第十二章 微生物工程生产举例
微生物工程工艺
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促进剂和抑制剂:在氨基酸、抗生素和酶制剂的发酵过程中,可在发酵培养基中添加某些对发酵起一定促进或抑制作用的物质。
抗生素抑制剂作用机理:一直某些合成其他产物的途径像所需途径转化、降低产生菌的呼吸。
几种抗生素抑制剂:1、链霉素 甘露糖链霉素 甘露聚糖
2、去甲基链霉素 链霉素 乙硫氨酸
酿造酒包括哪些酒?
答:酿造酒又称发酵酒、原汁酒,是借着酵母作用,把含淀粉和糖质原料的物质进行发酵,产生酒精成分而形成酒。其生产过程包括糖化、发酵、过滤、杀菌等。
主要包括:黄酒,葡萄酒,啤酒,原浆白酒
葡萄酒,啤酒的制麦过程
答:其主要过程有原料粉碎,糖化,醪液过滤,麦汁煮沸,麦汁后处理等几个过程。
(5)其他突变型,如:营养缺陷型,药物抗性突变株,敏感型突变株等
如何筛选耐高浓度酒精的菌株
答:UV处理筛选耐高浓度酒精的菌株
微生物工程:应用微生物为工业大规模生产服务的一门工程技术,他直接建立在微生物工业基础上,随着微生物工业的发展而迅速发展,并于化学工业相结合。
微生物工程可分为发酵和提纯两部分。发酵部分即发酵工程包括菌种的选育,培养基的优化与灭菌,发酵醪的特性,发酵机理,发酵动力学,空气过滤除菌与气体交换,发酵过程控制与自动化等主要内容。
连续培养:又称连续发酵,是在一个开放的系统中进行的,以一定的速率向发酵罐内添加新的培养基,同时以相同的速度流出培养基,从而使罐内的液量维持恒定,使培养物很定的状态下生长的方法。
提高溶解氧的方法:不断通入无菌空气、搅拌
引起溶氧量异常下降的原因:1、污染好气性杂菌,大量的溶氧被消耗掉2、菌体代谢发生异常,需氧量增加3、某些设备或工艺发生故障或变化
固体发酵:指没有或几乎没有自由水存在下,在有一定湿度的水下溶性固态基质中,用一种或多种微生物的一个生物反应过程。
微生物工程
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微生物工程与工业生产
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糖化
将麦芽粉碎后,与热水混合, 在特定温度和pH值下进行糖化 反应,将淀粉转化为可发酵性 糖。
发酵
在糖化液中添加酵母,进行发 酵反应,将可发酵性糖转化为 乙醇和二氧化碳。
过滤与包装
发酵结束后,通过过滤去除酵 母和杂质,得到澄清的啤酒。 最后进行包装和杀菌处理,即
可上市销售。
案例二:抗生素生产过程剖析
智能化生产
结合人工智能和机器学习技术,实现微生物工程生产过程的智能化 控制和优化。
绿色可持续发展
注重环保和可持续发展,开发低能耗、低污染、高附加值的微生物工 程产品和技术。
05
工业生产中微生物工程实践案例
案例一:啤酒生产过程分析
原料选择与处理
选用优质大麦作为原料,经过 清洗、浸泡、发芽、干燥等工
微生物工程发展
自20世纪初以来,微生物工程经历了从经验到科学、从单一到多元的发展历程 。随着基因工程、代谢工程等技术的不断发展,微生物工程在工业生产中的应 用越来越广泛。
微生物工程应用领域
01
02
03
04
发酵工程
利用微生物进行发酵生产,如 酒精、酵母、抗生素等。
生物制药
利用微生物生产药物,如疫苗 、抗体、基因工程药物等。
菌种选育
Байду номын сангаас发酵工艺优化
通过诱变育种或基因工程手段,选育出高 产、优质、抗逆性强的抗生素生产菌种。
对发酵培养基、温度、pH值、溶氧等参数 进行优化,提高抗生素的产量和质量。
提取与精制
质量控制
采用适当的提取方法,如萃取、吸附等, 将抗生素从发酵液中分离出来。然后进行 精制处理,去除杂质,提高纯度。
建立严格的质量控制体系,对抗生素的效 价、杂质含量、微生物限度等指标进行检 测和控制,确保产品质量符合标准。
微生物工程
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啤酒的发酵过程1.2.啤酒以大麦芽、酒花、水为主要原料,经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒精度酒,是一种低浓度酒精饮料;啤酒的发酵先制备麦芽汁;在冷却的麦汁中接入酵母菌种,进行啤酒主发酵;一个星期后,发酵糖度由10到12度下降到4度左右,就可以进行发酵了。
发酵在0到2度的密闭的发酵罐中进行,经过1到3个月就成熟了。
3.啤酒的化学组成:乙醇,1浸出物,二氧化碳,挥发性成分4.啤酒重要代谢副产物的形成途径:高级醇的生成,硫化物的生成(二甲基硫对啤酒的风味有重要的影响),双乙醇的生成。
5.啤酒发酵原料:水,麦芽,辅料,酒花,6.麦汁制造:麦芽粉碎(粗细之比1:2.5),麦汁制造设备(糊化锅,糖化锅,过滤槽,麦汁煮沸锅),糖化(煮出糖化法,浸出糖化法),麦汁过滤,麦汁煮沸,麦汁预冷却和冷却,7.协定发糖化实验:1原理:利用麦汁中所含的各种酶将麦亚中的淀粉分解成可发酵性糖,蛋白质分解成氨基酸;2优质麦芽的条件:浸出物多,麦芽溶解度适当,酶活力强,质量均匀。
3,麦汁基本流程:50克麦芽 ---粉碎---加200ml 47度的水---45度保温30分钟 ---升温至70度---加100ml 70度水---测糖化时间---70度1h后,冷却---加水至450克---过滤糖化时间的测定过滤速度的测定气味的检查透明度的检查8.蛋白质凝固检查情况9.7.啤酒酵母的质量检查:基本步骤:显微形态检查,死亡率的检查,出芽率的检查,凝集性实验的实验,死亡温度检测,子囊孢子产生实验,发酵性测定10.啤酒酵母的扩大培养:实验步骤:麦汁斜面菌种---麦汁平板划线---28度 2天---镜检,单菌落接种至斜面---50ml麦汁三角瓶---20度2天,每天摇动三次---15度2天每天摇动3次---计数备用。
11.糖度的测定:利用糖锤度计12.麦汁的制备:实验步骤:麦芽用量的计算,麦芽的粉碎,糖化,麦汁过滤,麦汁煮沸13.啤酒主发酵:实验过程:麦汁10度---冷却到10度---接种---主发酵,10度---5到7天,每天测定各项指标---至4度时结束(嫩啤酒)。
微生物工程
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溶氧参数
搅拌 空气线速度: 空气线速度:增加通风量 空气分布管: 空气分布管:位于搅拌器下方 氧的分压: 氧的分压:增加氧的分压 合适的径高比:H/D=2~ 合适的径高比:H/D=2~3 发酵罐体积: 发酵罐体积:采用大罐发酵 发酵液的补料:在发酵过程中补充某些养料 以维持微生物的生理代谢活动和合成需 要. 补充能源碳源, 补充能源碳源,如作为消沫剂的天然油 脂 补充氮源,如尿素, 补充氮源,如尿素,氨水 无机盐, 无机盐,微量元素 产酶的诱导物
如果在谷氨酸发酵过程中混人放线菌,则放线 如果在谷氨酸发酵过程中混人放线菌, 菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌 死亡.如果在青霉素生产过程中污染了杂菌, 死亡.如果在青霉素生产过程中污染了杂菌, 这些杂菌则会分泌青霉素酶,将合成的青霉素 这些杂菌则会分泌青霉素酶, 分解掉. 分解掉.
扩大培养: 扩大培养:
菌种退化
菌种经过多次多次传代或长期保存后, 菌种经过多次多次传代或长期保存后, 由于自然突变或异核体和多倍体的分离, 由于自然突变或异核体和多倍体的分离, 使有些细胞的遗传性状发生改变, 使有些细胞的遗传性状发生改变,造成 菌种不纯,严重者使生产能力下降, 菌种不纯,严重者使生产能力下降,称 为菌种退化. 为菌种退化.
原生质体育种方法
原生质体的融合育种 原生质体转化重组DNA育种 原生质体转化重组DNA育种 DNA 原生质体诱变- 原生质体诱变-再生育种 原生质体再生育种
育种步骤
标记菌种的筛选(遗传标记稳定) 标记菌种的筛选(遗传标记稳定) 原生质体的制备,融合,再生 原生质体的制备,融合, 融合子的选择 实用性菌株的筛选
培养基要求
满足菌种的生理生化要求 满足产品的生物合成需要 考虑设备的通气搅拌性能 成本
举例说明微生物工程在生活中的应用
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微生物工程在生活中的应用随着科技的发展和进步,微生物工程作为一门新兴的交叉学科,正在逐渐走进人们的生活并发挥着重要作用。
微生物工程是以微生物为研究对象,利用工程和技术手段对微生物进行改造和利用的一门学科。
微生物工程不仅在医学、环境保护等领域发挥作用,还在食品工业、化工行业等领域有着广泛的应用。
本文将主要介绍微生物工程在生活中的应用,并对其影响进行举例说明。
一、医学领域微生物工程在医学领域有着广泛的应用。
利用微生物工程技术可以制备抗生素、激素、疫苗等药物。
研究人员利用工程和技术手段可以改造微生物,使其生产出具有药用价值的物质,从而满足人们对药物的需求。
微生物工程还可以用于疾病的诊断和治疗,比如利用微生物工程技术可以检测和鉴定病原微生物,帮助医生进行准确的诊断。
二、食品工业微生物工程在食品工业中也发挥着重要作用。
利用微生物工程技术可以制备酵素、酸奶、酒精等食品和饮料,为人们提供了丰富多样的饮食选择。
利用微生物工程技术还可以改良食品的口感、延长食品的保鲜期,提高食品的营养价值,从而满足人们不同的饮食需求。
三、环境保护微生物工程在环境保护中也发挥着重要的作用。
利用微生物工程技术可以处理废水、废气、废土等工业废物,减少污染物的排放,保护环境。
另外,微生物工程还可以用于生物防治,例如利用微生物工程技术可以研发生物农药、生物杀虫剂等,减少化学农药对环境的污染。
四、化工行业微生物工程在化工行业中也有着重要的应用。
利用微生物工程技术可以生产酶、有机酸、生物柴油等化工产品,为工业生产提供原料和能源。
微生物工程还可以用于废弃物的处理和资源化利用,加快工业化学废物的降解,减少废物对环境的负面影响。
五、其他领域除了医学、食品工业、环境保护、化工行业,微生物工程还在许多其他领域有着重要的应用。
利用微生物工程技术可以生产生物肥料、生物能源等农业产品,提高农业生产的效率;利用微生物工程技术可以生产生物降解材料、生物塑料等生物材料,降低对化石能源的依赖,减少对环境的负面影响。
微生物工程工艺原理
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原料
主要使用富含糖分的农作物,如玉米和高粱, 作为醇燃料和酒类产品。
柠檬酸发酵工艺实例
01
柠檬酸发酵
利用微生物将糖类物质转化为柠檬 酸的过程。
工艺流程
糖化、菌种制备、发酵、过滤和提 取等步骤。
03
02
原料
主要使用葡萄糖、蔗糖或淀粉等糖 类物质。
应用
主要用于食品、医药和化工等领域。
纯化技术
采用适当的纯化技术,如色谱分离、膜分离等,提高产物的纯度和 回收率。
产物提取与精制
通过提取和精制过程,进一步纯化产物,以满足后续应用的需求。
05
微生物工程工艺实例
酒精发酵工艺实例
酒精发酵
利用酵母菌的无氧呼吸作用,将糖类物质转 化为乙醇和二氧化碳的过程。
工艺流程
原料破碎、蒸煮、糖化、发酵、蒸馏和精馏 等步骤。
微生物工程基于对微生物的深入了解,通过基因工程技术、 发酵工程技术、酶工程技术等手段,实现对微生物的改造 和利用。
微生物工程涉及领域广泛,包括生物医药、生物农业、生 物能源、生物环保等。
微生物工程的应用领域
生物医药
利用微生物工程生产抗生素、 疫苗、细胞因子等生物药物,
治疗疾病。
生物农业
利用微生物工程改良作物品种 、提高农产品产量和品质、生 产生物农药和生物肥料等。
菌种保存与复壮
03
建立菌种保存体系,定期对菌种进行复壮,保持其优良性状。
培养基优化
营养成分
根据微生物的生长需求,优化培养基中的营养成 分,提高微生物的生长速率和产物产量。
碳源和氮源
调整培养基中的碳源和氮源比例,以获得最佳的 产物合成条件。
无机盐与微量元素
适量添加无机盐和微量元素,以满足微生物生长 和产物合成的需求。
微生物工程
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3 酵母菌细胞结构
4 繁殖方式
5 酵母菌与生产和生活的关系
酵母菌与人类的关系
① 酒类的生产 ② 面包的制作 ③ 乙醇甘油发酵 ④ 石油及油品脱蜡 ⑤ 饲用药用 ⑥ 单细胞蛋白生产SCP ⑦ 活性物质提取 ⑧ 微生物学研究 ⑨ 真核表达系统 ⑩ 人类疾病
(五)霉菌
1 霉菌:菌丝体发达而又不产生大型肉质 子实体的丝状真菌
细胞内存在两种S-腺苷甲硫氨酸合成酶酶
SAM1:其基因的转录在高浓度蛋氨酸存在 下受到抑制
SAM2:转录不受蛋氨酸的抑制
据此,可大大提高SAM2在DNA的拷贝, 或者
10.苹果酸脱氢酶 9.延胡索酸酶
8.琥珀酸脱氢酶
1.丙酮酸脱氢酶复合体
2.柠檬酸合成酶
3.顺乌头酸酶
4.顺乌头酸酶
5.异柠檬酸脱氢酶
代谢工程:又称代谢途径或途径工程, 是基于代谢流分析和基因重组技术改善 菌种遗传性状的一种先进技术的工程技 术。 优点:方向性强、目标明确、效率高、技 术手段先进、过程可控性和重现性好等 缺点:需要掌握相应的微生物的代谢和遗 传机理知识,以及基因操作工具。
举例:S-腺苷-L-蛋氨酸(SAM)
SAM:是甲硫氨酸 (Met)的活性形式。 在动植物体内广泛存 在,它是由底物L-甲 硫氨酸和ATP经S-腺 苷甲硫氨酸合成酶酶 促合成的。
另一方面,正因为微生物的遗传稳定性差,其遗传的保 守性低,使得微生物菌种培育相对容易得多。通过育种 工作,可大幅度地提高菌种的生产性能,其产量性状提 高幅度是高等动、植物所难以实现的。
(二)细菌
1 细菌的基本形态 ① 球形 球菌:直径
0.5×2um
② 杆形 宽×长 0.5~1×1~5um ③ 大肠杆菌:0.5×2um
微生物工程利用微生物改善生产
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微生物工程利用微生物改善生产微生物工程在现代工业和农业中发挥着重要的作用,通过利用微生物来改善生产过程,不仅可以提高产品的质量和产量,还可以降低生产成本,保护环境等。
本文将从四个方面探讨微生物工程如何利用微生物来改善生产。
一、微生物在食品工业中的应用在食品工业中,微生物工程通过利用微生物的代谢活性和发酵能力,实现了许多食品的生产和改良。
以乳制品为例,通过添加有益菌群,如乳酸菌和双歧杆菌等,可以促进牛奶和酸奶等乳制品的发酵过程,提高产品口感和营养价值。
此外,微生物工程还可以用于生产食品添加剂、酶制剂和调味品等,为食品行业提供了丰富的资源和技术支持。
二、微生物在医药工业中的应用微生物工程在医药工业中的应用广泛而重要。
通过利用微生物的代谢途径和遗传工程技术,可以生产大量的生物制剂和药物。
例如,利用大肠杆菌表达系统生产重组蛋白,如胰岛素和生长因子等,可以满足医药市场对这些蛋白质的需求。
此外,微生物工程还可以用来合成抗生素、维生素和免疫调节剂等。
通过微生物的发酵和生物转化作用,可以提高药物的纯度和产量,降低生产成本,为医药行业的发展做出了巨大贡献。
三、微生物在环境工程中的应用生物技术和微生物工程可以有效地应用于环境工程中,改善水质和土壤质量,修复污染环境。
通过微生物的分解、吸附和转化作用,可以降解有机物和污染物,净化废水和废气。
例如,利用微生物降解油污和重金属等有毒物质,可以达到环境修复和保护的目的。
此外,利用微生物改善土壤质量,增加土壤肥力,提高农作物产量,也是微生物工程在环境领域的重要应用。
四、微生物在能源工业中的应用微生物工程在能源工业中的应用主要集中在生物能源领域。
通过利用微生物的发酵和代谢能力,可以生产生物燃料,如生物乙醇和生物柴油等,实现对化石能源的替代。
此外,微生物还可以用来处理可再生能源,如生物质和生物废弃物,生成可燃性气体和能量。
微生物工程的应用不仅可以减少对化石燃料的依赖,还可以降低二氧化碳排放量,保护环境和可持续发展。
《微生物工程》课件
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一、课件封面《微生物工程》课件副探索微生物世界的奥秘二、目录1. 微生物工程的概述2. 微生物的分类与特性3. 微生物的生长与繁殖4. 微生物的代谢与调控5. 微生物的应用实例三、课件1. 微生物工程的概述1.1 微生物工程的定义1.2 微生物工程的发展历程1.3 微生物工程的应用领域2. 微生物的分类与特性2.1 微生物的分类2.2 细菌的特性2.3 真菌的特性2.4 病毒的特性3. 微生物的生长与繁殖3.1 微生物的生长曲线3.2 微生物的繁殖方式3.3 微生物的遗传特性4. 微生物的代谢与调控4.1 微生物的代谢途径4.2 微生物的代谢调控机制4.3 微生物的代谢工程5. 微生物的应用实例5.1 发酵工程5.2 生物制药5.3 生物净化5.4 微生物肥料5.5 微生物食品四、互动环节1. 微生物分类小游戏2. 微生物代谢调控实验3. 微生物应用案例讨论五、总结与展望1. 微生物工程的意义与价值2. 微生物工程的发展趋势3. 微生物工程的前景展望六、参考文献1. 《微生物学》2. 《微生物工程》3. 《微生物应用技术》七、致谢感谢大家对本课件的支持与鼓励,希望本课件能帮助大家更好地了解微生物工程,激发对微生物研究的兴趣。
八、答疑与反馈如有任何问题或建议,请随时与我联系,我将竭诚为您解答和修改。
九、课件设计者姓名:X单位:大学生命科学学院联系方式:X十、更新时间2024年10月1日六、微生物工程技术6.1 微生物细胞的培养技术6.2 微生物遗传转化技术6.3 微生物基因组编辑技术6.4 微生物代谢工程七、微生物工程在医药领域的应用7.1 抗生素的产生7.2 疫苗的研发7.3 基因治疗7.4 生物制药的案例分析八、微生物工程在环境领域的应用8.1 生物降解与生物修复8.2 生物传感器与生物监测8.3 微生物燃料电池8.4 微生物工程在农业与环境治理中的应用九、微生物工程在食品工业中的应用9.1 发酵技术的原理与应用9.2 乳酸菌的应用9.3 酶制剂的应用9.4 微生物工程在食品安全与质量控制中的应用十、案例研究10.1 酿酒行业的微生物工程应用10.2 酸奶制造中的微生物工程10.3 生物制药:人类健康的新希望10.4 微生物工程在环境保护中的创新实践十一、课程小测11.1 选择题11.2 判断题11.3 问答题十二、参考资料12.1 推荐阅读书目12.2 在线资源12.3 相关学术期刊十三、课程评价13.1 学生自我评价13.2 同行评价13.3 教学效果反馈十四、14.1 课程总结14.2 对未来学习的建议14.3 鼓励学生持续探索微生物工程的奥秘十五、附录15.1 微生物工程相关术语解释15.2 常见微生物图片集15.3 实验操作安全指南十六、设计者与制作日期6. 设计者:[设计者姓名]单位:[设计者单位]制作日期:[制作日期]十七、版权声明本课件内容受版权保护,未经允许不得擅自复制、传播或用于商业用途。
微生物工程利用微生物进行生物技术和工业生产
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微生物工程利用微生物进行生物技术和工业生产微生物工程是一门利用微生物进行生物技术和工业生产的学科,通过对微生物的研究和利用,可以开发出广泛的应用,推动科技进步和经济发展。
本文将介绍微生物工程的概念、应用领域以及在生物技术和工业生产中的具体应用。
一、微生物工程的概念微生物工程是研究微生物在实验室和工业生产中的应用的一门学科。
它包括了对微生物生命周期、代谢机制、遗传结构等方面的研究,以及利用微生物进行生物技术和工业生产的实践应用。
微生物工程的研究和应用可以提高生产效率、减少资源消耗,对于人类社会的可持续发展起到重要作用。
二、微生物工程的应用领域微生物工程的应用范围非常广泛,涵盖了诸多领域。
以下是几个典型的应用领域:1. 生物药物制造微生物工程在生物药物制造方面发挥着重要作用。
通过对微生物的基因工程改造,可以使其产生医疗所需的蛋白质药物,如重组人胰岛素、重组抗体等。
利用微生物工程生产的生物药物具有高效、低成本和易于扩大生产规模的特点,对于满足患者需求起到了重要作用。
2. 环境修复微生物工程在环境修复领域也有广泛的应用。
微生物能够降解有机废物、净化水体、修复土壤等,通过利用微生物的降解能力,可以清除污染物质,恢复生态环境。
微生物工程在环境修复上的应用可以帮助人类减少环境污染,保护生态环境。
3. 农业生产微生物工程在农业生产中也有重要的应用。
通过利用微生物的固氮能力、产生有益物质的能力等,可以提高土壤肥力、减少农药使用、增加作物产量等。
微生物工程可以为农业生产带来更加可持续、环保的解决方案,对于解决全球粮食安全问题具有重要意义。
三、微生物工程在生物技术和工业生产中的具体应用微生物工程在生物技术和工业生产中有许多具体应用。
以下是几个常见的应用举例:1. 酶的生产微生物工程可以利用微生物生产酶类产物。
酶是一种具有催化作用的蛋白质,广泛应用于食品、制药、皮革、环保等产业。
通过优化微生物菌株、培养条件以及基因工程技术,可以提高酶的产量和活力,满足不同产业对酶类产品的需求。
微生物工程
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微生物工程名词解释1生化诱导分析方法(BIA):采用测定溶源性λ噬菌体阻遏物支配下的启动子控制的转录和表达的酶活性的方法。
2诱变育种:利用若干种被称为诱变剂的物理因素和化学试剂处理微生物细胞,提高基因突变频率,在通过适当的方法获得所需要的高产优质菌种的育种方法。
3种子扩大培养:将保藏的生产菌种从斜面试管接出后,进行摇床培养及种子入罐逐级培养从而获得一定数量和质量的纯种的过程。
4前体:某些化合物被加入培养基后,能够直接在生物合成过程中结合到产物分子中去,而自身的结构并未发生太大变化,却能提高产物的产量,这类小分子物质被称为前体。
5培养基的分批灭菌:指将配制好的培养基放在发酵罐中,通入蒸汽进行灭菌的过程6絮凝:有机絮凝剂和聚丙乙烯胺,聚丙烯酸钠,聚季胺酯等中性、阴性、阳性的絮凝剂,这些高分子化合物长链的架桥作用使胶体成团聚集。
7错流过滤:切向流过滤则是指液体的流动方向是平行于膜表面的,在压力的作用下只有一部分的液体穿过滤膜进入下游,这种操作方式也有人称之为“错流过滤”(Cross Flow Filtration)。
8透析:是通过小分子经过半透膜扩散到水(或缓冲液)的原理,将小分子与生物大分子分开的一种分离纯化技术。
9 BOD5:在20℃培养5天的微生物利用有机物进行生物氧化所消耗的氧量(mg/L)10回沙:回沙”工艺是最传统的酱香工艺,回沙酒以小麦高温制曲,陈曲两次混入后,进行蒸馏取酒。
而对已取酒的酒醅仍从甑中取出,经过两次工艺处理,不加新料,经堆积,再入窖发酵一个月,又出窖蒸馏,取得第二次原酒入库,此酒即为回沙所得。
填空题:1、一般生产用菌种的分离纯化和筛选步骤是标本采集、标本材料的预处理、富集培养、菌种初筛、菌种复筛、性质鉴定、菌种保藏。
2、采集的到的含微生物材料的标本在分离提纯前,要进行预处理,通常可以采用加热、空气搅拌、离心法、膜过滤、这几种物理方法。
3、在分离放线菌和细菌时,可在分离培养基中加入抗真菌抗生素,分离真菌时,可加入抗细菌抗生素。
微生物工程
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微生物工程发酵工业对我们来说并不陌生,从日常饮用的酒、酸乳、调味的醋、酱油、味精,到抗生素、激素、疫苗等药物,无一不是微生物发酵的产物。
传统的微生物发酵起源于史前期。
公元前 2000 多年,埃及已酿造葡萄酒,至今古希腊石刻上,仍留有酿酒全过程的记载。
我们的祖先对有益微生物利用的历史更为悠久,龙山文化期已有饮酒用具,殷商期(公元前 2000~3000 年)甲骨文中的象形文字“■”,与现代汉字相似,春秋战国时期(公元前 500 多年)开始酿醋,周朝(公元前 1000 年)酱油业已相当发达,至北魏时(公元六世纪)《齐民要术》上就已详细记载了酱油酿造需接种像皇帝黄袍颜色的“黄衣”(即黄曲霉孢子)和 33 种制酢(醋)方法。
但是,微生物发酵工业,却是从 1929 年弗莱明发现青霉素、1940 年链霉素挽救了英国首相邱吉尔的生命(肺炎)而兴起的,从此发酵工业自作坊式的混菌、厌氧、固体发酵走向纯种、大罐通气、液体深层发酵阶段。
进入 20 世纪 70 年代以来,在基因重组、细胞融合等生物工程技术推动下,微生物工程应运而生,可以按照人们设想的蓝图,对微生物菌种进行细胞水平、分子水平不同层次的创造设计,构建出自然界中原来没有的、具有特殊功能和多功能的“超级菌”和“工程菌”,再通过微生物发酵来生产新的有用物质。
现已知由微生物生产具有商品价值的产品就有 200 多种,在与人们生活密切相关的许多领域中,如医药与食品、化工与冶金、资源与能源、健康与环境,产生和即将产生难以估价的经济和社会效益。
一、微生物工程的概念和意义1.何谓微生物工程无论是巍峨的大厦,还是壮丽的大桥,任何一项宏伟工程,都要有总设计的蓝图和现场施工图纸,微生物工程也同样。
比如我们今天看到的蚕吃桑叶,吐的是蚕丝;鸡吃米谷,而生出的是鸡蛋。
我们设想从发酵罐中捞取蚕丝和吃发酵罐中生产的不带壳的鸡蛋,就是这项宏伟工程的总设计蓝图,而传统的发酵技术与基因工程、细胞工程、蛋白质工程、固相化菌、固相化酶技术相结合,就是现场施工技术。
微生物工程重点总结
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简明微生物工程复习重点1-微生物工程概论一.什么是微生物工程?微生物工程是以微生物为主体,应用生物科学,特别是微生物学的理论和方法,结合现代工程技术手段,利用微生物的某种特定性状和功能,按照人们设计的蓝图,改良、加工、繁殖微生物,以获取微生物体本身或其代谢产物等有用物质,为人类生产、生活为目的的一门新兴学科。
二.微生物工程主要应用在哪些领域?试举例说明。
微生物工程在食品工业中的应用:含醇饮料:葡萄酒、果酒、黄酒传统调味品及发酵食品:酱、酱油、醋发酵乳制品:奶酒、干酪、酸奶等;医药卫生:抗生素,氨基酸,维生素,生物制品等轻工业:糖酶,蛋白酶,果胶酶,过氧化氢酶化工能源产品:烷烃:甲烷。
醇及溶剂:乙醇、甘油(丙三解)等。
清洁能源:氢气等。
农业:生物农药:微生物杀虫剂、防治病害如杀稻瘟菌素等。
食用菌和药用真菌环境保护:厌气发酵法:如沼气发酵;好气发酵法:如活性污泥对工业和生活污水处理;三.什么是半合成抗生素?试举例说明。
某些天然抗生素在去侧链后,可用化学合成法接上新的侧链而改变原有抗菌谱或其它特性,这样的抗生素就被称为半合成抗生素。
例:常用的半合成青霉素:甲氧苯青霉素(新青Ⅰ)、氨苄青霉素。
常用的半合成头孢菌素:头孢利定四.深层培养技术又称沉没培养法。
有时也称液体培养法。
在深层的液体培养中进行的一种发酵培养方法。
操作时将无菌空气通入容器中,不断搅拌,使微生物充分与氧气接触而迅速繁殖。
占地面积小,劳动力省,产量高,适合于机械化和自动化生产。
适用于需氧性微生物。
2-生产菌种的来源一.微生物工程的工业生产三要素:生产菌种的性能、发酵及提纯工艺条件、生产设备二.一般菌种分离纯化和筛选的步骤是什么?标本采集→标本材料的预处理→富集培养→菌种初筛→菌种复筛→性能鉴定→菌种保藏。
三.常用的标本预处理的目的是什么?方法有哪些?举例说明。
预处理可大大提高菌种分离效率。
(1)采用热处理方法减少材料中的细菌数:小单孢菌属(2)采用膜过滤和离心的方法浓缩水中的细胞:小单孢菌属、链霉菌属(3)采用化学方法:链霉菌属(4)诱饵法:将固体基质(如蛇皮、花粉)等加到待检的土壤或水中,待其菌落长出后再铺平板分离:小瓶菌属、游动菌属(5)空气搅拌法:在空气中搅拌,收集孢子沉淀,如稻草的处理。
第12章 微生物工程生产实例简介
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12.1.6.4 发 酵
3. 酒精发酵工艺
间歇发酵
半连续式发酵
连续式发酵
12.1.6.5 蒸馏
粗馏:将酒精和挥发性杂质从发酵液
中分离出来;
精馏:将粗酒精中的杂质进一步分离,
并提高酒精浓度。
三塔流程;差压蒸馏流程;无水酒精 生产。
谷氨酸发酵
谷氨酸(Glutamate,Glu)是中枢神经系统中 一种最重要的兴奋性神经递质,主要分布 于大脑皮质、海马、小脑和纹状体,在学 习、记忆、神经元可塑性及大脑发育等方 面起重要作用。此外,谷氨酸对心肌能量 代谢和心肌保护起着重要作用。
12.1 酒精发酵工艺
12.1.4 酒精发酵常用的微生物
作为酒精发酵的微生物应具备以下条件:
①对于所利用底物发酵酒精,具备高转化率与发酵
速度快的特征;②能够耐受较高的酒精浓度;③ 能够在较高的温度与偏酸性的条件下发酵;④对 底物的适应范围广。
酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)
12.1.6.4 发 酵
2. 酒精的发酵过程
细菌酒精发酵的优缺点
优点:代谢速率高,产物转化率高,菌体生 成少,代谢副产物少,发酵温度较高,以 及不必定期供氧等。 缺点:生长pH较高(细菌约pH 5,酵母菌为 pH 3),较易染杂菌.并且对乙醇的耐受力 较酵母菌低(细菌约耐7%乙醇,酵母菌为 8%-10%)。
干物质含量高达80~90。BX,含糖分50%以上,
12.1.6.2 预处理
2. 甜菜原料 先制成甜菜汁,再将汁液发酵成酒精。制汁 工艺如下:甜菜→水力输送→洗涤→热水 逆向萃取→糖液 3. 甘蔗原料 甘蔗→ 洗涤→切断 →压榨 →蔗汁
《微生物工程》课件
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基因工程的工具
限制性核酸内切酶、DNA连接酶、质粒载体 等。
外源基因的导入
通过转化、转导、接合等方法将外源基因导 入微生物细胞内。
基因的表达和调控
通过基因表达调控机制,实现外源基因的表 达和调控。
微生物的发酵工程
发酵的定义
在一定的条件下,微生物通过代谢活动产生特定的代谢产物。
发酵的类型
厌氧发酵、好氧发酵、兼性厌氧发酵等。
微生物的纯化
在分离的基础上,进一步去除其他杂 菌,获得纯培养物,即单一菌种。
微生物的计数
通过显微镜直接计数法、间接计数法 等方法,对微生物的数量进行测定。
微生物的鉴定
通过形态观察、生理生化试验等方法 ,对分离得到的微生物进行鉴定和分 类。
微生物的基因工程
基因工程的定义
通过人工方法将外源基因导入微生物细胞内 ,实现基因重组和表达。
真核微生物
总结词
真核微生物是一类具有核膜包裹的细胞核的微生物,主要包括真菌、原生动物和 藻类等。
详细描述
真核微生物具有较为复杂的细胞结构,包括细胞核、线粒体、叶绿体等细胞器, 遗传物质呈染色体状态。它们在生态系统中扮演着重要的角色,如分解有机物、 固氮等,同时也有一些对人类有益的应用,如发酵、食品加工等。
21世纪初 随着生物技术的不断发展,微生 物工程在各个领域的应用越来越 广泛,成为现代生物技术的重要 组成部分。
20世纪40年代 抗生素的发现和应用,如青霉素 的工业化生产,标志着微生物工 程进入工业化时代。
20世纪70年代 基因工程的兴起,通过基因重组 技术对微生物进行改造,提高了 微生物工程的效率和灵活性。
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微生物工程的未来展望
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二、抗生素生产工艺
1、生物合成法: ③细胞融合技术法 对抗生素产生菌采用细胞融合技术的成果更 为突出。橄榄色无孢小单孢菌细胞融合株抗生素 产率比原菌株提高100倍。 目前DNA重组技术已广泛用于红霉素、链霉 素等20多种抗生素的育种工作,可以预见不久将 来会有更多的由“工程菌”生产的新型抗生素问 世。
二、氨基酸(赖氨酸)生产工艺
重点: 赖氨酸生物合成途径及代谢调节机制; 酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和调 节机制; 赖氨酸生产菌的育种途径。 难点:天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调 节机制。
二、氨基酸生产工艺
氨基酸本身的合成在不同生物体中,有较大的差异, 然而许多氨基酸的合成途径在不同生物体中也有共同之处。 按照起始物可将氨基酸的合成分成几个家族: ㈠谷氨酸族(α -酮戊二酸族) 包括:谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和脯氨酸; ㈡丙酮酸族 包括:丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸; ㈢天冬氨酸族(早酰乙酸族) 包括:天冬氨酸、天冬酰胺、苏氨酸和异亮氨酸; ㈣磷酸甘油酸族 包括:甘氨酸、丝氨酸和半胱氨酸; ㈤芳香族 包括:苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸; 另外,组氨酸的合成为单独的一条途径。
三、青霉素生产工艺
3、发酵条件控制 补糖:残糖降至0.6%(PH上升); 补氮:氨氮0.05%,补硫铵、氨水或尿素; PH:6.4—6.6,加糖、加酸、加碱调节; 温度:前期,25-26℃;后期, 23℃; 通气比:1:0.8; 溶氧:﹥氧饱和溶解度的30%; 消沫剂:玉米油、豆油或化学合成消沫剂。
苏氨酸脱水酶受异亮氨酸的反馈抑制; 添加前体物质D-苏氨酸、α-酮基异戊酸; 绕过异亮氨酸对苏氨酸脱水酶的反馈抑制。
直接发酵法:
抗反馈调节突变株,解除对苏氨酸脱水酶的 反馈抑制。
3、亮氨酸发酵
亮氨酸高产菌株的选育:
1)选育α-酮基异丁酸抗性突变株,解除对异亮氨 酸、亮氨酸和缬氨酸生物合成酶系的阻遏作用; 2)选育异亮氨酸缺陷型回复突变株, 其α-异丙基 苹果酸合成酶不再受亮氨酸的反馈抑制; 3)α-噻唑抗性兼蛋氨酸、异亮氨酸双重缺陷型突 变株,用于亮氨酸的发酵生产。
3、酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径
就赖氨酸合成途径来讲,不同种类的 微生物途径不同,可以归纳为两条途径: 1)为经过二氨基庚二酸的生物合成途 径,如细菌、DPA; 2)是AAA,酵母菌、霉菌经过α -氨基己 二酸AAA途径合成赖氨酸。
4、氨基酸生物合成的调节机制
反馈抑制与优先合成
氨基酸生物合成的基本调节机制有反馈抑制与 在合成途径分支点处的优先合成。 反馈抑制:A→B→C→D
5)增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成:
方法:
①选育丙氨酸缺陷型; ②选育抗天冬氨酸结构类似物突变株; ③选育适宜的活性比突变株;
6)改变细胞膜的透过性 7)选育温度敏感突变株 8)应用细胞工程和遗传工程育种 9)防止高产菌株回复突变
7、赖氨酸生物合成途径
大肠杆菌的赖氨酸生物合成途径:图23-2
8、赖氨酸发酵条件控制
溶氧:特别重要,不足,会使赖氨酸 生产受到不可逆抑制; PH:通过补加氨水来控制; 温度:32℃; 前体:甘氨酸或丝氨酸。(短小假单胞菌)
三、异亮氨酸、亮氨酸生产工艺
1、异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸的生物合成途径:
图23-4
2、异亮氨酸发酵
两种方法:添加前体发酵法和直接发酵法 添加前体发酵法:
工业上重要氨基酸简介
一、氨基酸生产工艺控制
1、菌种:细菌,野生型或营养缺陷型、结 构类似物突变菌种; 2、培养基: 碳源:淀粉水解糖、糖蜜等; 氮源:铵盐、氨水或尿素,豆饼、麸皮粉; 无机盐:S、P、Ga、Mg、K等; 生物素:影响细胞膜透性,对氨基酸分泌影 响很大,来源:玉米浆、麸皮、糖蜜。
一、氨基酸生产工艺控制
二、抗生素生产工艺
1、生物合成法: ② “工程菌”制造法
第一次由“工程菌”制造的全新抗生素—麦迪紫红 素 A,是美国报道的。他们将产放线紫红素的部分基因插入 产麦迪霉素的放线菌中,构建的“工程菌”产生了全新 的抗生素。 我国新构建的生产丁胺卡那霉素的“工程菌”,就 是把 酰化酶基因克隆到卡那霉素产生菌中获得的。采用新的 “工程菌”生产,避免了现国外通用的使用有毒光气生 产的 办法,新抗生素毒副作用小,对耐卡那霉素、庆大霉素
在细菌中,虽然天冬氨酸族氨基酸生物合成途 径是相同的,但是其代谢调节机制是多种多样的。 1)大肠杆菌K12 ①天冬氨酸激酶 ②天冬氨酸-β -半醛脱氢酶 ③DDP合成酶(赖氨酸分支的第一个酶) ④高丝氨酸合成酶(HD)(通向苏氨酸、蛋氨酸分 支的第一个酶)
2、天冬氨酸族生物合成的代谢调节机制
2)黄色短杆菌 其赖氨酸生物合成调节机制比大肠 杆菌简单,其天冬氨酸激酶只有一种, 该酶具有两个变构部位,可以与终产物 结合,当两种终产物同时过量时,该酶 活性受到抑制。 3)乳糖发酵短杆菌赖氨酸合成调节
第三节 柠檬酸生产工艺
重点:柠檬酸生物合成途径;柠檬酸生物 合成的代谢调节;三羧酸循环的调节。 难点:柠檬酸生物合成的代谢调节;糖酵 解及丙酮酸代谢的调节。
一、柠檬酸发酵生产工艺
(一)柠檬酸合成途径 柠檬酸又名枸橼酸,学名α -羟基丙烷三羧 酸,是生物体主要代谢产物之一。 柠檬酸合成途径: 丙 EMP 葡萄糖 酮 酸
三、青霉素生产工艺
三、青霉素生产工艺
三、青霉素生产工艺
1、菌种:产黄青霉 生长发育分六个阶段: Ⅰ—Ⅳ期:菌丝生长期,适宜做种子; Ⅳ—Ⅴ期:青霉素分泌期; Ⅵ期:菌丝体自溶期。
三、青霉素生产工艺
2、培养基: 碳源:乳糖、蔗糖、葡萄糖等; 氮源:玉米浆、麸皮粉、无机氮源; 前体:苯乙酸或苯乙酰胺;(一次﹤0.1%) 无机盐:S、P、Ga、Mg、K等。 铁离子有害, 控制在﹤30µg/ml。
二、抗生素生产工艺
2、化学合成法 根据某种抗生素的化学组成和结构, 通过化学合成的方法,可生产部分抗生素。 如:氯霉素、磷霉素等。 经过化学合成方法和控制条件的不断 深入研究,越来越多的抗生素可用化学合 成法生产。
二、抗生素生产工艺
3、生物合成加化学合成法
许多细菌逐渐出现了抗药性,已经证实某些抗药性 因子位于细菌内的质粒上,质粒可以在细菌之间转移, 结果抗性菌日益增多,抗生素疗效就越来越低。 为了对付细菌的抗药性,科学家对原有的抗生素进 行了“整容手术”,细菌因再无法识别改头换面的抗生 素而 被抑制或杀死。 现在已能使用克隆了酰化酶基因的“工程菌”(大肠 杆 菌)高效率的生产半合成抗生素。临床现在使用的贵重 特效药物先锋霉素(头孢菌素类)、氨苄青霉素,就是 这类半合成抗生素类药物。国外已有几十种这类药物在 实验室研制成功。
解除代谢互锁的方法:
①选育亮氨酸缺陷型菌株,或者以抗AEC的赖氨酸的生产菌 为出发菌株,经诱变得到抗AEC兼抗亮氨酸缺陷型菌株。 ②选育抗亮氨酸结构类似物的突变株,从遗传上解除亮氨酸 对DDP合成酶的阻遏。 ③选育对苯醌或喹啉衍生物敏感菌株,这是一种寻找亮氨酸 渗漏缺陷型菌株的有效方法。
6、赖氨酸生产菌的育种途径
氨基酸的生物合成
1、天冬氨酸族生物合成途径
天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸或天冬氨 酸为原料,合成苏氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸。
天冬酰氨 甲硫氨酸 琥珀酰高丝氨酸 →异亮氨酸 DDP合成酶 二氨基庚二酸→赖氨酸 合成酶
草酰乙酸→天冬氨酸→天冬氨酸磷酸→天冬氨酸-β -半醛→高丝氨酸→苏氨酸
2、天冬氨酸族生物合成的代谢调节机制
E
D
优先合成:A→B→C F G
5、其他特殊的控制机制
1)终产物控制
催化分支合成途径共同部分的初始酶, 在仅一种氨基酸终产物过剩时,完全不受或微 弱或部分地反馈抑制(或阻遏),只是在多数 终产物共存下才强烈地控制。有以下几种情况: ①协同(或多价)反馈抑制 ②合作(或增效)反馈抑制 ③同功酶控制 ④积累反馈抑制
氧化脱羧
乙酰COA
→柠檬酸 草酰乙酸
羧化
(二 )柠檬酸生物合成的代谢调节
1、糖酵解及丙酮酸代谢的调节
1)在正常情况下,柠檬酸、ATP对磷酸果糖激酶 有抑制作用,而ATP、无机磷、铵离子对该酶 则有激活作用,特别是还能解除柠檬酸、ATP 对磷酸果糖激酶的抑制作用。 2)比较底物锰充足、锰缺乏时分批培养物的最 大活力时发现,锰缺乏时黑曲霉的组成(合成) 代谢受损伤,这与柠檬酸的积累有关。 3)丙酮酸激酶是EMP途径的第2个调节点,在某 些真菌得到证实,但黑曲霉未被证实。
三、青霉素生产工艺
4、青霉素的分离纯化 过滤:板框、真空转鼓; 萃取:醋酸丁脂,2-3次; 脱色:活性碳,150-200g/10亿单位; 结晶:浓缩结晶或直接结晶; 洗涤 干燥
第二节 氨基酸生产工艺
一、氨基酸生产工艺控制 二、氨基酸生产工艺 三、异亮氨酸、亮氨酸生产工艺
概 述
氨基酸可用作食品、饲料添加剂和药物。过去都采用 动植物蛋白提取和化学合成法生产,现18种氨基酸均可 采用发酵法和酶法生产,不仅成本下降、污染减少,还 可组织大量生产,世界产量每年递增5%~10%。 在氨基酸产生菌选育中,过去多采用诱变育种方法, 诱变结果不易控制,现采用基因工程和细胞融合技术, 产量可成倍、甚至几十倍增加,生产成本大大下降。 如用基因重组构建的苏氨酸、色氨酸“工程菌”,比 原 始菌株提高产量几十倍(产酸达50~60克/升),色氨酸 成本从每公斤50美元降到23美元。用细胞融合构建的精 氨酸融合株,精氨酸产量达108克/升,比其他生产菌株 高2倍多。
一、抗生素的分类
按生物来源、作用、化学结构、作用机制、合 成途径可分为:表22-1
二、抗生素生产工艺
生产方法:
1、生物合成法: ①传统方法 ② “工程菌”制造法 ③细胞融合技术法 2、化学合成法; 3、生物合成加化学合成法。
二、抗生素生产工艺
1、生物合成法: ①传统方法 大多数抗生素是由放线菌和霉菌产生的。菌 种是通过从土壤中分离、筛选获得,一般采用深 层通风搅拌发酵罐生产。 传统方法目前存在很多不足,因此,人们采 用基因工程和细胞融合技术,对抗生素产生菌进 行了改造和重新设计,不仅可以制造出许多高效 低毒的新型抗生素,还可改革工艺,使抗生素产 量成倍地增长。