微生物工程概論

1、微生物工程主講教師：魏 杰概 論1、微生物工程微生物工程是討論微生物工業(yè)生產(chǎn)各單元的工藝和設(shè)備的一種科學(xué)，是利用微生物生長代謝活動產(chǎn)生的各種生理活性物質(zhì)來生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品。2、微生物工程的發(fā)展簡史 傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)天然發(fā)酵 第一代微生物發(fā)酵技術(shù)純培養(yǎng)技術(shù)的建立 第二代微生物發(fā)酵技術(shù)深層培養(yǎng)技術(shù) 第三代微生物發(fā)酵技術(shù)微生物工程發(fā)酵工程 發(fā)酵已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支，成為一個包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計算機(jī)軟硬件工程的一個多學(xué)科工程。 現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素

2、、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。 在發(fā)酵技術(shù)中一般包括微生物細(xì)胞或動植物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)，或利用固定化酶，固定化細(xì)胞所做的反應(yīng)器加工底物（即有生化催化劑參加），以及培養(yǎng)加工后產(chǎn)物大規(guī)模的分離提取等工藝。主要是在生物反應(yīng)過程中提供各種所需的最適環(huán)境條件。如酸堿度、濕度、底物濃度、通氣量以及保證無菌狀態(tài)。 發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1) 有嚴(yán)格的無菌生長環(huán)境： 包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵罐和發(fā)酵原料以及各種連

3、接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)； 在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長要求控制加料速 度的計算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。(4)在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實驗 室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實驗，得到產(chǎn)物形成的動力學(xué)模型，并根據(jù)這個模型設(shè)計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學(xué)模型。(5)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。 FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游

4、工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES發(fā)酵工程組成從廣義上講，由三部分組成：從廣義上講，由三部分組成： 上游工程、發(fā)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菌種篩選菌種篩選搖瓶試驗搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗發(fā)酵罐試驗 1857年法國化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果?！?巴斯德認(rèn)為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質(zhì)也是發(fā)

6、酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生質(zhì)變。 同時，也可以把發(fā)酵的微生物分離出來，通過人工培養(yǎng)，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)品。 發(fā)酵工程的發(fā)展歷史發(fā)酵工程的發(fā)展歷史1929年Flemming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉素，從此生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品中增加一大類新的產(chǎn)品抗生素 20世紀(jì)40年代，以獲取細(xì)菌的次生代謝產(chǎn)物抗生素為主要特征的抗生素工業(yè)成為生物發(fā)酵工業(yè)技術(shù)的支柱產(chǎn)業(yè)20世紀(jì)50年代，氨基酸發(fā)酵工業(yè)又成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的又一個成員。實現(xiàn)了對微生物的的代謝進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，這又使生物技術(shù)進(jìn)了一步20世紀(jì)60年代，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)又增加了酶制

7、劑工業(yè)這一成員 70年代，為了解決由于人迅速增長而帶來的糧食短缺問題，進(jìn)行了非碳水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵，如利用石油化工原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，培養(yǎng)單細(xì)胞蛋白，進(jìn)行污水處理，能源開發(fā)等80年代以來，隨著重組DNA技術(shù)的發(fā)展，可以按人類社會的需要，定向培養(yǎng)出有用的菌株，這為發(fā)酵工程技術(shù)引入了遺傳程的技術(shù)，使生物技術(shù)進(jìn)入了一個新的階段 History of applied microbiologyAncient timesfood preservation (vinegar, cheese)flavour (bread, soy sauce)brewing (beer, wine) 1861 Lou

8、is Pasteurfirst phase industrial biotechnology1940 penicillin (Fleming)antibiotic industryproduction of fine chemicalsHistory of applied microbiology1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen)1982 rec human insulin（胰島素）胰島素）post recombinant DNA areasince 1982 rec therapeutic agents（治療劑）治療劑）1990 rec b

9、akers yeast1992 rec chymosine （凝乳酶）凝乳酶）(from yeast)發(fā) 酵 工 程 的 特 點(diǎn)酶水平上研究微生物細(xì)胞內(nèi)（外）的生物化學(xué)反應(yīng) ，即小規(guī)模的研究形式過程放大，即大規(guī)模的研究形式 發(fā)酵的流程空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品利用微生物的特點(diǎn) 發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特點(diǎn)： (1)對周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力 (2)有極強(qiáng)的消化能力 (3)有極強(qiáng)的繁殖能力 生物反應(yīng)過程的組成部分 （1） 原材料的預(yù)處理原材料的預(yù)

10、處理 （2 2） 生物催化劑的制備生物催化劑的制備 （3 3）生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控）生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控 （4 4） 產(chǎn)品的分離純化產(chǎn)品的分離純化 生物反應(yīng)過程的特點(diǎn)a 采用可再生資源作為主要原料，因而來源豐富，價格低廉，過程中廢物的危害性較小，但由于原料的成分復(fù)雜，往往難以控制會給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的影響。b. 由于采用的是生物催化劑，反應(yīng)過程一般在常溫常壓下進(jìn)行。但生物催化劑易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，因而很易失活，難以長期使用。c. 與一般化工產(chǎn)品相比，其生產(chǎn)設(shè)備比較簡單，能耗較低。但某些生物反應(yīng)由于其特殊性質(zhì)而使反應(yīng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均不能太高，這是因為微生物細(xì)胞

11、或生物酶受底物濃度或產(chǎn)物濃度的抑制或不能耐高滲透壓所致，不僅使反應(yīng)器體積增大，而且也加大了提取的困難，因而反應(yīng)器生產(chǎn)效率較低。d.盡管生物反應(yīng)過程成本低，應(yīng)用廣。但反應(yīng)極力復(fù)雜，較難檢測與控制。反應(yīng)液中雜質(zhì)多，給分離提純帶來了困難。 生物反應(yīng)過程分類酶催化反應(yīng)過程微生物反應(yīng)過程廢水的生物處理過程1. 酶催化反應(yīng)過程酶催化反應(yīng)過程采用游離酶或固定化酶為催化劑時的反應(yīng)過程。生物體中所進(jìn)行的反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。工業(yè)生產(chǎn)中所用的酶，或是經(jīng)提取分離得到的游離酶，或是固定在多種載體上的固定化酶 。2. 微生物反應(yīng)過程微生物反應(yīng)過程采用活細(xì)胞為催化劑時的反應(yīng)過程。這既包括一般的微生物發(fā)酵反應(yīng)過程

12、，也包括固定化細(xì)胞反應(yīng)過程和動植物細(xì)胞的培養(yǎng)過程。 3. 廢水的生物處理過程廢水的生物處理過程它是利用微生物本身的分解能力和凈化能力，除去廢水中污染物質(zhì)的過程。 廢水的生物處理過程廢水的生物處理過程特點(diǎn)由細(xì)菌等菌類、原生動物、微小原生動物等各種微生物構(gòu)成的混合培養(yǎng)系統(tǒng) 幾乎全部采用連續(xù)操作系統(tǒng) 微生物所處的環(huán)境條件波動大 反應(yīng)的目的是消除有害物質(zhì)而不是代謝產(chǎn)物和微生物本身 工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程 包括：1. 厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。2. 通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。發(fā) 酵 工 業(yè)定義：

13、是指利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品種類發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品種類發(fā)酵食品發(fā)酵食品有機(jī)酸有機(jī)酸氨基酸氨基酸核酸類物質(zhì)核酸類物質(zhì)酶制劑酶制劑醫(yī)藥工業(yè)（抗生素醫(yī)藥工業(yè)（抗生素）飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋白白)環(huán)境工程（廢物處理）環(huán)境工程（廢物處理）其它其它 （冶金工業(yè)（冶金工業(yè)） Fermentation Industry Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical (Antibiotics)Feedstuff (eg. SCP)Environme

14、ntal Application (Waste Treatment)Others (eg. Metallurgical industry)適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備精制成產(chǎn)品的方法的設(shè)備獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件開拓發(fā)酵原料時期： 石油發(fā)酵，醋酸生產(chǎn)谷氨酸基因工程階段： 采用酶學(xué)的方法，將不同來源的DNA進(jìn)行體外重組，再把重組DNA設(shè)法轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并進(jìn)行繁殖和遺傳下去。人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導(dǎo)入微生物細(xì)胞中，從而達(dá)到定向地改變生物性狀與功能創(chuàng)新的物種，使發(fā)酵工業(yè)能夠生產(chǎn)出自然界微生物所不能合成的產(chǎn)物。發(fā)酵工業(yè)的范圍1、以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物的

15、發(fā)酵工業(yè)2、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)3、以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)4、生物轉(zhuǎn)化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)5、微生物廢水處理和其他發(fā)酵工業(yè)的意義與展望利用遺傳工程等先進(jìn)技術(shù)，人工選育和改良菌種采用發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行高等動動植物細(xì)胞培養(yǎng)固定化技術(shù)廣泛應(yīng)用開發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置，自動控制將成為發(fā)酵生產(chǎn)控制的主要手段應(yīng)用代謝控制技術(shù)，發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸將生物技術(shù)廣泛地用于環(huán)境工程3、微生物工程的應(yīng)用 3.1微生物工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用 定義： 發(fā)酵食品：凡是利用微生物的作用制取的食品都 可稱為發(fā)酵食品。 功能性發(fā)酵食品：主要是以高新生物技術(shù)（包括發(fā)酵法、酶法）制取的某種生理活性物質(zhì)，生產(chǎn)出能調(diào)節(jié)機(jī)

16、體生理功能的食品。 微生物在食品中的應(yīng)用有三種方式：微生物菌體發(fā)酵，微生物酶發(fā)酵，微生物代謝產(chǎn)物 3.1.1 微生態(tài)制劑定義：微生態(tài)學(xué)是研究正常菌群的本質(zhì)及其與宿主之間的相互關(guān)系，闡明宿主的微生態(tài)平衡和失調(diào)的機(jī)制，在上述基礎(chǔ)上指導(dǎo)微生態(tài)制劑研制和應(yīng)用。用微生態(tài)制劑調(diào)整宿主體內(nèi)的微生態(tài)平衡，達(dá)到治療或保健的目的。微生態(tài)制劑主要選用的菌種來自雙歧桿菌屬。按微生態(tài)制劑的主要成分，將其細(xì)分為： 益生菌、益生素、合生元 作為一個較好的微生態(tài)制劑的標(biāo)準(zhǔn)是： 1、含一至幾種高質(zhì)量的有效菌種。 2、活菌含量高。 3、保質(zhì)期長。 4、具有良好的微生態(tài)調(diào)節(jié)和其他保健功能。 5、制劑具有較強(qiáng)的抗氧、抗胃酸和抗膽汁酸

17、功能。 6、盡可能添加雙歧因子類可促進(jìn)外源性和內(nèi)源性 有益菌增殖的物質(zhì)。 7、穩(wěn)定、安全、可靠、質(zhì)優(yōu)價廉。3.1.2 低聚糖工業(yè)上生產(chǎn)低聚糖主要是利用生物技術(shù)的酶水 解或酶轉(zhuǎn)換法來生產(chǎn)。3.1.3 L-肉堿 L-肉堿的制備主要有四種方法： 提取法 化學(xué)合成拆分法 微生物發(fā)酵法 酶法3.1.4 活性肽類活性肽類谷胱甘肽是三肽，在人體內(nèi)有重要的生理功能： 1、當(dāng)人體攝入食物中含不潔凈物或藥物等有毒物時，在肝臟中谷胱甘肽能和有毒物質(zhì)結(jié)合而解毒。2、谷胱甘肽過氧化酶是一種含硒酶，能消除體內(nèi)自由基的危害，防止活性氧對機(jī)體膜質(zhì)的過氧化作用。3、谷胱甘肽在谷氨酸，呈味核苷酸等物質(zhì)共存時，具有強(qiáng)烈的肉類風(fēng)味，

18、所以其還是一種營養(yǎng)性的肉類風(fēng)味增強(qiáng)劑。 3.1.5 多不飽和脂肪酸3.1.6 紅曲3.1.7 真菌多糖3.2 微生物工程在醫(yī)藥衛(wèi)生中的應(yīng)用1 、抗生素主要種類 抗細(xì)菌抗生素 抗真菌抗生素 抗原蟲抗生素 抗腫瘤抗生素 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 頭孢菌素型半合成抗生素 其他半合成抗生素2、 定義：生物制品：是指含抗原制品，包括由減毒或死的病毒和立克次氏體制造的疫苗，減毒或死的病原菌制造的菌苗，類毒素，以及含抗體的制品。3.3 微生物工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用1、厭氣發(fā)酵法2、好氣發(fā)酵法1.3 微生物發(fā)酵的應(yīng)用微生物發(fā)酵的應(yīng)用發(fā)酵乳制品發(fā)酵乳制品奶酒、干酪、酸奶等。奶酒、干酪、酸奶等。食品添加劑食品添加劑味精、檸檬酸、紅曲、味精、檸檬酸、紅曲、肌苷酸、鳥苷酸、面包酵母。肌苷酸、鳥苷酸、面包酵母。新型發(fā)酵飲料新型發(fā)酵飲料活性乳酸飲料?；钚匀樗犸嬃?。“養(yǎng)樂多”是什么？養(yǎng)樂多公司是日本最大的乳酸菌發(fā)酵制品生產(chǎn)企業(yè)，“干酪乳酸桿菌代田株”是最早在1930年，日本醫(yī)學(xué)博士代田稔發(fā)現(xiàn)獲得的一種活性乳酸桿菌，他在研究有益消化的乳酸菌時，成功地分離、強(qiáng)化培養(yǎng)出乳酸桿