十一微生物的工业和产品(学时)

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1、第十章 微生物的工业和产品 （4学时） 第一节 微生物的工业发酵 第二节 微生物的主要产品 第一节 微生物的工业发酵 n一、微生物资源与工业发酵 n二、工业发酵的菌种 n三、工业发酵的方式 一、微生物资源与工业发酵 n（一）微生物资源的开发与利用 n（二）微生物的工业发酵 （一）微生物资源的开发与利用 n生物资源：是指对人类具有实际或潜在用途 或价值的遗传资源、生物体或其部分、生物群 体或生态系统中任何其他生物组成部分 n无论是维持生态系统的平衡，还是提供对人 类具有实际或潜在用途的资源，动物、植物、 微生物都有其不可替换的作用，即独特之处， 作为资源，它们都有自身的特点 1、微生物资源的特点

2、 n微生物的种类多样性：已报道的微生物 菌种仅占自然界所有种类的1% n微生物代谢种类繁多：具有潜在用途或 价值的遗传资源特别丰富 n微生物繁殖快、易变异：是工业化规模 自动化生产和提高效率的理想资源 2、微生物资源的应用 n微生物资源的应用：涉及食品、医药、 环保、化工、冶金、轻纺、农牧、能源、 电子、信息、海洋、宇宙 n微生物产业：已成为继动物、植物两大 生物产业之后的第三大生物产业；据 1999年的不完全统计，当时全世界微生 物产业的年产值已高达2000多亿美元以 上 一、微生物资源与工业发酵 n（一）微生物资源的开发与利用 n（二）微生物的工业发酵 （二）微生物的工业发酵 n发酵：借助

3、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本身，或其 直接代谢产物或次级代谢产物的过程 n发酵工业：就是利用微生物生命活动产 生的酶，对无机或有机原料进行酶加工( 生物化学反应过程)，获得产品的工业 1、工业发酵必须具备的条件 n生产菌种：要有某种适宜的微生物菌种 n生产条件：要保证或控制微生物各种代 谢条件，如培养基组成、温度、溶氧、酸 碱度等 n发酵罐：要有进行微生物发酵的容器 n后处理工艺：要有将菌体或代谢产物提 取出来，精制成产品的方法和设备 2、工业发酵的主要产品 n微生物菌体的应用：如单细胞蛋白、生物杀 虫剂（Bt、白僵菌）食用菌、活性酵母等 n代谢产物的应用：如氨基酸、

4、抗生素、有机 酸、维生素、醇类、核酸、酶制剂等 n微生物特性的应用：如甾体的转化、湿法冶 金、细菌肥料、石油勘探等 n微生物基因的利用：如苏云金杆菌毒蛋白基 因、产碱杆菌聚-羟基丁酸盐基因等 （1）微生物菌体 n发酵特点：细胞的生长与产物积累成平 行关系；生长速率最大时期也是产物合成 速率最高阶段；生长稳定期细胞物质浓度 最大，同时也是产量最高的收获时期 n例：酵母，灵芝，香菇类，依赖虫蛹而 生存的冬虫夏草，苏云金杆菌，绿僵菌等 （2）微生物酶 n目前工业应用的酶大多来自微生物发酵 ，包括胞外酶和胞内酶。 n淀粉酶、葡萄糖苷酶、半乳糖酶、纤维 素酶；碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋 白酶；果胶酶

5、、脂肪酶等 n部分药用酶，如青霉素酰化酶，胆固醇 氧化酶，葡萄糖氧化酶，氨基酰化酶等 （3）微生物代谢产物 n它们包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产 物 n初级代谢：一般将微生物从外界吸收各种营养物质通 过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能 量的过程，称为初级代谢。 n次级代谢：是指微生物在一定的生长时期，以初级代 谢产物为前体，合成一些对微生物生命活动无明确功能 的物质的过程。 n初级代谢产物：如各种氨基酸、有机酸、 维生素、 有机溶剂、核苷酸、脂类及多糖等 n次级代谢产物：如抗生素、激素、色素、毒素等 二、工业发酵的菌种 n（一）生产菌种的要求 n（二）生产菌种的来源

6、（一）生产菌种的要求 n菌种能在较短的发酵过程中高产有价值的发酵 产品 n菌种的发酵培养基应价格低廉，来源充足，被 转化为产品的效率高 n菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害 n菌种发酵后，产品相对容易地与不需要的物质 分离，下游技术能用于规模化生产 n菌种的遗传特性稳定，而且易于进行基因操作 二、工业发酵的菌种 n（一）生产菌种的要求 n（二）生产菌种的来源 （二）生产菌种的来源 n自然环境：从土壤、水、动植物、空气 等样品中分离所需的菌株 n收集菌株筛选：尽量多地向世界各地微 生物菌种保藏单位或微生物实验室索取该 菌的不同菌株进行筛选 n购置生产菌种：购置专利菌种，或向生 产单位购置产

7、量高的菌种 三、工业发酵的方式 n（一）连续发酵 n（二）固态发酵 n（三）固定化发酵 n（四）混合发酵 工工 业业 发发 酵酵 对氧需要或不需要对氧需要或不需要 培养基是液态或固态培养基是液态或固态 发酵是在培养基表面或深层发酵是在培养基表面或深层 发酵是间歇或连续的发酵是间歇或连续的 菌种是否被固定在载体上菌种是否被固定在载体上 菌种是单一还是混合菌种菌种是单一还是混合菌种 好氧发酵好氧发酵 厌氧发酵厌氧发酵 液态发酵液态发酵 固态发酵固态发酵 表面发酵表面发酵 深层发酵深层发酵 分批发酵分批发酵 连续发酵连续发酵 游离发酵游离发酵 固定化发酵固定化发酵 单一纯种发酵单一纯种发酵 混合发酵

8、混合发酵 （一）连续发酵 n单罐（级）连续发酵：具有菌体再循环 或不循环的方式 n多罐（级）连续发酵：具有菌体再循环 或不循环的方式 1、连续发酵的优点 n便于自动控制 n简化了菌体的扩大培养、发酵罐的多次 灭菌、清洗、出料 n缩短了发酵周期，降低人力、物力的消 耗 n增加了生产效率，使产品更具商业竞争 力 2、连续发酵的缺点 n运转时间长，菌种多退化，容易污染， 培养基的利用率一般低于分批培养 n工艺中的变量较复杂，较难控制和扩大 ，尤其在次生代谢产物如抗生素的大规模 生产中 三、工业发酵的方式 n（一）连续发酵 n（二）固态发酵 n（三）固定化发酵 n（四）混合发酵 （二）固态发酵 n固态

9、发酵：是指微生物在没有或几乎没 有游离水的湿固态培养基上的发酵过程； 如堆肥、青饲料发酵和做酒曲 n固态的是培养基一般含水量在50%左右 ，而无游离水流出，通常“手握成团，落 地能散” 三、工业发酵的方式 n（一）连续发酵 n（二）固态发酵 n（三）固定化发酵 n（四）混合发酵 （三）固定化发酵 n固定化发酵：固定化酶（细胞）用于发 酵称为固定化酶（细胞）发酵 1、固定化发酵的优点 n可以重复使用 n发酵产品的分离、纯化等后处理比较容易 n产品一般都做成球形颗粒或薄片状，生产工 艺操作简化，易于机械化和自动化，设备和器 材也比较简易 n可以制成酶活力很高或细胞密度很大的产品 ，而且抗酸、碱、温

10、度变化的性能提高，酶活 力较稳定，因而反应速度快，生产周期短 2、固定化的几种类型 n吸附固定：按照正、负电荷相吸的原理，酶或细胞吸 附在载体的表面而被固定 n包埋固定：大分子的有机或无机聚合物，将酶或细胞 包裹、固定在其凝胶中 n共价固定：酶或细胞与载体通过共价键而被固定 n交联固定化：酶分子或细胞上的化合物基团之间在双 功能基团交联剂作用下，与载体上的化合基团相互交联 呈网状结构而被固定。常用的交联剂是戊二醛 n微囊固定化：用一层亲水性的半透膜将酶或细胞固定 在珠状的微囊里 3、固定化发酵存在的问题 n需要好氧反应的固定化，固定化细胞的壁和膜所造成 的底物或产物的进出障碍以及载体造成的通气

11、障碍，往 往严重影响反应速度，产量低下 n有的容易细胞自溶或污染，或固定化颗粒机械强度差 ，或酶、细胞容易从载体脱落，或酶、细胞的活性很快 被抑制，使固定化酶或固定化细胞反复利用次数少，导 致产品的质量和数量不稳定 n固定化酶或固定化细胞反应动力学及其机理、专用设 备研究不足 三、工业发酵的方式 n（一）连续发酵 n（二）固态发酵 n（三）固定化发酵 n（四）混合发酵 （四）混合发酵 n混合发酵：是指多种微生物混合在一起 共用一种培养基进行的发酵 n如酒曲的制作，某些葡萄酒、白酒的生 产，湿法冶金等等 混合发酵的三大优势 n可做到三少一多：生产人员少，原材料和 能源消耗少，设备和器材少，而生产

12、的产品 效率高或种类多 n通过混合菌种的不同代谢组合，完成单个 菌种难以完成的复杂代谢，从而提高生产效 率 n能够获得一些独特的产品，而纯种发酵很 难实现：如茅台酒的生产 第十章 微生物的工业和产品 （4学时） 第一节 微生物的工业发酵 第二节 微生物的主要产品 第二节 微生物的主要产品 n一、微生物接种剂 n二、微生物肥料 n三、微生物农药 微生物接种剂的概念 n微生物接种剂：通常将直接应用微生物 活体作为接种材料的一类制剂 n微生物肥料：为植物提供有效养料和促 进生长的一类微生物接种剂 n微生物农药：防治植物病虫害和消除杂 草的一类微生物接种剂 一、微生物接种剂 n（一）微生物接种剂的特点

13、 n（二）微生物接种剂的使用 1、微生物接种剂的主要特点 n单位面积上用量微少：如草炭吸附接种 剂，一般用量7.515公斤/公顷，每克含5 亿个活细菌的菌剂，总体积仅为0.5立方 厘米，重量约0.5克 n不是直接作为植物的养料或药剂，而是 靠它们在土壤中或植物表面大量繁殖、进 行旺盛的分解代谢而起作用 n易受环境影响，稳定性差 一、微生物接种剂 n（一）微生物接种剂的特点 n（二）微生物接种剂的使用 （二）微生物接种剂的使用 n使用方法：种衣剂，拌种，土壤混菌，喷雾 接种等 n使用时间：播种前做成丸衣化种子；播种时 拌种或土壤混菌；播种后喷雾追施12次 n吸附剂：草炭被认为是最好的材料；植物材

14、 料，如谷壳粉、糖渣、玉米穗轴粉、腐熟堆肥 等；惰性无机和有机材料，如蛭石、珍珠石、 粉末磷灰石、硫酸钙、聚丙酰胺胶粒等 二、微生物肥料 n（一）根瘤菌肥 n（二）固氮菌肥 微生物肥料 n微生物肥料的种类：固氮菌肥、根瘤菌 肥、磷细菌肥、钾细菌肥、抗生菌肥、菌 根菌肥、植物根际促生菌肥等 n目前微生物肥料还是一种辅助性肥料， 不能完全代替有机肥料和无机肥料 （一）根瘤菌肥 n由于豆科植物种类不同和土壤类型的差异， 接种效果有很大差异，多数情况下有一定的 增产作用 二、微生物肥料 n（一）根瘤菌肥 n（二）固氮菌肥 （二）固氮菌肥 n1、固氮菌剂 n2、联合固氮菌剂 、固氮菌剂 n固氮菌剂：只有

15、在生长繁殖过程中固定分子 态氮，而且仅满足自身需要；要待它们死亡之 后，细胞自溶或被分解时才能释放出化合态氮 供植物和其他微生物利用 n固氮菌剂的应用最好结合秸秆还田、堆肥制 作、苗床准备等来进行 n对蔬菜类作物的效果较好，特别是同时使用 有机肥的情况下增产效果更显著 、联合固氮菌剂 n联合固氮菌剂：固氮螺菌除具有固氮作 用外，还能够促进植物吸收NO3-，NH4+ ，PO43-，K+，Fe2+等无机养料和水分 n存在的问题：细菌在根圈定植和繁殖不 理想 三、微生物农药 n（一）微生物杀虫剂 n（二）微生物杀菌剂 微生物农药的优点 n生物防治：利用自然界中某些生物控制 虫害、病害及其它有害生物的

16、方法，如以 菌治虫、以菌治菌等 n微生物农药：是指利用微生物本身或其 代谢产物防治病、虫、杂草的制剂 n优点：对人畜安全、对天敌无影响、不 易引起抗药性、对环境无污染 （一）微生物杀虫剂 n、细菌杀虫剂 n、真菌杀虫剂 n、病毒杀虫剂 1、细菌杀虫剂 n已发现的昆虫致病菌有苏云金芽孢杆菌 、金龟子芽孢杆菌、缓死芽孢杆菌、球形 芽孢杆菌、天幕虫梭菌、铜绿假单胞菌和 金龟子立克次氏体等 n其中几种芽胞杆菌已制成商品菌剂在生 产中应用，研究最深入，应用最广的是苏 云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis ） ，简称Bt （1） Bt的杀虫谱 nBt的杀虫谱：对磷翅目、双翅目、膜翅 目、鞘翅目、直翅目中的200多种昆虫都 有毒杀作用，而且各亚种、各菌株所毒杀 的昆虫对象不完全相同 n有的对某种昆虫的杀灭的专一性很强， 毒力很高 （2） Bt的杀虫机理 n伴胞晶体：杀虫的主要毒素，蛋白质晶 体，又称-内毒素 n苏云金素：变种产生，腺嘌呤核苷酸衍 生物，又称-外毒素、蝇毒素 n敏感昆虫：鳞翅目、双翅目和鞘翅目的 部分昆虫的幼虫 （3）Bt杀虫剂的缺点 n防效受环