微生物工程 概论

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1、微 生 物 工 程Microbial Engineering教材微生物工程曹军卫 马辉文 张甲耀 编科学出版社l生物技术主要包括基因工程、蛋白质工 程、酶工程、生物信息学、植物细胞工 程、动物细胞工程、微生物工程、生物 制药技术、高级生物传感器、环境生物 工程、农业生物工程、糖生物工程、生 物枝术与疾病诊断。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。微生物工

2、程是微生物学、生物化学、药学 和化学工程学等多学科密切相关的交叉性学 科。1. 微生物工程 = 现代发酵工程l发酵（fermentation）狭义发酵和广义发酵l微生物工程结合了现代工程技术手段， 超出了传统的发酵含义。微生物工程产品l传统发酵内容-酿造：食品、酒、调味 品等l近代的工业发酵内容-抗生素、氨基酸 、酶制剂、各种生物活性物质等FERMENTATION PROCESS CONTROL微生物工程的生产工艺过程上游工程UPSTREAM PROCESSES 下游工程DOWNSTREAM PROCESSES从广义上讲，由三部分组成：上游工程、发酵工程、下游工程菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验微

3、生 物 工 程包括三个部分：微生物工程原理微生物工程下游加工工程微生物工程生产设备第一部分 微生物工程原理共10章内容第一章 微生物工程概论一、 微生物工程的发展简史1.传统的微生物发酵技术天然发酵果汁酿酒、醋、酱、原始啤酒、面包发酵、奶酪、 泡菜等。2.第一代微生物发酵技术纯培养技术的建立1680 年，荷兰布商Anthony Leeuwenhoek安东尼列 文虎克发明了显微镜。1857年，法国Louis Pasteur巴斯德用曲颈瓶实验证明 了不同的发酵产物是由不同的微生物引起的。1905年，德国医生Robert Koch科赫建立了纯培养技 术，由此开创了人为控制发酵过程的时期，发明了简 单

4、的密封式发酵罐。这时期的产品有酵母、酒精、丙酮、丁醇、有机酸 、酶制剂等。Leeuwenhoek (1632-1723)Leeuwenhoek 制造的显微镜 （单镜头系统）眼睛L.Pasteur (18221895)3.第二代微生物发酵技术深层培养技术 deep culture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。 1928年，英国细菌学家弗莱明发现了点青 霉产物青霉素。牛津大学病理学教授弗洛 里分

5、离和提纯了青霉素，并用于治疗疾病。1945年，采用了深层培养技术，青霉素投 入了大规模生产，从而推动了抗生素工业乃至 发酵工业的快速发展。这时期微生物发酵已经广泛应用于能源开 发、环境保护、细菌冶金和石油勘探等。4.第三代微生物发酵技术微生物工程这一代生物技术产品的特点是运用了现代生物技术 DNA重组技术、细胞融合技术等的成果而进行生产 的产品。1953年美国的 Watson及Crick发现了DNA的双螺旋 结构，为DNA的重组奠定了基础。1974年美国的Boyer和Cohen首次在实验室中实现了 基因转移，为基因工程启开了通向现实的大门，而使人 们有可能在实验室中组建按人们意志设计出来的新的

6、生 命体。现代微生物工程时期的产品l医药产品类l食品及饲料添加剂l生物杀虫剂、生物除草剂、杀菌剂l化工能源l环保产品二、微生物工程的应用1.微生物工程在食品工业中的应用这是生物技术最早开发应用的领域，其中包括 传统的含醇饮料、调味品、乳制品等，至今其 产量和产值还占生物技术的首位。含醇饮料：葡萄酒、果酒、黄酒、白酒、啤酒 、白兰地、威士忌、伏特加、金酒、香槟酒、 朗姆酒等。传统调味品及发酵食品：酱、酱油、醋、豆鼓 、豆腐乳、饴糖、泡菜等。发酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等；用近代发酵或酶反应技术生产的食品原料： 葡萄糖、麦芽糖、果葡糖浆、甘露糖醇、脂肪 等。食品添加剂：面包酵母、味精、赖氨酸、柠

7、檬酸、红曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鸟苷酸 、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖、葡萄糖氧化酶 和异维生素C、乳链菌肽（食用防腐刘)、匹马 霉素(食品保护剂)。新型发酵饮料：活性乳酸饮料。2.微生物工程在医药卫生中的应用（1）抗生素：6000多种，绝大多数是微生物产生的 。抗细菌抗生素：青霉素、金霉素、红霉素等等。抗真菌抗生素：制霉菌素、两性霉素、灰黄霉素等 等。抗原虫抗生素：烟古霉素、古曲霉素等。抗肿瘤抗生素：放线菌素、丝裂霉素、内瘤霉素等 。免疫作用的抗生素：环孢菌素A等。半合成抗生素：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

8、生素。常用的半合成青霉素：甲氧苯青霉素(新青 )、乙氧 萘青霉素(新青 )、苯唑青霉素(新青)、氨苄青霉 素、羟氨苄青霉索等。常用的半合成头孢菌素：第一代： 头孢噻吩钠 （先锋1号 ）头孢氨苄（先锋4号 ） 头孢羟氨苄 头孢唑啉(先锋5号) 头孢拉 啶(先锋6号 ) 头孢硫脒 头孢克罗 头孢噻啶（先锋2号 ） 头孢来星 （先锋3号） 头孢乙腈 头孢匹林 头孢替唑 第二代： 头孢呋辛钠 头孢呋辛酯 头孢孟多 头孢呋辛钠 头孢克洛 头孢替安 头孢美唑 头 孢西丁 头孢丙烯 头孢尼西 第三代： 头孢噻肟钠 头孢哌酮 头孢他 啶 头孢曲松 头孢唑肟 头孢甲肟 头孢匹胺 头孢替坦 头孢克肟 头孢 泊肟酯

9、 头孢他美酯 头孢地秦 头孢噻腾 头孢地尼 头孢特仑 头孢拉 奈 拉氧头孢 头孢布烯 头孢米诺 头孢罗齐 第四代： 头孢吡肟 头孢匹罗 头孢唑南等。其他半合成抗生素：丁胺卡那霉素、强力霉素、乙酰 螺旋霉素等。 （2）氨基酸：氨基酸在医药中主要用于生产氨基酸大输液。可经发酵获得的氨基酸有谷氨酸、赖氨酸等。可用酶法获得的氨基酸有天门冬氨酸、丙氨酸等 。2.微生物工程在医药卫生中的应用（3）维生素：目前可用生物技术生产的维生素 或其中间产物有维生素B2、维生素B12、维生素c 的前体、类胡萝卜素、维生素D2的前体等。（4）甾体激素：可的松、氢化可的松、泼尼松 、强的松龙、肤氢松、地塞米松、确安舒松等

10、甾 体激素化学合成过程中，有若干步是用微生物的 生物转化来完成的。2.微生物工程在医药卫生中的应用（5）生物制品：生物制品是指含抗原的制品，被用于 预防、诊断或治疗传染病。由减毒或死的病毒或立克次氏体制造的疫苗，如牛 痘和斑疹伤寒疫苗；减毒或死的病原菌制成的疫苗，如卡介苗、伤寒菌 苗；类毒素如白喉类毒素；含抗体的制品：能中和外毒素的抗毒素。2.微生物工程在医药卫生中的应用（6）治疗用酶： 如蛋白酶和核酸酶可用于加速 去除坏死组织、脓汁、分泌液、血肿；胃蛋白酶 、脂肪酶、蛋白酶可帮助消化等等。（7）酶抑制剂淀粉酶抑制剂可治糖尿病；抑肽素(蛋白质抑制 剂)可用于治疗胃溃疡；多巴丁有降血压作用。2.

11、微生物工程在医药卫生中的应用（8）其他核苷酸产品 ：如肌苷可治疗心脏病、白血病、血小板 下降、肝病等。其它发酵药物：如谷氨酰胺可抗肿瘤、麦角胺可治疗 偏头痛等。基因工程药物：干扰素可抗病毒、抗肿瘤；生长激素 促进生长等。2.微生物工程在医药卫生中的应用3.微生物工程在轻工业中的应用主要是用于轻工业及其食品工业中的酶：糖酶：蛋白酶：加入洗涤剂等果胶酶：果汁或果酒的澄清等脂肪酶：降解脂肪为甘油和有机酸凝乳酶：奶酪过氧化氢酶：将双氧水分解4.微生物工程在化工能源产品中的应用利用发酵、生物转化或酶法生产下列产品：烷烃：甲烷醇及溶剂： 乙醇、甘油(丙三解)等有机酸：醋酸、丙酸等多糖：右旋糖酐、黄原胶等。

12、清洁能源：氢气等。5.微生物工程在农业中的应用（1）生物农药：微生物杀虫剂、防治病害如 杀稻瘟菌素等。（2）生物除草剂：利用微生物产生的环己酰 胺、谷氨酰胺合成酶等除草；（3）生物增产剂：赤霉素是一种能促种子 萌芽、植株助长的植物生产素。还有固氮菌 、钾细菌、磷细菌、抗生菌制剂作为辅助肥 料及抗菌增产剂。（4）食用菌和药用真菌：主要品种有蘑菇 、草菇、香菇、猴头菌、灵芝银耳、木耳、 冬虫夏草等。5.微生物工程在农业中的应用6.微生物工程在环境保护中的应用自然界本身就存在着碳和氮的循环，而微生物 在对生物物质的排泄物及尸体的分解起着重要的作 用。厌气发酵法：如沼气发酵；好气发酵法：如活性污泥对工

13、业和生活污水处理；目前正在寻找更合适的微生物，特别是能降解 酚、有机氮、有机磷、有机金属化合物的菌种。沼气 进料口出料口沉积物厌氧各种微生物联合作用,降解各种大分子,产生甲烷7.微生物工程在细菌冶金中的应用利用化能自养细菌如铁细菌、硫化细菌等把 亚铁氧化为高铁，将含硫金属矿石(一般采用贫 矿)中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。可用 此法浸取的金属有铜、钴、锌、铅、铀、金等 。目前在美国约有10的铜用此法生产，我国 也用此法生产铜和金。8.微生物工程在高技术研究中的应用如基因工程中用的限制性内切酶、连结酶 、DNA探针等；医学诊断或工业过程检测用的 生物传感器(酶或微生物电极) 、生物芯片 (b

14、iochip）等。微生物工程依靠微生物来完成发微生物工程依靠微生物来完成发 酵工厂生产线上的必不可少的加工（酵工厂生产线上的必不可少的加工（ 或转化）步骤，在这个意义上，微生或转化）步骤，在这个意义上，微生 物细胞就是工业发酵生产线上特殊机物细胞就是工业发酵生产线上特殊机 器器细胞机器细胞机器。细胞机器与普通意。细胞机器与普通意 义上的机器不同，义上的机器不同，细胞机器必须细胞机器必须由代由代 谢能直接驱动。谢能直接驱动。在发酵工厂的生产线在发酵工厂的生产线 上，微生物细胞机器必须完成上，微生物细胞机器必须完成“ “ 在线在线 制造制造 ” ”和和“ “生产运行生产运行” ”的双重任务。的双重

15、任务。三、微生物工程的任务和展望l1.提高现有微生物发酵工业水平，向科学化、 现代化的微生物工程产业发展l2.用现代遗传育种手段，改良、培育特色微生 物新品种l3.在现有酶工程的基础上，固定化（酶和细胞 ）技术被广泛应用l4. 通过微生物工程解决当今世界所面临的三大 问题：粮食、能源和环境 小 结l什么是微生物工程？l微生物工程主要应用在哪些领域？试举 例说明。l什么是半合成抗生素？试举例说明。l深层培养技术参 考 书微生物工程： 作者： 陈騊声 等微生物工程工艺原理：作者： 姚汝华 发酵工业概论：李艳主编（新编）生物工艺学（上下册）：作者： 俞俊棠 唐孝宣微生物工程概论：刘如林编著发酵微生物学：颜方贵主编