微生物工程课件

1、微生物工程,利用生物特性和发酵理论，通过现代化的工程技术手段，进行工业化规模生产，使受培养的微生物或动植物细胞积累所需产品的一门技术学科,微生物发酵技术,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。,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,一、发酵的定义,1、传统发酵 2、生化和生理学意义的发酵 3、工业上的发酵,1、传统发酵,最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。,2、生化和生理学意义的发酵,指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说

2、，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。,图示总结,E1,E2,葡萄糖,ATP,ADP,葡萄糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,ATP,ADP,1，6-二磷酸果糖,乳酸,NAD+,NADH+H+,E3,E1：己糖激酶 E2：6-磷酸果糖激酶-1 E3：丙酮酸激酶,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,ATP,ADP,1，3-二磷酸甘油酸,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,NAD+,NADH+H+,ADP,ATP,Pi,H2O,3、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。,二、发酵工业,1.定义：是指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。,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,2.获得发酵产品的条件,三、发酵工业的发展历史,天然发酵阶段 纯培养技术的建立：巴

3、斯德，科赫等。人为地控制微生物的发酵进程。 通气搅拌发酵技术的建立： 青霉素的生产深层培养 代谢控制发酵技术：微生物进行甾体化合物的转化，Glu和Lys发酵生产。对微生物具有高度专一性的酶反应作为合成手段的一部分加以利用，进行合理的代谢。,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。,四、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,1、生产微生物细胞物质,定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。 特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段

4、，生长稳定期产量最高。,2、微生物酶发酵,酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。 分类：胞内酶 和胞外酶 生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。,3、微生物代谢产物发酵,包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。 对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。 各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。,4、微生物的生物转化,定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。 最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。,5、微生物特殊机能的利用,利用微生物消除环境污染 利用微生物发酵保持生态平衡 微生物湿法冶金 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。,五、发酵工业的特征,发酵过程中离不开微生物的作用 1、发酵原料的选择及预处理 2、微生物菌种的选育及扩大培养 3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种子扩大培养和发酵采用

5、不同的工艺。 4、发酵产物的分离提取 5、发酵废物的回收和利用,(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。 (2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。,(3)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件简单。 (4)发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在无菌条件下进行。 (5)由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。,(6)发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。 (7) 工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显著的经济效益。 (8) 除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。,六、发酵方法的类别与流程,1、类别： 根据对氧的需要

6、区分： 厌氧和有氧发酵 根据培养基物理性状区分： 液体和固体发酵 根据从微生物生长特性区分： 分批发酵和连续发酵,2、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,2. 工业发酵步骤和工艺流程,(1) 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制 (2) 培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌 (3) 将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发 酵罐中 (4) 将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物 (5) 将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品 (6) 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐中试,由实验室研究到产业化的过程,发酵生产,发酵工程生产产品的流程图,The essential components of a fermentor,发酵的主体设备,2.1发酵原料的预处理,原料不同处理方法也有所差异。 1. 淀粉利用前需变成糊精或葡萄糖 方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法 2. 糖蜜加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐 3. 碳氢化合物：石

7、油脱蜡一定馏分的石油经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10的油，加入适量无机盐进行接种发酵,2.2菌种斜面培养,菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种 方法：一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于种子扩大培养。,2.3 种子扩大培养,扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体培养两级不同方式。 固体种子扩大培养一般采用传统的制曲工艺，一般先用克氏瓶或匣子瓶进行扩大，再转接到曲盘扩大培养。 需氧微生物：将克氏瓶表面培养的菌种接到装有液体培养基的三角瓶中，在摇床上振荡培养。 厌氧微生物：将有菌种的试管斜面或克氏瓶转接到三角瓶液体培养基中静置培养。,2.4 微生物发酵和控制,发酵方式可分为固体发酵和液体发酵两种。 固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。 液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。 影响发酵的因素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必须适当地控制影响发酵的各种条件，掌握发酵的动态，并进行杂菌的检查和产物测定，使整个发酵过程顺利进行。,2.5 发酵产物的分离提取,利用菌体：离心沉淀或板框压

8、滤法使菌体与醪液分开，也可以用喷雾干燥法直接做成粉剂。 酒精发酵醪蒸馏塔蒸馏； 抗菌素及有机酸根据产物的不同特性，采用离子交换树脂吸附处理、脱色过滤、减压浓缩等方法提取精制。 获得的产物都要按照有关部门制定的国家标准进行质量检验和性能测定，符合要求后才为合格产品。,常见的工业微生物,微生物是个体微小的生物的总称， 包括原核类（细菌） 真核类（真菌、原生动物、单细胞藻类） 非细胞类（病毒）。,菌种的来源,微生物的类群庞杂,原核生物界：例如细菌、蓝藻 真菌界：例如酵母菌 原生生物界：例如草履虫、变形虫 病毒：例如艾滋病毒、脊髓灰质炎病毒,目前已经知道的微生物约有10万种，分布在以下各界中：,农田上层15cm处微生物的数量,菌落数与空气清洁度的关系,人体微生态中微生物的含量,人体消化系统中微生物群体 (个/g),一、细菌,1、细菌的结构,一、细菌,2、细菌的繁殖：,细菌主要是以二分裂的方式进行繁殖,一、细菌,3、细菌的菌落 定义：单个或者少数细菌在固体培养基上大量繁殖时，会形成一个肉眼可见的、具有一定形态结构的子细胞群体，叫做群落。 特征：大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度等。 功能：每

9、种细菌在一定条件下所形成的菌落，可以作为菌种鉴定的重要依据。 举例：如啤酒酵母菌落、红酵母菌落等。,几种菌落,二、放线菌,1、放线菌的形态,二、放线菌,2、放线菌的结构,培养基,二、放线菌,3、放线菌的分布 放线菌在自然界分布很广，在土壤、堆肥和湖底、河底的淤泥等处，尤其在土壤中种类和数量很多。 4、放线菌的繁殖 放线菌没有有性繁殖，主要通过形成无性抱子形式进行无性繁殖，成熟的分生孢子或孢囊孢子在适宜环境里发芽形成新的菌丝体。,三、病毒,1、病毒的形态,三、病毒,2、病毒的繁殖,吸附,微生物工业对菌种的要求,培养基原料来源广、廉价； 培养条件易控制； 发酵周期短； 菌株高产； 抗病毒（噬菌体）能力强； 菌株性状稳定，不易变异退化； 菌体本身不能是病原菌；,真菌（青霉素、头孢等）,一、抗生素生产有关的微生物,抗生素是次级代谢产物，需要生物体进行复杂的代谢，目前发现的生物来源如下：,菌种的来源,已工业化产品生产菌的介绍,二、氨基酸生产有关的微生物,代谢控制发酵：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。,50, 60年代以氨基酸发酵为代表的代谢控制发酵，是发酵工业发展历史上的一个转折点：,HD:高丝氨酸脱氢酶,黄色短杆菌中赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸的合成调节机制,HT:高丝氨酸转乙酰酶,AK:天冬氨酸激酶,葡萄糖-磷酸烯醇式丙酮酸-丙酮酸-丙氨酸.亮氨酸等,乙酰辅酶A,草酰乙酸,PS:2,3-二氢吡啶二羧酸合成酶,三、食品酶制剂生产有关的微生物,开发一个新酶，都要经过一系列研究的毒理试验。关于食品用酶，美国需要得到FDA的批准。目前已同意使用的仅仅少数微生物能用于生产食品用酶。,淀粉酶：黑曲霉、米曲霉、米根酶、枯草牙孢杆菌 和地衣牙孢杆菌,生产菌种的保藏与选育,菌种保藏 （1）目的： 存活，不丢失，不污染； 防止优良性状丢失； 随时为生产、科研提供优良菌种。 （2）基本原理：根据菌种的生理生化特点，人工地创造条件，使菌种的代谢活动处于不活泼状态。 （3）常用的菌种保藏方法：斜面低温保藏法、石蜡油封保藏法、砂土保

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