸生产谷氨酸基因工程阶段： 采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物。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

15、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采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养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，发酵生产氨基酸将生物技术广泛地用于环境工程3、微生物工程的应用 3.1微生物工程在食品工业中的应用 定义： 发酵食品：凡是利用微生物的作用制取的食品都 可称为发酵食品。 功能性发酵食品：主要是以高新生物技术（包括发酵法、酶法）制取的某种生理活性物质，生产出能调节机体生理功能的食品

16、。 微生物在食品中的应用有三种方式：微生物菌体发酵，微生物酶发酵，微生物代谢产物 3.1.1 微生态制剂定义：微生态学是研究正常菌群的本质及其与宿主之间的相互关系，阐明宿主的微生态平衡和失调的机制，在上述基础上指导微生态制剂研制和应用。用微生态制剂调整宿主体内的微生态平衡，达到治疗或保健的目的。微生态制剂主要选用的菌种来自双歧杆菌属。按微生态制剂的主要成分，将其细分为： 益生菌、益生素、合生元 作为一个较好的微生态制剂的标准是： 1、含一至几种高质量的有效菌种。 2、活菌含量高。 3、保质期长。 4、具有良好的微生态调节和其他保健功能。 5、制剂具有较强的抗氧、抗胃酸和抗胆汁酸功能。 6、尽可

17、能添加双歧因子类可促进外源性和内源性 有益菌增殖的物质。 7、稳定、安全、可靠、质优价廉。3.1.2 低聚糖工业上生产低聚糖主要是利用生物技术的酶水 解或酶转换法来生产。3.1.3 L-肉碱 L-肉碱的制备主要有四种方法： 提取法 化学合成拆分法 微生物发酵法 酶法3.1.4 活性肽类活性肽类谷胱甘肽是三肽，在人体内有重要的生理功能： 1、当人体摄入食物中含不洁净物或药物等有毒物时，在肝脏中谷胱甘肽能和有毒物质结合而解毒。2、谷胱甘肽过氧化酶是一种含硒酶，能消除体内自由基的危害，防止活性氧对机体膜质的过氧化作用。3、谷胱甘肽在谷氨酸，呈味核苷酸等物质共存时，具有强烈的肉类风味，所以其还是一种营

18、养性的肉类风味增强剂。 3.1.5 多不饱和脂肪酸3.1.6 红曲3.1.7 真菌多糖3.2 微生物工程在医药卫生中的应用1 、抗生素主要种类 抗细菌抗生素 抗真菌抗生素 抗原虫抗生素 抗肿瘤抗生素 免疫抑制作用抗生素 半合成抗生素 青霉素型半合成抗生素 头孢菌素型半合成抗生素 其他半合成抗生素2、 定义：生物制品：是指含抗原制品，包括由减毒或死的病毒和立克次氏体制造的疫苗，减毒或死的病原菌制造的菌苗，类毒素，以及含抗体的制品。3.3 微生物工程在环境保护中的应用1、厌气发酵法2、好气发酵法1.3 微生物发酵的应用微生物发酵的应用发酵乳制品发酵乳制品奶酒、干酪、酸奶等。奶酒、干酪、酸奶等。食品添加剂食品添加剂味精、柠檬酸、红曲、味精、柠檬酸、红曲、肌苷酸、鸟苷酸、面包酵母。肌苷酸、鸟苷酸、面包酵母。新型发酵饮料新型发酵饮料活性乳酸饮料。活性乳酸饮料。“养乐多”是什么？养乐多公司是日本最大的乳酸菌发酵制品生产企业，“干酪乳酸杆菌代田株”是最早在1930年，日本医学博士代田稔发现获得的一种活性乳酸杆菌，他在研究有益消化的乳酸菌时，成功地分离、强化培养出乳酸杆菌