√1微生物工程概论课件.ppt
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- 微生物 工程 概论 课件
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1、微生物工程微生物工程Microorganism Engineering绪论绪论 College of biotechnology College of biotechnology Southern Medical UniversitySouthern Medical University课时安排课时安排o总课时总课时 64o理论理论 40o实验实验 24成绩评定成绩评定o考试成绩考试成绩 80o平时成绩平时成绩 20本章节的主要内容本章节的主要内容o什么是微生物工程包括哪些内容?什么是微生物工程包括哪些内容?o微生物工程的发展经历了哪几个阶段?微生物工程的发展经历了哪几个阶段?o微生物工程的产
2、品包括哪些类型?微生物工程的产品包括哪些类型?o微生物工程有哪些特点?微生物工程有哪些特点?o微生物工程有哪些应用领域?微生物工程有哪些应用领域?o微生物工程的发展前景如何?微生物工程的发展前景如何?什么是发酵?什么是发酵?18571857年法国化学家、微生物学家巴斯年法国化学家、微生物学家巴斯德提出了著名的发酵理论:德提出了著名的发酵理论:“一切发酵过一切发酵过程都是程都是微生物微生物作用的结果。作用的结果。”基本概念基本概念 1.1.传统的发酵:传统的发酵:是指酒的生产过程。是指酒的生产过程。2.2.生化和生理学意义的发酵:生化和生理学意义的发酵:指微生物在无氧条件下,分指微生物在无氧条件
3、下,分解各种有机物质产生能量的一种方式。解各种有机物质产生能量的一种方式。3.3.工业上的发酵:工业上的发酵:是指在有氧或无氧条件下利用微生物制是指在有氧或无氧条件下利用微生物制造或生产某些产品的过程。造或生产某些产品的过程。Fermentation Fervere 微生物工程的基本概念微生物工程的基本概念 利用利用微生物微生物的特定性状和机能,通过现代化工程技术,的特定性状和机能,通过现代化工程技术,生产有用物质生产有用物质或或直接应用于工业化生产直接应用于工业化生产的技术体系;是将的技术体系;是将传统发酵与现代基因工程、细胞工程、代谢工程、生物信传统发酵与现代基因工程、细胞工程、代谢工程、
4、生物信息工程和计算机控制等新技术结合并迅速发展起来的现代息工程和计算机控制等新技术结合并迅速发展起来的现代发酵技术。发酵技术。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。是发酵技术工程化的发展。微生物工程的组成微生物工程的组成微生物学微生物学化学工程化学工程生物化学生物化学微生物细胞是发酵工厂最重要的机器微生物细胞是发酵工厂最重要的机器微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式Working pattern of cell-machine in Industrial Fermentation微生物工程微生物工程-工业生物技术工业生物技术
5、的核心的核心o借助于借助于微生物微生物进行进行产品开发产品开发或或环境改造环境改造是微生物工程是微生物工程 的基本内容和目标,基于的基本内容和目标,基于生物学知识、生物学知识、又依托又依托工程概工程概念念,涉及到解决人类所面临的,涉及到解决人类所面临的食品与营养食品与营养、健康与环健康与环境境、资源与能源资源与能源等重大问题,解决的是生物技术等重大问题,解决的是生物技术产业产业化化进程中的关键问题,为人类社会带来巨大经济和社进程中的关键问题,为人类社会带来巨大经济和社会效益。会效益。微生物工程微生物工程研究的主要内容研究的主要内容 FERMENTATIONProcess Control上游工程
6、上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSESFermentation engineeringUPSTREAM PROCESSES-genetics,cell-inoculum development-media formulation-sterilization-inoculationDOWNSTREAM PROCESSES-product extraction,purification&assay-waste treatment-by product recoveryo菌种的选育菌种的选育o培养基的配制、灭菌、培养基的配制、灭菌、o扩大
7、培养和接种扩大培养和接种o发酵过程发酵过程o产品的分离提纯等产品的分离提纯等微生物发酵生产流程微生物发酵生产流程微生物工程发展简史微生物工程发展简史1、传统的微生物发酵技术、传统的微生物发酵技术天然发酵天然发酵几千年几千年酒酒 (古埃及(古埃及 公元前公元前4000 4000 30003000年;年;龙山文化龙山文化42004200年)年)啤酒、黄酒、酱油、泡菜等啤酒、黄酒、酱油、泡菜等只知现象,不知本质只知现象,不知本质2、第一代微生物发酵技术、第一代微生物发酵技术 纯培养技术纯培养技术 1676年,微生物学的先驱年,微生物学的先驱荷兰人列文虎克(荷兰人列文虎克(Antony van lee
8、uwenhoek)首次)首次观察到了细菌。他没有上观察到了细菌。他没有上过大学,是一个只会荷兰过大学,是一个只会荷兰语的小商人,但却在语的小商人,但却在1680年被选为英国皇家学会的年被选为英国皇家学会的会员。会员。荷兰人列文虎克荷兰人列文虎克(Antonyvan leeuwenhoek)2、第一代微生物发酵技术、第一代微生物发酵技术 纯培养技术纯培养技术18571857年,年,Louis Pasteur Louis Pasteur 微生物引起发酵;酒精发微生物引起发酵;酒精发酵由酵母引起酵由酵母引起法国人巴斯德(法国人巴斯德(Louis Pasteur)(18221895)2、第一代微生物发
9、酵技术、第一代微生物发酵技术 纯培养技术纯培养技术19051905年,年,Robert Koch Robert Koch 因其关于肺结核的出色工因其关于肺结核的出色工作获得了诺贝尔奖。发明作获得了诺贝尔奖。发明了固体培养基;建立了纯了固体培养基;建立了纯培养技术培养技术 实现实现人为控制发酵过程人为控制发酵过程德国人柯赫(德国人柯赫(Robert Koch)(18431910)2、第一代微生物发酵技术、第一代微生物发酵技术 纯培养技术纯培养技术天然发酵向纯种发酵转变天然发酵向纯种发酵转变 (第一次技术转折第一次技术转折)酒精、丙酮、丁醇、甘油酒精、丙酮、丁醇、甘油(主要是厌氧发酵;初级代谢产物
10、)(主要是厌氧发酵;初级代谢产物)3、第二代微生物发酵技术、第二代微生物发酵技术 深层培养技术深层培养技术1928年9月15日,亚历山大弗莱明发现了青霉素,这使他在全世界赢得了25个名誉学位、15个城市的荣誉市民称号以及其他140多项荣誉,其中包括诺贝尔医学奖。引起尿道炎的大肠杆菌,未经用药时的情形。与青毒素接触不久,细胞外壁开始隆起。再过一段时期,隆起部分越来越大,使细胞膜膨胀。细胞膜过分胀大发生破裂,细胞死亡。3、第二代微生物发酵技术、第二代微生物发酵技术 深层培养技术深层培养技术 出现于出现于20世纪世纪40年代,以抗生素的生产为标志年代,以抗生素的生产为标志 青霉素的发现与大量需求青霉
11、素的发现与大量需求 表面培养法(效价表面培养法(效价40U/mL,纯度,纯度20%,收率,收率30%)深层培养技术(机械搅拌通气发酵)(深层培养技术(机械搅拌通气发酵)(效价效价90000U/mL,纯度,纯度99.9%,收率,收率90%)链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等链霉素、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,如氨基酸发抗生素工业的发展促进了其他发酵产品的出现,如氨基酸发酵工业酵工业 好氧发酵,初级、次级代谢产物好氧发酵,初级、次级代谢产物4、第三代微生物发酵技术、第三代微生物发酵技术 代谢调控技术代谢调控技术o 石油发酵阶段石油发酵阶段o石蜡
12、、醋酸、甲醇为原料生产微生物细胞作为饲石蜡、醋酸、甲醇为原料生产微生物细胞作为饲料蛋白质料蛋白质o大规模、连续化、自动化的开始大规模、连续化、自动化的开始 o微生物化学、微生物生理学以及微生物遗传学微生物化学、微生物生理学以及微生物遗传学o19561956年,日本利用生物素缺陷型菌株进行谷氨酸年,日本利用生物素缺陷型菌株进行谷氨酸 发酵生产。发酵生产。o由氨基酸发酵开始了代谢控制发酵。由氨基酸发酵开始了代谢控制发酵。5、第四代发酵技术、第四代发酵技术基因工程技术基因工程技术1972,DNA 重组技术、原生质体融合技术等应用重组技术、原生质体融合技术等应用1977,美国,美国 激素释放抑制因子激
13、素释放抑制因子1978,利用工程菌生产的人胰岛素问世,利用工程菌生产的人胰岛素问世1982,我国开始自主生产基因工程胰岛素,我国开始自主生产基因工程胰岛素红细胞生成素红细胞生成素 (治疗贫血治疗贫血)生长激素生长激素 (促进生长促进生长)胰岛素胰岛素 (治疗糖尿病治疗糖尿病)干扰素干扰素 (抗病毒、抗肿瘤抗病毒、抗肿瘤)微生物工程产品类型微生物工程产品类型1.微生物代谢产物发酵微生物代谢产物发酵2、微生物菌体的发酵、微生物菌体的发酵3、微生物的生物转化、微生物的生物转化o初级代谢产物初级代谢产物l与菌体生长相伴随的产物,与菌体生长相伴随的产物,l氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、溶剂氨基酸、核苷
14、酸、维生素、有机酸、溶剂l菌体对其合成反馈控制严密,一般不过量积累菌体对其合成反馈控制严密,一般不过量积累o次级代谢产物次级代谢产物l与菌体生长不相伴随,以初级代谢产物为原料而合成与菌体生长不相伴随,以初级代谢产物为原料而合成l 抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等抗生素、生物碱、毒素、胞外多糖等l 结构常较复杂对环境条件敏感结构常较复杂对环境条件敏感1.微生物代谢产物发酵微生物代谢产物发酵初级代谢产物初级代谢产物primary metabolite 是指是指微生物微生物通过通过代谢代谢活动所产生的、自身生长和繁殖活动所产生的、自身生长和繁殖所所必需的必需的物质物质,如,如氨基酸氨基酸、核苷酸核苷
15、酸、多糖多糖、脂类脂类、维生素维生素等。通过等。通过初级代谢初级代谢,能使营养物转化为结构物质、具生理,能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或为生长提供能量,因此初级代谢产物,通常都活性物质或为生长提供能量,因此初级代谢产物,通常都是机体生存必不可少的物质,只要在这些物质的合成过程是机体生存必不可少的物质,只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍,轻则引起生长停止,重则导致机的某个环节上发生障碍,轻则引起生长停止,重则导致机体发生突变或死亡,是一种基本代谢类型。体发生突变或死亡,是一种基本代谢类型。次级代谢产物次级代谢产物secondary metabolite 是指是指微生物微生物生
16、长到一定阶段才产生的化学结生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能,或构十分复杂、对该生物无明显生理功能,或并非并非是是微生物生长和繁殖所必需的物质,如微生物生长和繁殖所必需的物质,如抗生素抗生素、毒素毒素、激素激素、色素色素等。不同种类的微生物所产生等。不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同,他们可能积累在细胞内,的次级代谢产物不相同,他们可能积累在细胞内,也可能排到外环境中。也可能排到外环境中。2、微生物菌体的发酵、微生物菌体的发酵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)活性乳酸菌制
17、剂、食用和药用酵母活性乳酸菌制剂、食用和药用酵母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生长速率最大的时期也是产物合成最高阶段3、微生物的生物转化、微生物的生物转化 利用微生物细胞的一种或几种酶,对外源化合物的特定利用微生物细胞的一种或几种酶,对外源化合物的特定部位进行加工,如部位进行加工,如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链等。等。转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞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,而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物的某一代谢产生,而是微生
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