微生物发酵工程

杀虫剂——苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌、 侧孢芽孢杆菌、白僵菌、绿僵菌
疫苗
新的菌体发酵产品：药用功能菌体
茯苓菌——茯苓 担子真菌——灵芝、香菇 虫草头孢菌 密环菌
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➢ 酶制剂
广泛用于医药工业、食品、轻工业、石油化工
➢ 酶试剂盒：医用诊断、工业分析等 ➢ 药用酶制剂：胆固醇氧化酶、葡萄糖氧化酶等 ➢ 食品工业用酶制剂：果胶酶、淀粉酶等 ➢ 基因重组技术用酶制剂：核酸酶
2. 基于组学和生物信息学代谢途径分析优化
发酵工艺 3. 基于实时代谢流分析、代谢途径模型与自动控制技 优化 术的发酵过程优化控制
发酵产物 4. 基于发酵液及产品特性的高效率、低成本、高质量 分离纯化 和环境友好的提取精制技术集成
综合治理 5. 基于源头防治与过程监控的资源节约与废物资源化 技术优化 清洁生产技术集成
➢ 重要关注：菌种、防污染
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发酵过程技术优化
高产量
微生物生理、遗传、营养及环境因素
高转化率 微生物代谢途径和过程条件
高效率
微生物反应动力学和系统优化
低成本
技术综合及产业化技术集成
环境友好 开发清洁生产技术
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发酵过程技术优化
条件 确定
初始条件
过程分析
过程强化
过程 优化
1. 基于组学技术的高通量菌种改造和筛选 菌种改造
《战国策·魏策二》记载， 相传 “帝女令仪狄作酒而美， 进之禹，禹饮而甘之，遂疏仪 狄而绝酒旨。曰，后世必有以 酒亡其国者。”
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中国六千年酒文化
《柳叶刀》(2018.8.23)
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自然发酵阶段
从上古到北魏时期(386‒534年) 22种制醋方法
酒石酸(1769年)
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(2) 1900‒1940纯培养技术的建立
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发酵工业的范围
➢ 微生物菌体 ➢ 酶制剂 ➢ 代谢产物 ➢ 生物转化 ➢ 微生物特殊技能的利用
• 消除环境污染 • 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
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➢ 微生物菌体
传统菌体 发酵工业
酵母发酵 菌体蛋白(单细胞蛋白)发酵
面包酵母
现代菌体 发酵工业
青霉素——二战中最伟大的“救命药”
金黄色 葡萄球菌
青霉菌
1945年诺贝尔生理学或医学奖
（弗莱明、佛罗理、钱恩）
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1945年实现了青霉素的工业化生产
固 体 表 面 培 养
液 体 深 层 培 养
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青霉素类药物
发酵、提取分离
Penicillium
青霉素 G
青霉素 酰基转移酶
人工合成
多氯联苯、多环芳烃、杂环化合物 药用物质 放射性核素 金属
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4. 工业发酵的类型与典型过程
按照微生物对 氧的需求不同
按照培养基 的物理性状
按照发酵 工艺流程
按照菌的种类
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厌氧发酵 需氧发酵 兼性厌氧发酵 液体发酵(深层液体发酵)
固体发酵
浅盘固体发酵
分批发酵
深层固体发酵(机械通风制曲)
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常用的工业微生物
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工业菌种改良
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诱变育种
1H NMR
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PD UV 7 min UV 9 min HNO2 6 min DES 30 min MW 2 min US 20 min US 30 min
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常用的菌种保藏方法
培养皿
冻存管
试管斜面
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代谢产物应用
PITERA是天然酵母的发酵液滤液，这种 过滤液里面含有多种氨基酸、维生素、矿物 质、有机酸以及多糖类粘性物质。
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➢ 微生物转化
我国创制的二步发酵法 Vc合成路线
醋酸霉菌
假单胞菌
烯醇化 内酯化
D-山梨醇
山梨糖
2-O-D-古洛糖酸
Vc
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微生物转化 降解石油的微生物很多，据报道有200多种。
微生物发酵工程
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目录
CONTENT
发酵工程定义及在生物技术中的地位 发酵工程发展简史 发酵工业的特点及其应用范围 工业发酵的类型与典型过程 发酵工程发展趋势及应用前景 《发酵工程》《酶工程》主要内容
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发酵工程在生物技术中的地位
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发酵工程上中下游技术
优良菌株的选 育和保藏（菌 种筛选、代谢 路径改造等）
——DNA/RNA内切酶、外切酶，DNA连接酶等 ➢ 饲料酶制剂：木聚糖酶、-葡聚糖酶、纤维素酶等
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➢ 代谢产物
第一类：维持生物体内生命过程的必需物质，存在于所有生物体内。
第二类： 并不是所有的生物体内都存在，它们对维持生物体生命活 动不起重要作用，但具有生理活性的物质。
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补料分批发酵 单极恒化器连续发酵
连续发酵
多极恒化器连续发酵
单菌种发酵
细胞再循环的单极恒化器连续发酵
(6) 1970年以后 基因工程菌发酵时期、 细胞大规模培养技术全面发展
(7) 近年来
现代生物技术和过程工程技术 为基础的现代发酵工业突飞猛进。
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3. 发酵工程的特点及其应用范围
➢ 常温常压，反应安全、条件简单
特 ➢ 较廉价原料生产较高价值产品 点 ➢ 专一性、高选择性地进行复杂化合物特定部位的生物转化修饰
中游源自文库技术
上游 技术
上中下游相互关联!
发酵过程控制 （发酵条件控制、 无菌环境控制、 过程分析等）
下游 技术
分离纯化产品（固 液分离技术、细胞 破壁技术、产物纯 化技术、产品检验 和包装技术等）
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2. 发酵工程发展简史 (1) 1900之前 自然发酵阶段
杜康“有饭不尽，委之空桑， 郁结成味，久蓄气芳，本出于 代，不由奇方。”
四环素 （Tetracycline）
罗红霉素 （Roxithromycin）
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2015‒2018年我国零售市场全身用抗感染用药不同类别分布状况
2014‒2018年我国β-内酰胺类全身用抗细菌用药市场各类别分布状况
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发酵工程发展简史
(4) 1950‒1960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立 (5) 1960‒1970 开拓发酵原料时期(石油发酵时期)
阿莫西林
6-APA
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(3) 1940‒1950通气搅拌纯培养技术的建立
1943年 链霉素（streptomycin）
（第二个抗生素）
抗结核
赛尔曼·A·瓦克斯曼
1952年 诺贝尔生理学或医学奖
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其他抗生素
青霉素 （Penicillin）
头孢菌素 （Cephalosporin）