微生物工程 绪论

一、微生物工程的概念
What is Microbial Engineering ？
微生物工程是渗透有工程学的微生物学， 微生物工程是渗透有工程学的微生物学，是 发酵技术工程化的发展。 发酵技术工程化的发展。
二、微生物工程的地位与作用
生物技术是21世纪高新技术革命的核心内容， 生物技术是 世纪高新技术革命的核心内容， 世纪高新技术革命的核心内容 生物技术产业将是21世纪的支柱产业 生物技术产业将是 世纪的支柱产业
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
细胞的生长与产物的积累成平行关系， 细胞的生长与产物的积累成平行关系， 生长速率最大的时期也是产物合成最高阶段
2、微生物酶发酵 、
各种酶制剂 糖化酶、氨基酰化酶（ 、 氨基酸光学拆 糖化酶、氨基酰化酶（D、L-氨基酸光学拆 ）、蛋白酶 蛋白酶、 分）、蛋白酶、脂肪酶等
微生物工程主要内容
生产菌种的选育、发酵条件的优化与控制、 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、 反应器的设计及产物的分离、提取与精制等
武汉大学曹军卫主编（ 部分 部分） 武汉大学曹军卫主编（4部分） 科学出版社
深层培养技术（Submerged fermentation) 深层培养技术（ ——机械搅拌通气发酵 机械搅拌通气发酵 链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、 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现， 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 好氧发酵，初级、 好氧发酵，初级、次级代谢产物
四、微生物工程发展简史
1、传统的微生物发酵技术——天然发酵 、传统的微生物发酵技术 天然发酵
几千年 公元前4000 – 酒 （古埃及 公元前 3000年； 龙山文化 年 龙山文化4200年） 年 啤酒、黄酒、酱油、 啤酒、黄酒、酱油、泡菜等
2、第一代微生物发酵技术——纯培养技术 、第一代微生物发酵技术 纯培养技术
七、微生物工程的内容
微生物工程基本上可分为发酵和提取两部分
发酵部分也称发酵工程，是微生物反应过程； 发酵部分也称发酵工程，是微生物反应过程； 提取部分也称后处理，或下游加工技术 提取部分也称后处理， 后处理
虽然微生物工业生产以发酵为主， 虽然微生物工业生产以发酵为主，发酵的好坏是整 个生产的关键， 个生产的关键，但后处理在发酵生产中也占有重要的 地位。 地位。
生物除草剂： 生物除草剂：利用杂草的病原微生物 生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、 生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等
6、在环境保护中的作用 、
污水处理（厌气法、好气法） 污水处理（厌气法、好气法）
7、在高技术领域中的应用 、
基因工程的各种工具酶等
二）微生物工程产品类型 1、微生物菌体的发酵 、
程
微生物工程 是生物技术的重要组成和基础， 是生物技术产业化的重要环节。它 将微生物学、生物化学和化学工程 的基本原理有机结合起来，广泛而 深入地揭示了发酵过程的本质。
三、微生物反应过程的特点
一）优点： 优点：
1、生产条件 、 2、原料 、 3、生产过程 、 4、产品 、 5、高度选择性 、 6、生物体本身 、 7、微生物菌种改良 、 发酵过程的这些特性决定了微生物工程的种种优点， 发酵过程的这些特性决定了微生物工程的种种优点，使得 微生物工程成为生物技术的核心之一而受到广泛重视。 微生物工程成为生物技术的核心之一而受到广泛重视。
欢迎同学们学习 微生物工程！ 微生物工程！
微生物工程
主讲：陈 欣
E-mail：jixiang6455@ ：
课时安排
总课时 讲授 实验 48 40 8

成绩评定
期终考试 实验成绩 平时成绩 70% 20% 10%
绪
论
OUTLINE
微生物工程的研究内容 微生物工程的发展历史 微生物工程的应用领域
3、微生物代谢产物发酵 、
初级代谢产物： 初级代谢产物：
概念 举例 菌体对其合成反馈控制严密， 菌体对其合成反馈控制严密，一般不过量积累
次级代谢产物： 次级代谢产物：
概念 举例 结构较复杂对环境条件敏感 结构较复杂对环境条件敏感
4、微生物的生物转化 、
概念？ 概念？
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， 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，进行特定部位的化学反应而形成。 一部位，进行特定部位的化学反应而形成。
2、在医药卫生中的应用 、
抗生素： 抗生素：12 000余种 余种
氨基酸：可发酵生产的有谷、 异亮、 氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、
苯丙、 亿元， 苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发 鸟氨酸（国内 亿元 酵业产值12%） 酵业产值 ）
维生素： 维生素：VB2 、VB12、Vc、VA、VD等 、 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
果胶酶：果汁果酒澄清、 果胶酶：果汁果酒澄清、苎麻脱胶 脂肪酶： 脂肪酶：分解脂肪为脂肪酸和甘油 凝乳酶： 凝乳酶：制干酪 氨基酰化酶、 氨基酰化酶、甘露聚糖酶等
4、在化工能源中的应用 、
醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、 醇及溶剂：乙醇、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、
丁二醇等
有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、 有机酸：醋酸、丙酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸、
4、第三代发酵技术——微生物工程 、第三代发酵技术 微生物工程
(1972) DNA 重组技术、原生质体融合技术等应用 重组技术、 1982，第一个基因工程产品——利用工程菌生产的 ，第一个基因工程产品 利用工程菌生产的 人胰岛素问世 现有许多种类的产品 红细胞生成素 生长激素 胰岛素 干扰素 ( 治疗贫血 治疗贫血) ( 促进生长) 促进生长 (治疗糖尿病 治疗糖尿病) 治疗糖尿病 (抗病毒、抗肿瘤) 抗病毒、抗肿瘤 抗病毒
反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构 反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、 位置特异性、 位置特异性、立体特异性
如： 甾体转化
含环戊烷多氢菲核的化合物； 含环戊烷多氢菲核的化合物； 甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素； 甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调节作 在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、 用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红 班狼疮、 班狼疮、支气管哮喘等 甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产物而获得 可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力， 的； 可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾体 母核11位上导入一氧原子 位上导入一氧原子， 母核 位上导入一氧原子，最大的困难也正在此 化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（ 化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett, 576kg脱 脱 氧胆酸， 多步反应 两年→938mg醋酸可的松） 多步反应， 醋酸可的松） 氧胆酸，30多步反应，两年 醋酸可的松 生物法：高效、 生物法：高效、收率高 （1952年，Munrry等，黑根霉，仅1 年 等 黑根霉， 步就将孕酮11位上导入一个羟基 使从孕酮合成皮质酮只需3步 位上导入一个羟基， 步就将孕酮 位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需 步， 这样才使可的松问世） 这样才使可的松问世）
生物技术在迎接人口、资源、能源、 生物技术在迎接人口、资源、能源、食物 环境等五大危机的挑战中将大显身手。 环境等五大危机的挑战中将大显身手。
许多国家都将生物技术确定为增强 国力和经济发展的关键技术之一。 国力和经济发展的关键技术之一。
生
微 生 胞 物 工 工 程 程 细
物
工
基 因 工
程
酶 工 程
（与化学工程相比） 与化学工程相比）
二）发酵过程中尚存在的问题： 发酵过程中尚存在的问题：
1、底物转化率、副产物的产生影响下游 、底物转化率、 2、微生物反应是活细胞的反应，产物的获得除受环境因素影 、微生物反应是活细胞的反应， 响外，也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。 响外，也受细胞内因素的影响，且菌体易发生变异。 3、原料是农副产品，质量波动较大。 、原料是农副产品，质量波动较大。 4、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言，反应 、生产前准备工作量大，花费高，相对化学反应而言， 器效率低 器效率低。 5、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。 、通常底物浓度不能过高，且要在无杂菌污染情况下进行。 6、发酵废水常具有较高的BOD 和COD，需处理后排放。 、发酵废水常具有较高的 ，需处理后排放。
豆甾醇 Stigmasterol
可地松 （Cortisone） ）
5、微生物特殊机能的利用 、
利用微生物消除环境污染 金属浸沥回收 利用基因工程菌开拓发酵工程新领域
六、微生物工程面临的挑战和发展趋向 一）面临的挑战
1、化学合成工业的竞争 、 2、农业生物工程的冲击 、 转基因植物中表达生产 PHB(聚-β-羟丁酸 )、抗体、药物、植酸酶（将饲料中的 聚 羟丁酸 、抗体、药物、
葡萄糖异构酶、半乳糖酶、 葡萄糖异构酶、半乳糖酶、纤维素酶等
蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊） 蛋白酶：碱性蛋白酶（洗涤剂、皮革鞣化、啤酒去浊）
酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物） 酸性蛋白酶（饮料、制蛋白水解物） 中性蛋白酶（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备） 中性蛋白酶（皮革脱毛、蚕丝脱胶、蛋白胨制备）
Louis Pasteur 微生物引起发酵；酒精发酵由 微生物引起发酵； 酵母引起 Eduard Buchner 酒化酶 酒化酶(zymase) Robert Koch 发明固体培养基；建立了纯培养 发明固体培养基； 技术 人为控制发酵过程 酒精、丙酮、丁醇、 酒精、丙酮、丁醇、有机酸等 （主厌氧发酵；初级代谢产物p.69） 主厌氧发酵；初级代谢产物 ）