宋存江生物技术概论4发酵工程

发酵工程
4.1.3 发酵技术的应用
发酵工程
Байду номын сангаас
➢化学工业
• 可降解的生物塑料 • 化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等） • 生物表面活性剂及生物凝集剂
利用微生物合成生物降解材料 ----聚羟基脂肪酸脂 (Polyhydroxyalkanoate､PHA)
众所周知，微生物的营养因素包括：碳源、氮源、无机盐、 微量元素、水和生长因子（氨基酸、维生素和嘌呤或嘧啶）｡当 环境中，缺少氮源而碳源浓度又比较高时、一部分微生物体内就 积累一些颗粒、被分离纯化后即为具有热塑性的生物降解高分子 材料。现已知有300余种细菌可以积累单体在90种以上的 PHA｡
➢ 反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设 备较简单。
➢ 原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农 副产品、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑 等），微生物本身能有选择地摄取所需物质。
4.1.2 发酵技术的特点
➢ 容易生产复杂的高分子化合物， 能高度选择地在复杂化合物的特 定部位进行氧化、还原、官能团 引入或去除等反应。
Pseudomonas mendocina NK-01 Pseudomonas mendocina NK-01 PHA
从门多萨假单胞菌NK-01基因组中获得的中长链PHA合成酶 phaC1基因构建重组载体pBSphaC1，在E.coli JM109 中进行表 达，以所构建的工程菌株进行PHA的发酵量重组大肠杆菌合成 的PHA结构分析表明，工程菌合成的PHA中含有六碳和八碳单 体
➢农业 • 生物固氮 • 生物杀虫剂 • 微生物饲料
发酵工程
4.1.1 发酵类型
微生物代谢产物
发酵工程
➢ 在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、 核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长 繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。
➢ 在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有 特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒 素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁 殖无明显关系，叫做次级代谢产物。
酸味剂，生物碱，酶抑制剂，酶，溶媒，辅酶，表面活 性剂，转化甾醇和甾体，有机酸，乳化剂，色素，抗氧 化剂，石油等
离子载体，抗代谢剂，铁运载因子等
微 生 物 工 业 的 一 些 轻 化 工 产 品
微生物的转化发酵
4.1 发酵工程概况
发酵工程
4.1.2 发酵技术的特点
➢ 发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应 过程能够在发酵设备中一次完成。
4.1.1 发酵类型
微生物代谢产物类型
发酵工程
产业 医药 食品 农业 轻工
其他
微生物代谢产物
抗生素，药理活性物质，维生素，抗肿瘤剂、基因工程 药物、疫苗等
氨基酸，鲜味增强剂，脂肪酸，蛋白质，糖与多糖类， 发酵剂，脂类，核酸，核苷酸，核苷、维生素、饮料等
动物生长促进剂，除草剂，植物生长促进剂，灭害剂， 驱虫剂，杀虫剂等
➢ 发酵过程中需要防止杂菌污染， 大多情况下设备需要进行严格的 冲洗、灭菌，空气需要过滤等。
发酵工程
4.1 发酵工程概况
4.1.3 发酵技术的应用 ➢医药工业 • 抗生素、维生素、激素 • 疫苗和菌苗等
发酵工程
粘细菌产生的生理活性物质
粘细菌（Myxobacteria）是一类能够产生多种生理活性物质的微生物 。近10年的研究已经昭示出粘细菌具有广阔的开发利用空间。在20世纪70年 代，首次报道粘细菌产生的活性次级代谢产物是三烯吡喃菌素（ambruticin ）。目前已从粘细菌中发现了大约600多种生理活性物质。与其它的药源菌 相比，粘细菌具有独特的优势和巨大的潜力。
4 发酵工程
学习目的 掌握发酵工程的基本类型和基本原理， 了解典型发酵产品的生产工艺，认识发 酵的基本过程及常用的发酵设备。
4 发酵工程
发酵工程
发酵工程是一门将微生物学、生物化学和化学工 程学的基本原理有机地结合起来，利用微生物的生长 和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。
它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。
粘细菌 Soarngium cellulosum 产生的埃博霉素类化学结构
4.1.3 发酵技术的应用
发酵工程
➢食品工业
• 微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮 料、酒类
• 食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然 色素等）
发酵法生产的一些氨基酸及其用途
4.1.3 发酵技术的应用
➢能源工业 • 酒精 • 沼气 • 氢能
引言
发酵的定义
4 发酵工程
➢ 发酵（fermentation）最初来自拉丁语“发泡”（fervere），是指 酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2的现象。
➢ 生物化学上将发酵定义为“微生物在无氧时的代谢过程”。 ➢ 目前，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备
微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。
微生物发酵工程: 是利用微生物的生长繁殖和代谢活动以及特定功能，通过 现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系。是将传 统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展 起来的现代发酵技术。
4 发酵工程
4.1 发酵工程概况
4.1.1 发酵类型
➢ 微生物菌体发酵 ➢ 微生物酶发酵 ➢ 微生物代谢产物发酵 ➢ 微生物的转化发酵 ➢ 生物工程细胞的发酵
埃博霉素产生菌-纤维堆囊菌营养细胞
（山东大学李越中教授提供）
埃博霉素类抗肿瘤物质
是一种新的16元环多酮大环内酯，含有一个噻唑基和环上的一个环氧结构。该菌 产生A和B两种主要组分,C-F四种次要组分以及36种极微量成分。这类物质的作用机制 与紫杉醇类相似，它与微管蛋白结合，干扰细胞骨架的形成，起到抗肿瘤作用。近年 来，对这类物质的化学合成，构效关系以及药效学等的研究进展很快，有望成为比紫 杉醇更好的临床抗肿瘤药物。图15-20所示为从纤维堆囊菌发酵液中分离到的埃博霉素 A，B，C，D和F的化学结构。
4.1.3 发酵技术的应用
发酵工程
➢冶金工业 • 黄金开采和铜、铀等金属的浸提
发酵过程的场所 微生物冶金------冶金装置
氧化亚铁硫杆菌 和
氧化硫硫杆菌
CuFeS2 + 2 Fe2(SO4)3 +2H2O + 3O2 CuSO4 + 5FeSO4 + 2 H2SO4
4.1.3 发酵技术的应用