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01 微生物工程工艺原理课件及实验绪论.ppt

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本课件为课程绪论,从微生物工程的定义与一般特点切入,对比其与化学工程、酶工程和动植物细胞培养的差异,梳理传统发酵到青霉素工业的发展历程,并交代课程任务、内容与参考书目。

绪论章节开篇页,标示课程名称并引出微生物工程定义、特点与发展简史三条主线
微生物工程定义页,说明其利用微生物特定性状结合基因工程与代谢工程生产有用物质的技术体系
微生物工程特点归纳,列出以淀粉糖蜜为主原料、单一设备一次完成数十步反应等要点
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第1页:绪论

绪论

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第2页:微生物工程的定义

微生物工程的定义
是利用微生物的特定性状和机能,通过现代化工程技术,生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系;是将传统的发酵技术与现代的基因工程、细胞工程、代谢工程、生物信息工程和计算机控制等技术结合并迅速发展的现代发酵技术。
是生物技术的基础和重要组成部分,是生物技术产业

第3页:微生物工程的一般特点

  • 2、微生物工程的特点
  • ①生产所用的原料通常以淀粉、糖蜜等碳水化合物为主,辅料包括一定的有机或无机氮源和少量无机盐。
  • ②微生物反应过程以生命体的自动调节方式进行,数十个生化反应过程能通过单一微生物的代谢活动来完成,因而所需产品可在单一发酵设备中一次合成。

第4页:高分子合成与选择性转化

  • ③微生物能利用简单的物质合成复杂的高分子化合物。酶制剂、活性蛋白、活性肽和多糖等生物产品的生产是微生物工业最有发展前景的领域。
  • ④由于生命体特有的反应机制,微生物能高度选择性地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导人等转化反应,从而获得某些具有重大经济价值的物质。

第5页:菌种资源与育种手段

菌种资源与育种手段:⑤微生物在自然界中分布很广,种类繁多。人们可有目的地从自然界中筛选有用的微生物菌种,并可通过物理和化学诱变、细胞融合和基因重组等育种技术获得高产菌株。从分子生物学的观点看,微生物的基因组相对较小,调控系统相对简单,进行基因操作比动、植物要容易得多。例如最

第6页:与化学工程相比的特点

  • 与化学工程相比,微生物工程的特点为:
  • ①作为生物化学反应,通常在常温常压下进行,因此没有爆炸之类的危险,各种生产设备一般不必考虑防爆问题。
  • ②微生物发酵过程需防止杂菌污染,生产过程所需的设备、培养基和空气都需进行严格的无菌处理,一旦杂菌人侵就有可能导致发酵生产的失败。

第7页:发酵液组成与菌体利用

  • ③微生物发酵液成分较复杂,大多为非牛顿流体,其产品分离与纯化过程比化学反应过程产品复杂得多。
  • ④制造发酵产物的微生物菌体也是发酵产物,微生物细胞富含蛋白质、核酸、维生素等有用物质。微生物发酵液一般不含对生物体有害的物质。

第8页:与酶工程相比的特点

  • 与生物工程的其他技术相比,微生物工程的特点为:
  • ①与酶工程相比,微生物工程的特点是微生物的来源广、价格低,而且可以再生,但发酵液中含有一定副产物,给产品提取与纯化带来困难;而酶催化反应专一、无副产物、转化率高,但原酶价格高,有些酶来源受限制,且酶失活后不能再生。有关微生物工程与酶工程的比较见表1-1

第9页:微生物工程与酶工程比较表

下表按应用、来源与价格等项目,逐项对比微生物工程与酶工程的工艺特征。

微生物工程与酶工程比较表
项目微生物工程酶工程
应用系列串联反应,产物包括微生物代谢产物、微生物细胞本身和细胞组成部分(胞内产物)单酶系统时为单一反应;多酶系统时可用于若干串联反应或多底物、多产物反应
来源与价格来源广、价格低、菌种可传代,发酵开始时接入少量种子液即可在过程中自行繁殖从细胞中提取或通过微生物发酵制得,除若干大宗工业酶制剂外大多价格昂贵
稳定性较高,可通过多种途径保持其稳定性较差,只有高稳定性或经稳定性修饰的酶才能在工业上应用
辅酶再生在微生物新陈代谢中自行解决在需要辅酶再生的反应中,技术和经济问题难以解决
原料要求可用粗原料,但培养基中需提供菌体生长和产物形成所必需的成分简单,但要求纯度较高的化合物作底物
反应时间较长,1天左右至1周以上较短,数分钟至几十小时
反应器体积较大,但结构较简单较小,但结构较复杂
操作方式多为分批式,少量连续式;固定化细胞也可用固定床、流化床反应器连续操作游离酶分批式与连续式无明显区别;固定化酶以连续固定化、流化床反应器为主
过程控制较复杂,过程常分菌体生长和产物形成两个阶段,代谢途径较难控制简单
产品分离较复杂,反应终了时发酵液中含菌体、残余培养基和较多副产物简单
工业生产较多,有上千种工业产品较少,目前常见的工业产品仅十余种

第10页:与动植物细胞培养的比较

与动植物细胞培养的比较:②与动、植物细胞培养比较,微生物具有生产速度快、营养要求简单、对环境条件要求低等特点。有关微生物培养与动、植物细胞培养的差异见表1-2。

第11页:三类细胞培养差异表

下表从细胞直径、营养要求、生长速度等十二个项目对比三类细胞的培养特性。

微生物、哺乳动物细胞与植物细胞培养的差异
项目微生物哺乳动物细胞植物细胞
细胞直径(μm)1~1010~10010~100
细胞壁有无有
生长形式悬浮多数贴壁,也有悬浮生长悬浮,但易成团,无单个细胞
营养要求简单非常复杂较复杂
生长速度快,倍增时间0.5~5h慢,倍增时间15~100h慢,倍增时间24~72h
供氧要求(KLa值,h-1)100~10001~2520~30
细胞培养浓度(g/L)1~1000.1~11~30
产物浓度较高低较低
细胞分化无无有
代谢调节内部内部、激素内部、激素
对环境敏感性忍受范围宽非常敏感,忍受范围窄忍受范围较宽
对剪切力敏感性低非常高高

第12页:微生物工程的组成部分

  • 三、微生物工程的组成部分六个基本组成部分
  • 1、培养基制备
  • 2、无菌空气的制备
  • 3、菌种与种子扩大培养
  • 4、发酵培养
  • 5、发酵产品下游加工过程:可分为:发酵液预处理、初步纯化,高度纯化和成品加工四个部分,所用的单元操作包括絮凝、固液分离、细胞破碎、沉淀、吸附、膜分离、萃取、离子交换、电泳、

第13页:传统发酵技术

  • 第二节微生物工程发展简史
  • 酿酒、食醋、酱油、豆豉、腐乳
  • 葡萄酒

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第14页:近代发酵技术的建立

近代发酵技术的建立:巴斯德——微生物之父

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第15页:纯培养技术的建立

纯培养技术的建立:方法学的建立-科赫

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第16页:青霉素与好气培养技术

  • 二十世纪四十年代初,第二次世界大战爆发,青霉素的发现,迅速形成工业大规摸生产。
  • 1928年由Fleming发现青霉素
  • 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究
  • 表面培养:1升扁瓶或锥形瓶,内装200mL麦麸培养基───40u/ml
  • 1943年沉浸培养:5m3─── 200u/ml

第17页:好气培养的技术进展与意义

  • 主要的技术进展:
  • 通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。
  • 抗杂菌污染的纯种培养技术:无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。
  • 意义:
  • 抗生素工业的发展
  • 建立了一套完整的好氧发酵技术,大型搅拌发酵罐培养方法
  • 推动了整个发酵工业的深入发展

第18页:大型发酵罐搅拌装置

大型发酵罐搅拌装置

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第19页:发酵罐车间与空气压缩机

发酵罐车间与空气压缩机:180M3发酵罐车间大型空气压缩机

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第20页:发酵车间空气过滤器

发酵车间空气过滤器:发酵车间的空气过滤器

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第21页:诱变育种与基因工程阶段

诱变育种与基因工程阶段:四、人工诱变育种与代谢控制技术五、基因工程与克隆技术动物细胞反应器

第22页:微生物工业产品的类型

  • 第三节微生物工业
  • 一、微生物工业产品的类型(一)、微生物代谢产物产品
  • 1、中间代谢产物
  • 2、次级代谢产物
  • 微生物在第一次生长代谢过程中(对数生长期)不产生目标产物,目标产物在第二次代谢中(稳定期)形成的具有特定功能的产物,如抗生素、生物碱、生长促进剂等
  • 3、代谢产物
  • (二)、微生物菌体产品
  • (三)微生物的生物转化

第23页:微生物工业的范围(一)

  • 二、微生物工业的范围
  • (一)、酿酒
  • (二)、发酵食品
  • 1、发酵主食品:面包、馒头、包子、发面饼
  • 2、发酵副食品:火腿、发酵香肠、豆腐乳、泡菜、咸菜
  • 3、发酵调味品:酱、酱油、豆豉、食醋、酵母自溶物
  • 4、发酵乳制品:奶酒、干酪、酸奶

第24页:微生物工业的范围(二)

  • (三)、有机酸
  • (四)醇及有机溶剂
  • (五)酶制剂
  • (六)氨基酸
  • (七)核酸类物质
  • (八)抗生素
  • (九)生理活性物质

第25页:微生物工业的范围(三)

微生物工业的范围(三):(十)微生物菌体产品(十一)生物农药与生物增产剂(十二)生物能(十三)环境净化(十四)微生物冶炼(十五)转基因产品(十六)其他

本页文字为图中标注或提纲式短语,建议对照原课件图片理解。

第26页:微生物工程的发展趋势

  • 第四节微生物工程的发展趋势
  • 一、基因工程技术
  • 二、微生物资源的开发
  • (一)、微生物制药
  • (二)、环境生物工程
  • (三)、新能源的开拓
  • 三、发酵过程优化与调控
  • 1、微生物细胞生长过程
  • 2、微生物反应的化学计量
  • 3、生物反应动力学
  • 4、生物反应器工程
  • 四、生物分离新技术

第27页:课程任务与内容

  • 第五节微生物工程工艺原理的课程任务和内容
  • 任务:从微生物工程范畴出发来阐明厌氧和好氧发酵过程及产品提纯的原理
  • 用这些基本理论去分析、解决微生物工业中存在的具体问题,提高产品的质量和数量
  • 内容:发酵机理、代谢控制、产物提取

第28页:参考书目

  • 参考书:
  • 1、《微生物工程原理》中国轻工业出版社,2004年,肖冬光主编
  • 2、《发酵工程原理与技术应用》化学工业出版社,2006年,余龙江主编
  • 3、《生化分离工程》化学工业出版社,2006,严希康主编
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