1、第一部分第一部分 微生物工程原理微生物工程原理目的要求目的要求 第一部分微生物工程原理包括第一部分微生物工程原理包括8 8章，目的是章，目的是介绍微生物工程的介绍微生物工程的上游工艺原理上游工艺原理。要求学生掌。要求学生掌握生产菌种的分离、优良菌种的选育、菌种保握生产菌种的分离、优良菌种的选育、菌种保藏、微生物的代谢调节和代谢工程、培养基配藏、微生物的代谢调节和代谢工程、培养基配制、发酵工艺控制、发酵过程的微生物反应动制、发酵工艺控制、发酵过程的微生物反应动力学等原理和方法。力学等原理和方法。1 微生物工程概论 微生物工程微生物工程:微生物工程的主体是利用微生物工程的主体是利用微生物生长代谢活
2、动生产的各种生理活性微生物生长代谢活动生产的各种生理活性物质来生产商业产品。这项工程需要物质来生产商业产品。这项工程需要微生微生物学、生物化学、化学工程和市场营销学物学、生物化学、化学工程和市场营销学等等有关知识来共同营建。微生物工程已成有关知识来共同营建。微生物工程已成为微生物学、生物化学、化学工程和市场为微生物学、生物化学、化学工程和市场营销学等多学科密切相关的营销学等多学科密切相关的交叉性学科交叉性学科。1.1 微生物工程的发展简史 1.1.1 1.1.1 传统的微生物发酵技术传统的微生物发酵技术天然发酵天然发酵 人类利用微生物的代谢产物作为食品和医药，已有几千年的历史了。酒(古埃及 公
3、元前4000 3000年；龙山文化4200年）啤酒、黄酒、酱油、泡菜、面包等。1.1.2 1.1.2 第一代微生物发酵技术第一代微生物发酵技术 纯培养技术的建立纯培养技术的建立 主要是厌氧发酵和表面固体发酵产生的初级代谢产物。出现于20世纪40年代，以抗生素的生产为标志。青霉素的发现与大量需求,表面培养法(surface culture)效价40U/mL，纯度20%，收率30%1.1.3 1.1.3 第二代（近代）微生物发酵技术第二代（近代）微生物发酵技术 深层培养技术深层培养技术(机械搅拌通气技术机械搅拌通气技术)可以说,这是一个近代发酵工业的鼎盛时代。新产品、新技术、新工艺新设备不断出现,
4、应用范围也日益扩大,如广泛应用于能源开发、环境保护、细菌冶金和石油勘探等。2、第一代微生物发酵技术、第一代微生物发酵技术纯培养技术纯培养技术链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等 抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出现，如氨基酸发酵工业现，如氨基酸发酵工业 好氧发酵，初级、次级代谢产物好氧发酵，初级、次级代谢产物Louis Pasteur Louis Pasteur 微生物引起发酵；酒精发微生物引起发酵；酒精发酵由酵母引起酵由酵母引起Eduard Buchner Eduard Buchner 酒化酒化酶酶(zym
5、asezymase)Robert Koch Robert Koch 发明了固体培养基；建立了发明了固体培养基；建立了纯培养技术纯培养技术人为控制发酵过程人为控制发酵过程 酒精、丙酮、丁醇、有机酸等酒精、丙酮、丁醇、有机酸等 （主要是厌氧发酵；初级代谢产物）（主要是厌氧发酵；初级代谢产物）此后很快全世界各国的研究人员发展出大量此后很快全世界各国的研究人员发展出大量基因分离基因分离、鉴定和克隆、鉴定和克隆的方法的方法,不但构建出高不但构建出高产量的基因工程菌产量的基因工程菌,还使微生物产生出它们本还使微生物产生出它们本身不能产生的外源蛋白质身不能产生的外源蛋白质,包括植物包括植物、动物和、动物和人
6、类的多种生理活性蛋白人类的多种生理活性蛋白。而且很快形成了产而且很快形成了产品品,如如胰岛素胰岛素、生长激素、细胞因子及多种单、生长激素、细胞因子及多种单克隆抗体克隆抗体等基因工程药物和产品已正式上市等基因工程药物和产品已正式上市。（1972）DNA 重组技术、原生质体融合技术重组技术、原生质体融合技术等应用等应用 1982，第一个基因工程产品，第一个基因工程产品利用工程菌利用工程菌生产的人胰岛素问世生产的人胰岛素问世 现有许多种类的产品现有许多种类的产品1.2 1.2 微生物工程的微生物工程的应用用 微生物工程在基因工程、细胞工程、蛋白质工程等现代生物技术的支持下，可以产生众多新的产品，应用
7、的范围进一步扩大，已深入到工农业生产、医药保健、环境保护、甚至微电子领域，促进了传统产业的技术改造和新兴产业的产生，对人类社会生活将产生深远的影响，同时也具有巨大的经济效益潜力。1.2.1 微生物工程在食品工业中 的应用1.2.2 微生物工程在医药卫生中的 应用1.2.2、1 抗生素1.2.2、2 氨基酸1.2.2、3 维生素122、4甾体激素122、5生物制品122、6治疗用酶122、7酶抑制剂122、8其他1 12 23 3微生物工程在轻工业中的应用糖酶蛋白酶果胶酶脂肪酶氨基 酰化酶甘露聚糖酶过氧化氢酶1 12 24 4微生物工程在化工能源产品中的应用醇及溶剂有机酸多糖烷烃清洁能源藻类产油
8、等1 12 25 5 微生物工程在农业中的应用 125、1 生物农药 125、2 生物除草剂 125、3 生物增强剂 125、4 食用菌1 12 26 6 微生物工程在环境保护中的应用127 微生物工程在细菌冶金中的应用128 微生物工程在高新技术研究中的应用 总之总之,微生物工程技术的应用十分微生物工程技术的应用十分广泛广泛,它的发展推动了其他生物技术它的发展推动了其他生物技术的快速发展的快速发展,同时随着基因工程、蛋同时随着基因工程、蛋白质工程、细胞工程技术的研究白质工程、细胞工程技术的研究,将将会进一步扩大微生物工程技术的应会进一步扩大微生物工程技术的应用范围用范围,为工农业生产和人类健
9、康做为工农业生产和人类健康做出更为巨大的贡献。出更为巨大的贡献。五、微生物工程的应用五、微生物工程的应用食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等）食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等）含醇饮料：葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌含醇饮料：葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌发酵乳制品：奶酪、酸奶发酵乳制品：奶酪、酸奶调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等微生物技术最早开发应用的领域，至今产量和产值微生物技术最早开发应用的领域，至今产量和产值仍占微生物工程的首位仍占微生物工程的首位1、在食品工业的应用、在食品工业的应用2、在医药卫生中的应用、在医药卫生中的应用维生素：
10、维生素：VB2、VB12、Vc、VA、VD等等酶抑制剂：酶抑制剂：棒酸（可抑制棒酸（可抑制-内酰胺酶对青霉素的破坏）内酰胺酶对青霉素的破坏）-淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病 胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等疫苗等3、在轻工业中的应用、在轻工业中的应用4、在化工能源中的应用、在化工能源中的应用4 4、微生物工程在化工能源产品中微生物工程在化工能源产品中的应用的应用醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇等醇、丁二醇等有机酸：醋
11、酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、衣康酸、水杨酸等酸、衣康酸、水杨酸等多糖：黄原胶、海藻糖等多糖：黄原胶、海藻糖等清洁能源：氢气、微生物燃料电池等清洁能源：氢气、微生物燃料电池等5、在农业中的应用、在农业中的应用5 5、微生物工程在农业中的应用微生物工程在农业中的应用生物农药：生物农药：杀虫剂（杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫）、白僵菌、病毒、微孢子虫）防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病毒、庆丰霉素）毒、庆丰霉素）6、在环境保护中的作用、在环境保护中的作用6 6、微生物工程在环境保护中的应用微生物工程在环境保护中的应用污
12、水处理（厌气法、好气法）污水处理（厌气法、好气法）7 7、微生物工程在细菌冶金中的应用微生物工程在细菌冶金中的应用 8 8、在高技术领域中的应用、在高技术领域中的应用 基因工程的各种工具酶等基因工程的各种工具酶等微微生物工程产品类型生物工程产品类型1、微生物菌体的发酵、微生物菌体的发酵SCP、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）、药用真菌（冬虫夏草、茯苓等）生物防治制剂（如苏云金杆菌）生物防治制剂（如苏云金杆菌）活性乳制剂活性乳制剂2、微生物酶发酵、微生物酶发酵各种酶制剂：各种酶制剂：糖化酶、氨基酰化酶（糖化酶、氨基酰化酶（DL氨基酸光学拆氨基酸光学拆分）、蛋白酶、脂肪酶等分）、蛋白酶、脂肪酶等3、微
13、生物代谢产物发酵、微生物代谢产物发酵初级代谢产物：初级代谢产物：与菌体生长相伴随的产物，与菌体生长相伴随的产物，氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂 菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累微生物的生物转化微生物的生物转化 利用微生物细胞的一种或几种酶，对外源化利用微生物细胞的一种或几种酶，对外源化合物的特定部位进行加工，如加入羟基、还原合物的特定部位进行加工，如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链等。双键、脱氧或切断支链等。转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生，
14、而是微生物细胞的酶或物质经细胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物的某一部位，进行特定部位的酶系作用于底物的某一部位，进行特定部位的化学反应而形成。化学反应而形成。反应最显著的特点是特异性强，包括反应特反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性、立体特异性。异性、结构位置特异性、立体特异性。如：如：甾体转化甾体转化生物转化与化学转化的比较生物转化与化学转化的比较 化学转化：化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett,576kg脱氧胆酸，脱氧胆酸，30多步反应，多步反应，两年两年938mg醋酸可的松）醋酸可的松）生物法：生物法：高效、收率
15、高高效、收率高 （1952年，年，Munrry等，黑根霉，仅等，黑根霉，仅1步就将孕酮步就将孕酮11位位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需需3步，这样才使可的松问世）步，这样才使可的松问世）微生物特殊机能的利用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消除环境污染金属浸沥回收金属浸沥回收利用基因工程菌开拓发酵工程新领域利用基因工程菌开拓发酵工程新领域微生物工程主要研究或工作的内容：微生物工程主要研究或工作的内容：生产菌种的选育、发酵条件的优化生产菌种的选育、发酵条件的优化与控制、反应器的设计及产物的分离、与控制、反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。提取与精制等。
