第1页：第一章绪论封面
第一章绪论微生物与发酵工艺
第2页：第一章绪论目录
第一章绪论第一节微生物及其特点第二节几个基本概念第三节生物反应过程的特点第四节微生物工业产品类型第五节发酵工程的发展简史
第3页：微生物的大小计量
- 第一节微生物及其特点
- 表示微生物大小的单位是µm（1 m＝106μm）或nm（1 m＝109nm）
- 必须用显微镜放大几倍、几百倍、上千倍，乃至用电子显微镜放大数万倍、上百万倍才能看清。光学显微镜透射式电子显微镜
源文件“1 m＝106μm”“1 m＝109nm”为上标丢失，按标准记法应为 1 m＝10⁶ μm、1 m＝10⁹ nm。
第4页：球菌与杆菌的大小比较
球菌的直径是0.5µm，因此80个球菌“肩并肩”地排列成横队，也只有一根头发丝的宽度。杆菌的长度约2µm，故1500个杆菌头尾衔接起来仅有一颗芝麻长。
第5页：微生物的定义及成员
- 一、微生物的定义及成员
- 微生物是指所有形体微小，单细胞或结构简单的多细胞，或没有细胞结构的一群最低等的生物。
- 整个微生物家族的成员包括三大类：
- 非细胞类微生物
- 原核细胞类微生物
- 真核细胞类微生物
第6页：非细胞类微生物与真病毒
- ㈠非细胞类微生物
- ⒈真病毒
- 真病毒(euvirus)以活细胞内专性寄生(感染态)或以无生命的生物大分子(非感染态)两种形式存在,由核酸和蛋白质组成的超显微的非细胞生物。
第7页：亚病毒与朊粒
- ⒉亚病毒
- 亚病毒(subvirus)只含核酸和蛋白质两种组分的其中一种的生物大分子病原体。正常PrPc羊瘙痒病致病PrPsc朊粒
第8页：原核细胞类微生物与细菌
- ㈡原核细胞类微生物
- ⒈细菌
- 细菌(bacteria)是结构简单的单细胞原核生物，一般要在普通光学显微镜下放大一千倍以上并染色才能清楚看见其个体。
第9页：放线菌
- ⒉放线菌
- 放线菌(actinomycetes)呈丝状生长，营养菌丝为单细胞,以孢子繁殖的一类原核生物,一般要采用油镜观察。放线菌的基内菌丝与气生菌丝
第10页：蓝细菌
- ⒊蓝细菌
- 蓝细菌(cyanobacteria)呈单细胞、非丝状群体或丝状体的大型原核生物，能进行产氧光合作用。螺旋藻
第11页：
第12页：立克次氏体
- ⒌立克次氏体
- 立克次氏体(rickettsia)具有细胞壁的较大原核生物,不能独立生活,专性寄生于真核细胞内，是某些人类传染病的病原体。
第13页：衣原体
- ⒍衣原体
- 衣原体(chlamydia)的细胞壁缺肽聚糖,缺乏产能酶系的原核生物，于真核细胞内营专性能量寄生的一类病原体。
第14页：酵母菌
- ㈢真核细胞类微生物
- ⒈酵母菌
- 酵母菌(yeast)是单细胞真菌,能发酵糖类，是一类最低等的真核生物。－般用高倍镜（400～600倍）观察其个体细胞形态。
第15页：霉菌
- ⒉霉菌
- 霉菌(mould, mold)是引起物品霉变的丝状真菌,单细胞或多细胞真核生物。可用低倍或高倍镜观察其个体形态。
第16页：蕈菌
- ⒊蕈菌
- 蕈菌(mushroom)又名伞菌或担子菌，能产生大型肉质子实体的真菌。蘑菇灵芝
第17页：藻类
- ⒋藻类
- 藻类(algae)是单细胞或单细胞的聚合体，进行光合作用并产生氧气的一类真核生物。
第18页：原生动物
- ⒌原生动物
- 原生动物(protozoan)个体微小，无真正细胞壁，具运动性，行吞噬营养的单细胞真核生物。草履虫
第19页：发酵工业重点微生物
- 原核生物中的细菌、放线菌
- 真核生物中的酵母菌、霉菌
- 非细胞生物中的噬菌体
- 是在发酵工业上有重要用途或关系密切的微生物,因而是本课程讨论的重点。
第20页：微生物的五大特点
- 二、微生物的特点
- ㈠体积小，面积大
- ㈡吸收多，转化快
- ㈢生长旺，繁殖快
- ㈣适应强，易变异
- ㈤分布广，种类多
第21页：生物技术与生物工程的概念
- 第二节几个基本概念
- 生物技术(又称生物工艺学，biotechnology)，有时也称生物工程(bioengineering)，是指“应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂(biocatalyst)的作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务”的技术。
- 有的资料认为：生物工程>生物技术
第22页：生物技术的四大方面内容
- 一般认为，生物技术通常包括基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质（酶）工程等四个方面内容，此外还有基因诊断与基因治疗技术、克隆动物技术、生物芯片技术、生物材料技术、生物能源技术、利用生物降解环境中有毒有害化合物的技术等等都是生物技术范畴的重要内容。
- 现代生物技术实际上是建立在多学科基础之
第23页：四大生物工程关系图
生物技术基因工程蛋白质（酶）工程细胞工程发酵工程产物产品产品
第24页：发酵与发酵工程的定义
- 发酵工程：人们把利用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或其代谢产物的过程统称为发酵。
- 生物化学：发酵的定义是“微生物在无氧时的代谢进程”。
- 发酵工程中的“发酵”>>生化范畴内发酵的定义
- 比较：发酵工程（生化工程）与化学工程
第25页：发酵工程的定义与技术体系
- 发酵工程(fermentation engineering，又称微生物工程，microbial engineering)是利用微生物的特定性状和功能，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；
- 是将传统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术。
- 也可以说是渗透有工程学的微生物学，是
第26页：发酵工程技术的产品谱系
发酵工程传统发酵技术现代发酵技术抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥
第27页：现代发酵技术的工艺环节
- 现代发酵技术一般包括微生物细胞或动植物细胞（含基因重组细胞）的悬浮培养，或利用固定化酶、固定化细胞所做的反应器加工底物（即有生物催化剂参加），以及培养加工后产物大规模的分离提取等工艺。
- 主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适环境条件。
- 如酸碱度、温度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等。
第28页：小型发酵罐
小型发酵罐
第29页：
第30页：生物反应过程概述
- 第三节生物反应过程的特点
- 生物反应过程的实质就是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。一般生物反应过程示意图如下。
第31页：生物反应过程的四个组成部分
- 可见，通常的生物反应过程由四个部分组成：
- ⒈原料的预处理及培养基的制备
- ⒉生物催化剂的制备
- 以上两部分属于上游加工过程。
- ⒊生物反应器及反应条件的选择
- 此部分同时还包括生物反应过程的参数检测和控制，都属于中游加工过程。
- ⒋产品的分离与纯化
- 此部分为下游加工过程(down streamprocessing)。
第32页：上中下游加工过程示意
中游加工过程下游加工过程上游加工过程在线参数检测生物传感在线分析系统
第33页：生物反应过程的特点（一）
- 生物反应过程的特点简述如下：
- ⑴生产过程通常在常温下进行，操作条件温和，不需考虑防爆问题。一种设备具有多种用途。原料以碳水化合物为主，不含有毒物质。
- ⑵生产反应过程是以生命体的自动调节方式进行的，多个反应像一个反应一样，可在单一设备中进行。
- ⑶能容易进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学活性体等。
第34页：生物反应过程的特点（二）
- ⑷能够高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团的导入等。
- ⑸生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白质、酶等；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物造成危害。
- ⑹生产过程中需要注意防止杂菌污染，尤其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。
第35页：生物反应过程的特点（三）
⑺通过改良生物体生产性能，可在不增加设备投资的条件下，利用原有的生产设备使生产能力飞跃上升。
第36页：微生物菌体发酵与酶发酵
- 第四节微生物工业产品类型
- 一、微生物菌体的发酵
- 这类产品发酵的特点是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。
- 二、微生物酶发酵
- 这里所说的酶大部分是利用微生物生产的菌体胞内酶(endoenzyme)和菌体胞外酶
第37页：初级代谢产物发酵
- 三、微生物代谢产物发酵生产
- 以微生物代谢产物作为产品是发酵工业中种类最多，也是最重要的部分。这类产品可分为两类。
- ⑴初级代谢产物(primary metabolite)，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸等，它们是菌体生长所必需的，是在对数生长期所产生的物质，受许多调节机制的控制。许多初级代谢产物在经济上有相当的重要性。
第38页：次级代谢产物发酵
⑵次级代谢产物(secondary metabolite)，如抗生素、生物碱、细菌素、植物生长因子(plant growth factor)等，这些产物与菌体的生长繁殖无明显关系，是菌体在生长的稳定期合成的具有特定功能的产物，也受许多调节机制的控制，如诱导调节、分解代谢产物阻遏等。
第39页：
第40页：微生物生长曲线与产物合成期
时间细菌数目的对数某种细菌的生长曲线微生物群体生长的规律稳定期衰亡期对数期停滞期次级代谢产物初级代谢产物
第41页：微生物的生物转化
- 四、微生物的生物转化
- 微生物的生物转化作用是利用微生物细胞的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位(基团)，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物的生化反应。
第42页：微生物特殊机能的利用
- 五、微生物特殊机能的利用
- ⑴利用微生物消除环境污染；
- ⑵利用微生物发酵保持生态平衡；
- ⑶利用微生物进行金属的浸沥回收；
- ⑷利用基因工程菌株
第43页：传统天然发酵技术
- 第五节发酵工程的发展简史
- 一、传统的微生物发酵技术——天然发酵
- 公元前4000～3000年，古埃及人已熟悉了酒、醋的酿造方法。
- 约在公元前2000年，古希腊人和古罗马人已会利用葡萄酿造葡萄酒。
- 我国在距今4200～4000年前的龙山文化时期已有酒器出现，公元前1000多年前，商朝甲古文中有“醋、酒、鬯”的记载。
第44页：古代酿酒与盛酒文物
古罗马人搬运葡萄酒的情景（上）汉代砖刻上的酿酒图（）战国时期的盛酒铜器和其中的酒（右）
第45页：第一代发酵技术与显微镜
- 二、第一代微生物发酵技术——纯培养技术的建立
- 1680年，荷兰人安东尼·列文虎克(AnthonyLeeuwenhoek)(1632～1723年)制成了放大率为40～150倍的显微镜
第46页：巴斯德与毕希纳的发现
- 1857年法国著名生物学家巴斯德(Louis Pasteur，1822～1895年)用巴氏瓶实验，证明了酒精发酵是由活酵母引起的
- 1897年德国的毕希纳(Eduard Buchner，1860～1917年)发现具有发酵能力的物质——酒化酶(zymase)
第47页：柯赫与纯培养技术的建立
德国人柯赫(Robert Koch，1843～1910年)1905年因其防治肺结核的出色工作获得了诺贝尔奖，他首先发明固体培养基，得到了细菌的纯培养物，由此建立了微生物的纯培养技术。
第48页：第二代发酵技术与青霉素
- 三、第二代(近代)微生物发酵技术——深层培养技术
- 1928年英国细菌学家弗莱明发现能够抑制葡萄球菌的点青霉(Penicilliumnotatum)，其产
第49页：深层培养技术推动抗生素工业
1945年大规模地投入生产。同时由于采用了深层培养技术(submerged cultures)，即机械搅拌通气技术，从而推动了抗生素工业乃至整个发酵工业的快速发展。
第50页：代谢控制发酵与石油发酵
- 20世纪50年代氨基酸发酵工业，在引进了“代谢控制发酵技术(metabolic controlfermentation)”后，得以快速发展，即将微生物通过人工诱变，获得代谢发生改变的突变株，在控制条件下，选择性地大量生产某种人们所需要的产品。
- 20世纪60年代，发现许多石油及石油产品可以代替糖质原料进行发酵，而出现了石油发酵。
第51页：黄色短杆菌的代谢途径
- 天冬氨酸黄色短杆菌的代谢过程甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸中间产物
- Ⅰ天冬氨酸激酶中间产物
- Ⅱ抑制高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶
第52页：人工控制代谢生产赖氨酸
- 天冬氨酸人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸中间产物
- Ⅰ天冬氨酸激酶中间产物
- Ⅱ甲硫氨酸苏氨酸高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶不能合成可以大量积累赖氨酸人工诱变的菌种不能产生
第53页：DNA双螺旋结构的发现
- 四、第三代微生物发酵技术——发酵工程
- 1953年，美国的Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构。
第54页：基因重组质粒的构建
1973年，美国加利福尼亚旧金山分校的HerberBoyer和斯坦福大学的Stanley Cohen将两个质粒用EcoR I酶切后，在连接酶存在条件下连接起来，获得了具有两个复制起始位点的杂合
第55页：本章思考题（一）
- 思考题
- ⒈什么是微生物？广义的微生物和发酵工业微生物分别主要包括哪几大类？
- ⒉微生物具有哪些主要特点？试简要说明之。
- ⒊什么是生物技术？生物技术通常包括哪四个方面内容？
第56页：本章思考题（二）
- 思考题
- ⒋什么是发酵工程？通常的生物反应过程由哪四个部分组成？
- ⒌微生物工业产品的类型有哪几种？
- ⒍微生物代谢产物分哪两类？它们之间的关系如何？
第57页：
