第三章.ppt
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1、生物技术在制浆造纸中的应用,骆莲新,课程性质和目的,本课程为轻化工程专业本科学生开设的公开选修课。目的在于通过教与学,使学生正确理解生物技术在制浆造纸中的应用原理和一般方法,拓宽学生的知识面。,课程教学的基本要求,教学环节:课堂讲授,学生自学,平时作业和期末考试 讲授学时:21学时 考核方式:闭卷考试 总评成绩:平时成绩(学习态度、 4次作业、考勤等)占30%,闭卷考试占70%。,参考资料,1谢来苏编著,制浆造纸的生物技术,化学工业出版社,2003年6月; 2林鹿,詹怀宇编著,制浆漂白生物技术,中国轻工业出版社,2002年4月; 3杨汝德编著,现代工业微生物学,华南理工大学出版社,2001年2
2、月; 4袁勤生编著,应用酶学,华东理工大学出版社,1994年8月。,目 录,一、概述 二、微生物学基础知识 三、酶学基础知识 四、木质纤维的生物降解 五、生物改良树种和原料的生物处理 六、生物技术在制浆中的应用 七、生物技术在漂白中的应用 八、生物技术在造纸中的应用 九、生物技术在废纸回用中的应用 十、生物技术在造纸废水处理中的应用,第一章 概述,1.1 植物纤维 1.2 生物技术 1.3 生物技术在造纸工业中的应用,1.1 植物纤维(Plantfibre),植物纤维广泛分布在种子植物中的一种厚 壁组织。 植物纤维的细胞细长,两端尖锐,具有较厚的次生壁,壁上常有单纹孔,(1)植物纤维的存在部位
3、,(2)植物纤维的化学组成,(3)植物细胞壁的结构和组成,各种植物细胞壁模型,细胞壁微细纤维结构模型,(3)植物纤维的利用概况,概念:利用微生物、动物、植物,对物料进行加工,以提供产品来为社会服务的技术。,1.2 生物技术(Biotechnology),学科基础:细胞生物学、遗传学、微生物学、分子生物学,最显著特点:在细胞和亚细胞的分子水平上直接操纵生命,改变生物的遗传形态,甚至定向地创造新的生命形式。,生 物 技 术,基因工程:通过生物遗传基因的重组,开发出新的优良品种和新的物种,生物工程:通过生物代谢作用,生产出许多有用的新有机物质,酶工程:通过酶促反应,大大改善许多现有生产工艺的条件和效
4、率,生物技术的应用领域,人类健康提高生命质量、延长人类寿命 农业改善农业生产、解决食品短缺 能源和资源解决能源危机、治理环境污染 工业制造工业原料、生产贵重金属,(1)重要依据,造纸工业的基本原料是生物体(植物): 制浆造纸方法基本上是对生物体的化学反应过程 制浆造纸的环境污染物主要是生物体降解的有机物,1.3生物技术在造纸工业中的应用,(2)研究领域,培植植物纤维原料 原料贮存 生物制浆 生物酶促漂白 废纸的酶促脱墨 树脂障碍的生物控制 腐浆的生物控制 纸质材料在自然界的生物降解 废水废渣的生物处理,生 物 技 术,在制浆造纸工业中,(3)意义,通过生物技术在木材制浆工业中的研究和应用,制浆
5、工业迫切期望能: 降低纤维原料和化学药品的消耗量 提高纸浆得率 改进产品质量 节约能耗 减轻或消除对环境的污染 经济效益好的新的原料品种,生物技术的应用必将为制浆造纸工业的发展发挥巨大的推动作用,第二章 微生物学基础知识,2.1 微生物的概念 2.2 微生物的特点 2.3 微生物的种类 2.4 影响微生物的因素 2.4 微生物的展望,自然界中N、C、S等元素循环,农业,以菌造肥,以菌催长,以菌防病,以菌治病,工业,微生物应用于食品、皮革、纺织、石油、化工、冶金等,医药工业利用微生物制造抗生素、维生素、辅酶、ATP等药物,污水处理,利用微生物降解有机磷、氰化物等,基因工程技术中提供多种工具酶和载
6、体系统,创建有益的工程菌新品种,微生物与人类的关系,微生物,有少数微生物能引起人类和动、植物的病害,2.1 微生物的概念,微生物(Microorganism,microbe) 是一些肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。,微生物小的直观感觉,真核细胞型,原核细胞型,电镜,微生物的相对大小,肉眼,光学显微镜,可见范围,病毒,微生物形态、大小和细胞类型,微生物的体积大小,单位:m(10-6 m)或nm(10-9m),必须用显微镜观察,各种“视野”下的细菌,光镜,暗视野,荧光,透射电镜,超薄切片,冷冻切片,扫描电镜,DNA蛋白质复合物,2.2 微生物的特点,个体最小,比表面值最大 (比表面值=面积/体
7、积) 比表面值: 假设人=1; 大肠杆菌(E.coli)=300,000; 有利于物质交换和能量、信息的交换; 微生物一系列属性均与此特点密切相关。,小体积 大面积,营养物质 吸收面,代谢废物 的排泄面,环境信息 的交换面,巨大,巨大,巨大,微生物的生物学之最,形态最简 代谢能力最强 食谱最杂 繁殖最快 数量最多 分布最广 种类最多 变异最易,个体最小,微生物的特点,形态最简,微生物的特点,代谢能力最强,微生物的特点,体 积 越 小, 代 谢 越 强,大肠杆菌在1小时内分解的糖 是本身重量2000倍糖。 1kg酵母菌在12小时内,将几 吨糖转化为酒精。 1克闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食 3
8、克地鼠每天消耗与体重等重的粮食,奶牛(500kg)在24h内合成0.5kg蛋白质 微生物细胞在24h内合成自身重量30-40倍的细胞物质,吸收多,转化快,人类利用微生物生产许多产品,就是因为它们的生物化学转化能力特别强“活的化工厂”。,微生物的特点,食谱最杂,从无机物到有机物;从无毒物到有毒物;从结构简单到结构复杂的物质,微生物都能利用和降解。,微生物的特点,大多数细菌的繁殖速度都很快 如:大肠杆菌在适宜的生长条件下: 12.5-20分钟 繁殖1代 每小时 分裂3代,由1个变成8个。 经24小时 分裂72代,重约4722吨 经24小时 可产生4.721021个后代。,繁殖最快,微生物因受营养、
9、空间、代谢产物等条件限制,几何级数的繁殖速度只能维持数小时。,微生物代时及每日增殖率,在工业应用中的意义,生产效率高,周期短,微生物种类繁多,至少有十万种以上 如:人体的肠道中始终寄居着100400种微生物,为肠道正常菌丛,总数可达100万亿。,数量最多,微生物的特点,分布最广,微生物的特点,分布广,微生物在自然界的分布: 无处不在,无孔不入,正常环境,极端环境,陆地:高山、平原、沙漠 空气: 水域:河流、湖泊、 生物体内外,高空:12000m 深海底:10000m 2000米深的地层温泉,分布,种类最多,微生物的特点,地球上的微生物:估计有100万种 已发现的微生物:约有10万种 已开发利用
10、的微生物:约1000种,变异最易,突变频率一般为10-510-10,但因繁殖快,数量多,与外界环境直接接触,因而在短时间内可出现大量变异的后代。,微生物的特点,青霉素的使用剂量: 1940年 10万元单位/次 1980年: 输液80万单位/次 2000年: 输液800万-1000万单位/次,青霉素生产菌的发酵水平 1940年 每毫升20单位 2000年 每毫升10万单位,0.02g/ml,青霉素对金黄色 葡萄球菌最低抑 制浓度。,200g/ml,2.3 微生物的种类,按细胞类型分类:,原核生物,主要特征:无核膜、核仁、染色体,仅 有裸露的DNA链形成的核区域 e.g.细菌、放线菌、衣原体支原体
11、、立 克次氏体、 蓝细菌;,真核生物,主要特征:有核膜,核仁,染色体;有 细胞器 e.g.真菌(霉菌、酵母菌等)、原生动 物、单细胞藻类;,非细胞生物,主要特征:不具细胞结构,由核酸构 成,只能在活细胞内复制 e.g.病毒、类病毒、拟病毒等;,按门类分类:,1、真菌(Fungus),酵母菌,蘑菇,霉菌,黄曲霉,白腐菌,是一种真核生物,具有真正的细胞核和完整的细胞器,细胞既不含叶绿体,也没有质体,是典型异养生物,典型的繁殖方式是产生各种类型的孢子,真菌,种类多:约有150万种,只有约7万种为文献所记载。 中国:8-10万种,已知8000种。,霉菌的分生孢子,食品与食品加工 蘑菇、木耳、银耳、香
12、菇、草菇、鸡丛、羊肚 菌、口蘑、松口蘑、喉 头菌等。 酱、醋、面包、奶 酪、蒸馒头、豆腐 乳的制作,(1)益处,医药卫生 中药:灵芝、茯苓、冬虫夏草、 马勃、雷丸、猪苓。 西药:青霉素(penicillin)、灰 黄霉素、头孢霉素等。 麦角菌素,工业: 酒精制造: 糖化酶 酒精酶 淀粉 单糖 酒精 糖化酶(根霉、毛霉) 酒精酶(酵母菌),发酵工业: 甘油、柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸、延胡索酸。,农业、园林: 病虫草害的生物防治 菟丝子炭疽病菌。 白僵菌防治害虫幼虫。 木霉菌、拟青霉、轮枝菌等对其它真菌病原的拮抗作用、防治作用。 非致病菌、致病菌的弱菌系诱导植物对致病菌的诱导抗性。 植物生长调节物质
13、 菌根菌:扩大了植物根的吸收面积。,生态环境: 物质的生物循环:有机物的降解; 地球生态系中,分解者,“清洁工”。 地衣:固氮,(2)害处,对植物的危害 10,000多种真菌, 7080%的植物病害由真菌引起。,产量损失,质量下降 真菌毒素 麦角中毒 黄曲霉素的致癌作用,人与动物的病害与毒害: 病害 皮肤病:手足癣,头癣,牛、 羊、狗的山谷热等。 肺部感染:原生动物肺炎囊菌。,毒害:毒菇 许多真菌含有毒性物质,引起人和动物的中毒致病、致死,如毒蘑菇80余种。腹鸣、呕吐、幻觉、狂笑、精神错乱等。,木材、食品、饮料、衣物的腐烂变质,产生毒素:100余种,如黄曲霉毒素,致癌。,2、细菌(Bacter
14、ia),细菌是原核生物界中具有细胞壁,细胞核无核膜包裹,存在裸露DNA的原始单细胞微生物,基本结构: 细胞壁; 细胞膜; 细胞质; 核质体;,特殊结构: 荚膜; 芽孢; 鞭毛;,(1)细菌的结构,(2)细菌的基本形态,细菌大小的测量单位:微米(m),球菌,杆菌,螺形菌,二分裂方式(binary fission) 多数细菌繁殖一代所需时间约为2030min。但少数细菌较长,如结核分枝杆菌为18 20小时。,(3)细菌个体的繁殖方式与速度,细菌的分裂,二分裂法繁殖 (Binary fission): 细胞增大,DNA复制; 横隔形成; 细胞分成两个,DNA分别进入子细胞; 细胞分离。,(3)细菌的
15、危害,在人类活动中,细菌是许多疾病的病原体,包括肺结核、淋病、炭疽病、梅毒、鼠疫、砂眼等疾病都是由细菌所引发。 在植物中,细菌导致叶斑病、火疫病和萎蔫等。,(4)细菌的用途,细菌通常与酵母菌及其他种类的真菌一起用于发酵食 生态系统中的分解者 细菌降解多种有机化合物的能力也常被用来清除污染,3、放线菌(Actinomycetes),放线菌因菌落呈放线状而的得名,是一个原核生物类群。,菌丝细胞的结构与细菌基本相同,形态比细菌复杂些,但仍属于单细胞,菌丝,分布: 主要存在于含有有机质丰富的中性或偏碱性的土壤中,在空气、淡水海水等处也有一定的分布 生活类型: 多数腐生,少数寄生,(1)放线菌的分布和生
16、活类型,(2)放线菌个体的繁殖方式,放线菌的生活史,(3)放线菌的危害,有的放线菌能引起人和动植物病害,如人类的皮肤病、肺病和足部感染等; 有的放线菌能使水和食品变味,或破坏棉毛织品和纸张等。,(4)放线菌的用途,生产抗生素的主要微生物 全世界近万种抗生素约70是放线菌的次生代谢产物。 筛选到许多新的生化药物 Eg.抗癌剂、酶抑制剂、抗寄生虫剂、免疫抑制剂和农用杀虫(杀菌)剂等。 生产维生素和酶 在甾体转化、石油脱蜡、烃类发酵、污水处理等方面也有应用 具有极强的分解纤维素、石蜡、角蛋白、琼脂和橡胶等的能力,2.4 影响微生物的因素,(1)有利于微生物进行正常代谢; (2)不利微生物的正常代谢,
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