簡明微生物工程 1-1前言課件

1、 微 生 物 工 程授課教師：孫玉一、微生物工程的概念 微生物工程（ Microbial engineering ）是利用微生物的特定性狀和功能，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)體系；是將傳統(tǒng)發(fā)酵與現(xiàn)代DNA重組、細(xì)胞融合、分子修飾和改造等新技術(shù)結(jié)合并發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。微生物工程是滲透有工程學(xué)的微生物學(xué)，是發(fā)酵技術(shù)工程化的發(fā)展。生物工程 (bioengineering)二、微生物工程的地位與作用生物技術(shù) (biotechnology)生物技術(shù)是21世紀(jì)高新技術(shù)革命的核心內(nèi)容，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)將是21世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)生物技術(shù)在迎接人口、資源、能

2、源、食物環(huán)境等五大危機的挑戰(zhàn)中將大顯身手。許多國家都將生物技術(shù)確定為增強國力和經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。生 物 工 程微生物工程基 因 工 程細(xì) 胞 工 程酶 工 程酶工程酶的大批量生產(chǎn)以及利用酶的催化作用,借助工程技術(shù)手段進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化,生產(chǎn)人們所需要產(chǎn)品的技術(shù). 微生物工程 是生物技術(shù)的重要組成和基礎(chǔ)，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。它將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程的基本原理有機結(jié)合起來，廣泛而深入地揭示了發(fā)酵過程的本質(zhì)。三、微生物反應(yīng)過程的特點一）優(yōu)點： （與化學(xué)工程相比）1、生產(chǎn)過程通常在常溫常壓下進行，操作條件溫和，不需考慮防爆問題，一種設(shè)備具有多種用途。2、原料以碳水化合物為主，不含有毒物

3、質(zhì)。3、生產(chǎn)過程是以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行的，因此多個反應(yīng)就象一個反應(yīng)一樣，可在單一設(shè)備（發(fā)酵罐）中進行。4、能容易地生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，如酶、光學(xué)活性體等。5、能高度選擇性地進行復(fù)雜化合物在特定部位反應(yīng)，如氧化、還原、官能團導(dǎo)入等。6、生產(chǎn)產(chǎn)品的生物體本身也是發(fā)酵產(chǎn)物，富含維生素、蛋白質(zhì)、酶等有用物質(zhì)；除特殊情況外，培養(yǎng)液一般不會對人和動物造成危害。8、通過微生物菌種改良，能夠利用原有設(shè)備使生產(chǎn)水平飛躍上升。 發(fā)酵過程的這些特性決定了微生物工程的種種優(yōu)點，使得微生物工程成為生物技術(shù)的核心之一而受到廣泛重視。7、發(fā)酵生產(chǎn)在操作上最需要注意的是防止雜菌污染。進行設(shè)備的沖洗、滅菌、空氣過濾等

4、，使全過程在無菌狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，是非常重要的。一旦失敗，就要遭受重大損失。特別是噬菌體對發(fā)酵的危害更大。二）發(fā)酵過程中尚存在的問題：1、底物不能完全轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物，副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可避免，因而造成提取和精制困難，這是目前發(fā)酵行業(yè)下游操作落后的原因之一。2、微生物反應(yīng)是活細(xì)胞的反應(yīng)，產(chǎn)物的獲得除受環(huán)境因素影響外，也受細(xì)胞內(nèi)因素的影響，且菌體易發(fā)生變異。3、原料是農(nóng)副產(chǎn)品，雖然價廉，但質(zhì)量波動較大。4、生產(chǎn)前準(zhǔn)備工作量大，花費高，相對化學(xué)反應(yīng)而言，反應(yīng)器效率低。5、通常底物濃度不能過高，且要在無雜菌污染情況下進行。6、發(fā)酵廢水常具有較高的BOD 和COD，需處理后排放。四、微生物工程發(fā)展簡史1、傳統(tǒng)的微

5、生物發(fā)酵技術(shù)天然發(fā)酵幾千年酒 （古埃及 公元前4000 3000年；追溯到 4000年前的龍山文化時期）啤酒、黃酒、醬油、泡菜等2、第一代微生物發(fā)酵技術(shù)純培養(yǎng)技術(shù) Louis Pasteur 微生物引起發(fā)酵；酒精發(fā)酵由酵母引起 Eduard Buchner 酒化酶(zymase) Robert Koch 發(fā)明了固體培養(yǎng)基；建立了純培養(yǎng)技術(shù) 人為控制發(fā)酵過程 酒精、丙酮、丁醇、有機酸等 （主厭氧發(fā)酵；初級代謝產(chǎn)物）青霉素產(chǎn)量改變發(fā)展史二十世紀(jì)四十年代初，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，青 霉素的發(fā)現(xiàn)，迅速形成工業(yè)大規(guī)摸生產(chǎn)。1928年由 Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素 1941年美國和英國合作對青霉素進行生產(chǎn)研究

6、 表面培養(yǎng)：1升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝200mL麥麩培養(yǎng)基 40u/ml1943年沉浸培養(yǎng)： 5m3 200u/ml當(dāng)今：100m3200m3 5-7萬u/ml 鏈霉素、金霉素、新霉素、紅霉素4、第三代發(fā)酵技術(shù)微生物工程 （1972）DNA 重組技術(shù)、原生質(zhì)體融合技術(shù)等應(yīng)用 1982，第一個基因工程產(chǎn)品利用工程菌生產(chǎn)的人胰島素問世 現(xiàn)有許多種類的產(chǎn)品紅細(xì)胞生成素 ( 治療貧血) 生長激素 ( 促進生長) 胰島素 (治療糖尿病) 干擾素 (抗病毒、抗腫瘤) 2、在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用 抗生素：12 000余種青霉素、金霉素、四環(huán)素、鏈霉素、慶大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、頭孢霉素等 氨基酸：可發(fā)酵

7、生產(chǎn)的有谷、賴、丙、組、異亮、亮、苯丙、脯、蘇、色、酪、纈、瓜、鳥氨酸（國內(nèi)40億元，占發(fā)酵業(yè)產(chǎn)值12%） 維生素：VB2 、VB12、Vc、VA、VD等 生物制品：亞單位疫苗、重組疫苗、DNA疫苗等 酶抑制劑： 棒酸（可抑制-內(nèi)酰胺酶對青霉素的破壞） -淀粉酶的抑制劑可治療糖尿病 膽固醇抑制劑可治療高血壓高血脂3、在輕工業(yè)中的應(yīng)用糖酶：-淀粉酶、-淀粉酶、異淀粉酶、木聚糖酶、 葡萄糖異構(gòu)酶、半乳糖酶、纖維素酶等蛋白酶：堿性蛋白酶（洗滌劑、皮革鞣化、啤酒去濁） 酸性蛋白酶（飲料、制蛋白水解物） 中性蛋白酶（皮革脫毛、蠶絲脫膠、蛋白胨制備）果膠酶：果汁果酒澄清、苧zh麻脫膠脂肪酶：分解脂肪為脂肪

8、酸和甘油凝乳酶：制干酪氨基?；浮⒏事毒厶敲傅?、在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用生物農(nóng)藥： 殺蟲劑（Bt、白僵菌、病毒、微孢子蟲） 防治植物病害（假單孢菌、木霉、弱病毒、慶豐霉素）生物除草劑：利用雜草的病原微生物生物增產(chǎn)劑：根瘤菌、藍(lán)細(xì)菌、鉀細(xì)菌、磷細(xì)菌等生物殺蟲劑的種類及應(yīng)用 微生物殺蟲劑種類很多，已發(fā)現(xiàn)的有2000多種，按照微生物的分類可分為細(xì)菌、真菌、病毒、原生動物和線蟲等。目前，國內(nèi)研究開發(fā)應(yīng)用并形成商品化產(chǎn)品的主要有細(xì)菌類殺蟲劑、真菌類殺蟲劑、病毒類殺蟲劑和抗生素類殺蟲劑。1 細(xì)菌殺蟲劑細(xì)菌類殺蟲劑是國內(nèi)研究開發(fā)較早的生產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的微生物殺蟲劑。目前，研究應(yīng)用的品種有蘇云金桿菌、青蟲菌、日本

9、金龜子芽孢桿菌和球形芽孢桿菌，其中蘇云金桿菌是最具有代表性的品種。蘇云金桿菌(Bt)是一種能產(chǎn)生伴孢晶體毒素，昆蟲寄主譜較廣的重要昆蟲病原菌，是一種胃毒性殺蟲劑。大量的試驗和實際應(yīng)用表明，蘇云金桿菌對多種農(nóng)業(yè)害蟲有不同程度的毒殺作用，這些害蟲包括棉鈴蟲、煙青蟲、銀紋夜蛾、斜紋夜蛾、甜菜夜蛾、小地老虎、稻縱卷葉螟、玉米螟、小菜蛾和茶毛蟲等，對森林害蟲松毛蟲有較好效果。另外，還可用于防治蚊類幼蟲和儲糧蛾類害蟲。 白僵菌 白僵菌是我國研究時間最長和應(yīng)用面積最大的真菌殺蟲劑。白僵菌的寄主很多，可防治對象有玉米螟、松毛蟲、多種金龜子、水稻葉蟬、飛虱、桑天牛、茶小葉蟬、茶毛蟲、大豆食心蟲和蚜蟲等，特別是對

10、玉米螟和松毛蟲，已作為常規(guī)手段連年使用。 3 病毒殺蟲劑 病毒殺蟲劑是一類以昆蟲為寄主的病毒類群，雖研究開發(fā)比細(xì)菌殺蟲劑晚，但近年來發(fā)展迅速。應(yīng)用比較普遍的有核型多角體病毒(NPV)、顆粒體病毒(GV)和基因工程棒狀病毒。我國科技人員經(jīng)過多年的努力，已開發(fā)出多種野生型昆蟲病毒復(fù)合殺蟲劑產(chǎn)品，并實現(xiàn)商品化。利用基因工程技術(shù)開發(fā)的重組病毒殺蟲劑也已進入田間釋放階段。從1993年國內(nèi)第1個昆蟲病毒殺蟲劑棉鈴蟲核型多角體病毒完成產(chǎn)品注冊登記至今，已有10幾家產(chǎn)品獲得登記，包括：棉鈴蟲、斜紋夜蛾、菜青蟲、黃地老虎和茶尺蠖等，年產(chǎn)量約2000t。 4 農(nóng)用抗生素農(nóng)用抗生素是我國較早研究開發(fā)的微生物農(nóng)藥，但

11、在殺蟲抗生素上的研究開發(fā)近十幾年來才取得了重大突破。阿維菌素是目前已知的最具代表性的抗生素類殺蟲劑，以其作為主要成分的復(fù)配制劑目前已有80多個品種，該產(chǎn)品殺蟲譜廣，不易產(chǎn)生抗性，對多種害蟲和害螨都具有良好的防效，該產(chǎn)品已成功地實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)完成進入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的其他品種還有瀏陽霉素、殺蚜素、華光霉素、南昌霉素、韶關(guān)霉素和梅嶺霉素等。目前，我國已登記產(chǎn)品62個，生產(chǎn)企業(yè)100多家。5 昆蟲病原線蟲、微孢子蟲這兩種殺蟲劑研究起步較晚，產(chǎn)品也初步達(dá)到實用化程度，但由于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方法存在一些問題，沒有形成規(guī)?；a(chǎn)。產(chǎn)品有小卷蛾線蟲，用于防治小菜蛾，蝗蟲微孢子蟲防治牧草的蛀蟲。6、在環(huán)境保護中的作用

12、污水處理（厭氣法、好氣法）7、在高技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用基因工程的各種工具酶等二）微生物工程產(chǎn)品類型1、微生物菌體的發(fā)酵SCP、藥用真菌（冬蟲夏草【麥角科，蟲草屬真菌】、茯苓（為多孔菌科寄生植物茯苓的干燥菌核） 等） 。生物防治制劑（如蘇云金桿菌）活性乳制劑細(xì)胞的生長與產(chǎn)物的積累成平行關(guān)系，生長速率最大的時期也是產(chǎn)物合成最高階段2、微生物酶發(fā)酵各種酶制劑糖化酶、氨基?；福―L氨基酸光學(xué)拆分）、蛋白酶、脂肪酶等3、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵初級代謝產(chǎn)物： 與菌體生長相伴隨的產(chǎn)物， 氨基酸、核苷酸、維生素、有機酸、溶劑 菌體對其合成反饋控制嚴(yán)密，一般不過量積累次級代謝產(chǎn)物： 與菌體生長不相伴隨，以初級代謝產(chǎn)物

13、為原料而合成 抗生素、生物堿、毒素、胞外多糖等 結(jié)構(gòu)常較復(fù)雜對環(huán)境條件敏感4、微生物的生物轉(zhuǎn)化 利用微生物細(xì)胞的一種或幾種酶，對外源化合物的特定部位進行加工，如加入羥基、還原雙鍵、脫氧或切斷支鏈等。 轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物并不是微生物細(xì)胞利用營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)細(xì)胞代謝產(chǎn)生，而是微生物細(xì)胞的酶或酶系作用于底物的某一部位，進行特定部位的化學(xué)反應(yīng)而形成。 反應(yīng)最顯著的特點是特異性強，包括反應(yīng)特異性、結(jié)構(gòu)位置特異性、立體特異性 含環(huán)戊烷多氫菲核的化合物； 甾族激素：分腎上腺皮質(zhì)激素和性激素；重要的生理調(diào)節(jié)作用，在臨床上廣泛用于治療過敏性皮炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、紅班狼瘡、支氣管哮喘等 甾體藥物的工業(yè)生產(chǎn)主要是通過改造天然

14、的甾體產(chǎn)物而獲得的； 可的松類抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾體母核11位上導(dǎo)入一氧原子，最大的困難也正在此 化學(xué)轉(zhuǎn)化：步驟繁多、得率低、價格昂貴（Savett, 576kg脫氧膽酸，30多步反應(yīng)，兩年938mg醋酸可的松） 生物法：高效、收率高 （1952年，Munrry等，黑根霉，僅1步就將孕酮11位上導(dǎo)入一個羥基，使從孕酮合成皮質(zhì)酮只需3步，這樣才使可的松問世）如： 甾體轉(zhuǎn)化可地松（Cortisone）Stigmasterol(豆甾醇 )5、微生物特殊機能的利用利用微生物消除環(huán)境污染金屬浸瀝回收利用基因工程菌開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域六、微生物工程面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨向一）面臨的挑戰(zhàn)1、化

15、學(xué)合成工業(yè)的競爭 有機溶劑，如丙酮丁醇 發(fā)酵法產(chǎn)品所占份額已很少 當(dāng)然也有多種原來通過化工合成的產(chǎn)品逐漸被發(fā)酵法所取代，如乳酸2、農(nóng)業(yè)生物工程的沖擊 轉(zhuǎn)基因植物中表達(dá)生產(chǎn) PHB(聚羥基丁酸酯,是一種由微生物合成的生物塑料，具有可生物降解特性 和生物配伍性，可廣泛用于生物醫(yī)學(xué)材料、環(huán)保等領(lǐng)域。) 、抗體、藥物、植酸酶（將飼料中的有機磷轉(zhuǎn)變?yōu)閯游锟梢岳玫男问剑瑴p少糞便中的磷，降低飼養(yǎng)場地區(qū)的污染）等二）微生物工程發(fā)展趨向1、提高現(xiàn)有微生物發(fā)酵工業(yè)水平2、利用重組DNA技術(shù)3、開拓極端酶極端酶由于極端酶的極端穩(wěn)定性，為開拓新的生物催化和生物轉(zhuǎn)化提供了廣闊的應(yīng)用前景。七、微生物工程的內(nèi)容微生物工程基本上可分為發(fā)酵和提取兩部分發(fā)酵部分也稱發(fā)酵工程，是微生物反應(yīng)過程；提取部分也稱后處理，或下游加工技術(shù) 雖然微生物工業(yè)生產(chǎn)以發(fā)酵為主，發(fā)酵的好壞是整個生產(chǎn)的關(guān)鍵，但后處理在發(fā)酵生產(chǎn)中也占有重要的地位。微生物工程主要內(nèi)容 生產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制、反應(yīng)器的設(shè)計及產(chǎn)物的分離、提取與精制等七、微生物工程課的任務(wù) 在學(xué)習(xí)了微生物學(xué)、生物化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上，進一步深入了解嫌氣和好氣發(fā)酵有關(guān)的工藝原理，應(yīng)用這些基本理論去分析和解決微生物工業(yè)生產(chǎn)中的具體問題，使生產(chǎn)過程更好地符合