微生物資源開發(fā)與利用剖析

1 微生物資源的開發(fā)利用 1 微生物 2 發(fā)酵工程 3 生物轉(zhuǎn)化 4 環(huán)境保護(hù)及清潔生產(chǎn) 2 一 微生物及其特點(diǎn) 微生物是微小生物的總稱 一般只有借助顯微鏡才能其進(jìn)行觀察 微生物 病毒 原核生物 真細(xì)菌 古生菌 真核生物 真菌 酵母 霉菌 蕈菌等 單細(xì)胞藻類 原生動(dòng)物等 3 微生物既是人類的敵人 更是人類的朋友 1 人類時(shí)時(shí)刻刻與微生物 共存 是禍 是福 在近代科學(xué)中 對(duì)人類福利最大的一門科學(xué)算是微生物學(xué)了 微生物與人類關(guān)系的重要性 你怎么強(qiáng)調(diào)都不過分 但微生物是一把十分鋒利的雙刃劍 它們?cè)诮o人類帶來巨大利益的同時(shí)也帶來 殘忍 的破壞 它給人類帶來的利益不僅是享受 而且實(shí)際上涉及到人類的生存 4 1 1664年 英國(guó)人虎克 RobertHooke 曾用原始的顯微鏡對(duì)生長(zhǎng)在皮革表面及薔薇枯葉上的霉菌進(jìn)行觀察 2 微生物的發(fā)現(xiàn)和微生物學(xué)的建立與發(fā)展 5 1676年 微生物學(xué)的先驅(qū)荷蘭人列文虎克 Antonyvanleeuwenhoek 首次觀察到了細(xì)菌 他沒有上過大學(xué) 是一個(gè)只會(huì)荷蘭語的小商人 但卻在1680年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員 6 2 微生物學(xué)的奠基 法國(guó)人巴斯德 LouisPasteur 1822 1895 德國(guó)人柯赫 RobertKoch 1843 1910 7 微生物學(xué)的奠基 巴斯德 1 發(fā)現(xiàn)并證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的 2 徹底否定了 自然發(fā)生 學(xué)說 化學(xué)家出生的巴斯德涉足微生物學(xué)是為了治療 酒病 和 蠶病 著名的曲頸瓶試驗(yàn)無可辯駁地證實(shí) 空氣內(nèi)確實(shí)含有微生物 是它們引起有機(jī)質(zhì)的腐敗 3 免疫學(xué) 預(yù)防接種 首次制成狂犬疫苗 4 其他貢獻(xiàn) 巴斯德消毒法 60 65 作短時(shí)間加熱處理 殺死有害微生物 8 柯赫 a 細(xì)菌純培養(yǎng)方法的建立 土豆切面 營(yíng)養(yǎng)明膠 營(yíng)養(yǎng)瓊脂 平皿 1 微生物學(xué)基本操作技術(shù)方面的貢獻(xiàn) b 設(shè)計(jì)了各種培養(yǎng)基 實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)各種微生物的培養(yǎng) c 流動(dòng)蒸汽滅菌 d 染色觀察和顯微攝影 9 2 對(duì)病原細(xì)菌的研究作出了突出的貢獻(xiàn) a 具體證實(shí)了炭疽桿菌是炭疽病的病原菌 b 發(fā)現(xiàn)了肺結(jié)核病的病原菌 1905年獲諾貝爾獎(jiǎng) c 證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則 著名的柯赫原則 1 在每一相同病例中都出現(xiàn)這種微生物 2 要從寄主分離出這樣的微生物并在培養(yǎng)基中培養(yǎng)出來 3 用這種微生物的純培養(yǎng)接種健康而敏感的寄主 同樣的疾病會(huì)重復(fù)發(fā)生 4 從試驗(yàn)發(fā)病的寄主中能再度分離培養(yǎng)出這種微生物來 10 3 微生物的特點(diǎn) 個(gè)體小 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 胃口大 食譜廣 繁殖快 易培養(yǎng) 數(shù)量大 分布廣 種類多 變異易 抗性強(qiáng) 11 食譜廣 微生物獲取營(yíng)養(yǎng)的方式多種多樣 其食譜之廣是動(dòng)植物完全無法相比的 纖維素 木質(zhì)素 幾丁質(zhì) 角蛋白 石油 甲醇 甲烷 天然氣 塑料 酚類 氰化物 各種有機(jī)物均可被微生物作為糧食 12 繁殖快 24小時(shí)后 4722366500萬億個(gè)后代 重量達(dá)到 4722噸48小時(shí)后 2 2 1043個(gè)后代 重量達(dá)到2 2 1025噸 相當(dāng)于4000個(gè)地球的重量 大腸桿菌一個(gè)細(xì)胞重約10 12克 平均20分鐘繁殖一代 一頭500kg的食用公牛 24小時(shí)生產(chǎn)0 5kg蛋白質(zhì) 而同樣重量的酵母菌 以質(zhì)量較次的糖液 如糖蜜 和氨水為原料 24小時(shí)可以生產(chǎn)50000kg優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì) 13 易培養(yǎng) 很多微生物都可以非常方便地進(jìn)行人工培養(yǎng) 數(shù)量大 在自然界中 土壤 水體 空氣 動(dòng)植物體內(nèi)和體表 都生存有大量的微生物 14 變異易 個(gè)體小 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 且多與外界環(huán)境直接接觸繁殖快 數(shù)量多 短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的變異后代 突變率 10 5 10 10 15 抗 逆 性強(qiáng) 抗熱 有的細(xì)菌能在265個(gè)大氣壓 250 的條件下生長(zhǎng) 自然界中細(xì)菌生長(zhǎng)的最高溫度可以達(dá)到113 有些細(xì)菌的芽孢 需加熱煮沸8小時(shí)才被殺死 抗寒 有些微生物可以在 12 30 的低溫生長(zhǎng) 抗酸堿 細(xì)菌能耐受并生長(zhǎng)的pH范圍 pH0 5 13 耐滲透壓 蜜餞 腌制品 飽和鹽水 NaCl 32 中都有微生物生長(zhǎng) 抗壓力 有些細(xì)菌可在1400個(gè)大氣壓下生長(zhǎng) 16 4 新世紀(jì)的微生物學(xué) 20世紀(jì)40年代后 微生物自身的特點(diǎn)使其成為生物學(xué)研究的 明星 微生物學(xué)很快與生物學(xué)主流匯合 并被推到了整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的前沿 獲得了迅速的發(fā)展 在生命科學(xué)的發(fā)展中作出了巨大的貢獻(xiàn) 微生物學(xué)與生物學(xué)發(fā)展的主流匯合 交叉 獲得了全面 深入的發(fā)展 17 1 微生物自身的特點(diǎn) 共性和特性 將會(huì)更加受到關(guān)注和利用其中 以微生物為研究材料繼續(xù)對(duì)一些基本生命現(xiàn)象進(jìn)行研究 微生物產(chǎn)業(yè)的開發(fā) 重要致病菌的特點(diǎn)及其防治 極端環(huán)境的微生物的研究 共性 微生物具有其他生物共有的基本生物學(xué)特性 生長(zhǎng) 繁殖 代謝 共用一套遺傳密碼等 甚至其基因組上含有與高等生物同源的基因 充分反映了生物高度的統(tǒng)一性 特性 微生物具有其它生物不具備的生物學(xué)特性 例如可在其他生物無法生存的極端環(huán)境下生存和繁殖 具有其他生物不具備的代謝途徑和功能 反映了微生物極其豐富的多樣性 微生物自身特性的進(jìn)一步開發(fā) 利用 例如降解性塑料 分解纖維素 生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白等 借助 利用 微生物特點(diǎn)的基因工程產(chǎn)業(yè) 利用微生物生產(chǎn)藥物 疫苗等 18 二 發(fā)酵工程 發(fā)酵已經(jīng)從過去簡(jiǎn)單的生產(chǎn)酒精類飲料 生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的分支 成為一個(gè)包括了微生物學(xué) 化學(xué)工程 基因工程 細(xì)胞工程 機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)科工程 現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料 醋酸和面包 而且生產(chǎn)胰島素 干擾素 生長(zhǎng)激素 抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物 生產(chǎn)天然殺蟲劑 細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料 在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸 香料 生物高分子 酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等 19 Fermentationengineering 上游工程UPSTREAMPROCESSES 下游工程DOWNSTREAMPROCESSES 發(fā)酵工程組成從廣義上講 由三部分組成 上游工程 發(fā)酵工程 下游工程 20 UPSTREAMPROCESSES 菌種 菌種擴(kuò)大培養(yǎng)培養(yǎng)基配制滅菌 接種 上游工程 Fermentationengineering 21 DOWNSTREAMPROCESSES 產(chǎn)品分離提純 廢物處理副產(chǎn)物回收利用 下游工程 發(fā)酵工程 22 發(fā)酵工程技術(shù) 主要指在最適發(fā)酵條件下 發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù) 1 有嚴(yán)格的無菌生長(zhǎng)環(huán)境 包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對(duì)發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù) 在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù) 2 在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)要求控制加料速度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 3 種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù) 23 4 在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前 必須在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn) 得到產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型 并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求 最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模生產(chǎn)的動(dòng)力學(xué)模型 5 由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性 在從實(shí)驗(yàn)室到中試 從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)許多問題 這就是發(fā)酵工程工藝放大問題 24 1 發(fā)酵的定義 1 傳統(tǒng)發(fā)酵 2 生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 3 工業(yè)上的發(fā)酵 25 2 生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 指微生物在無氧條件下 分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式 或者更嚴(yán)格地說 發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng) 如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2 1 傳統(tǒng)發(fā)酵 最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象 或者是指酒的生產(chǎn)過程 26 3 工業(yè)上的發(fā)酵 泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程 包括 1 厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程 如酒精 乳酸等 2 通氣 有氧 培養(yǎng)的生產(chǎn)過程 如抗生素 氨基酸 酶制劑等 產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物 也包括菌體細(xì)胞 酶等 27 適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備精制成產(chǎn)品的方法的設(shè)備 2 獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件 2 發(fā)酵工業(yè) 1 定義 是指利用生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶對(duì)無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行生物加工獲得產(chǎn)品 或通過培養(yǎng)生物獲得次級(jí)代謝產(chǎn)物的工業(yè) 28 3 發(fā)酵工業(yè)的范圍 1 以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物的發(fā)酵工業(yè) 2 以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè) 3 以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè) 4 生物轉(zhuǎn)化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè) 5 微生物廢水處理和其他 29 微生物產(chǎn)物 微生物細(xì)胞 酶 藥物活性物質(zhì) 特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑 1 生產(chǎn)微生物細(xì)胞物質(zhì) 定義 是以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè) 包括單細(xì)胞的酵母和藻類 擔(dān)子菌 生物防治的蘇云金桿菌以及人 畜防治疾病用的疫苗等 特點(diǎn) 細(xì)胞的生長(zhǎng)與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系 生長(zhǎng)速率最大時(shí)期也是產(chǎn)物合成速率最高階段 生長(zhǎng)穩(wěn)定期產(chǎn)量最高 2 微生物酶發(fā)酵 酶的特點(diǎn) 易于工業(yè)化生產(chǎn) 便于改善工藝提高產(chǎn)量 分類 胞內(nèi)酶和胞外酶生物合成特點(diǎn) 需要誘導(dǎo)作用 或遭受阻遏 抑制等調(diào)控作用的影響 在菌種選育 培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意 3 微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵 包括初級(jí)代謝產(chǎn)物 中間代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長(zhǎng)所必需的 稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物 各種次級(jí)代謝產(chǎn)物都是在微生物生長(zhǎng)緩慢或停止生長(zhǎng)時(shí)期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的 來自于中間代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝產(chǎn)物 4 微生物的生物轉(zhuǎn)化 定義 是利用生物細(xì)胞對(duì)一些化合物某一特定部位 基團(tuán) 的作用 使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更在經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化合物 最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對(duì)底物某一特定部位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的 5 微生物特殊機(jī)能的利用 利用微生物消除環(huán)境污染利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡微生物濕法冶金利用基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域 35 發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介發(fā)酵食品有機(jī)酸氨基酸核酸類物質(zhì)酶制劑醫(yī)藥工業(yè) 抗生素 飼料工業(yè) 單細(xì)胞蛋白環(huán)境工程 廢物處理 其它 冶金工業(yè) FermentationIndustryFermentedFoodsOrganicAcidsAminoAcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical Antibiotics Feedstuff eg SCP EnvironmentalApplication WasteTreatment Others eg Metallurgicalindustry 4 發(fā)酵工業(yè)的特征 發(fā)酵過程中離不開微生物的作用1 發(fā)酵原料的選擇及預(yù)處理2 微生物菌種的選育及擴(kuò)大培養(yǎng)3 發(fā)酵設(shè)備選擇及工藝條件控制 常溫 常壓 種子擴(kuò)大培養(yǎng)和發(fā)酵采用不同的工藝 4 發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取5 發(fā)酵廢物的回收和利用 1 發(fā)酵所用的原料通常以淀粉 糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主 只要加入少量的有機(jī)和無機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng) 可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新 2 微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素 通過變異和菌種選育 可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用 也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品 3 發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng) 反應(yīng)安全 要求條件簡(jiǎn)單 4 發(fā)酵對(duì)雜菌的污染的防治至關(guān)重要 反應(yīng)必需在無菌條件下進(jìn)行 5 由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制 能夠?qū)Ｒ坏睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化 還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng) 也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物 6 發(fā)酵過程是通過生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來完成的 反應(yīng)的專一性強(qiáng) 因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物 7 工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比 投資少 見效快 并可以取得較顯著的經(jīng)濟(jì)效益 8 除利用微生物本身外 也可以用人工構(gòu)建的遺傳工程菌進(jìn)行反應(yīng) 5 發(fā)酵方法的類別與流程 1 類別 根據(jù)對(duì)氧的需要區(qū)分 厭氧和有氧發(fā)酵根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀區(qū)分 液體和固體發(fā)酵根據(jù)從微生物生長(zhǎng)特性區(qū)分 分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵 2 發(fā)酵的流程 空氣 空氣凈化處理 保藏菌種 斜面活化 擴(kuò)大培養(yǎng) 種子罐 主發(fā)酵 碳源 氮源 無機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 滅菌 產(chǎn)物分離純化 成品 3 工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程 1 用作培養(yǎng)菌種及擴(kuò)大生產(chǎn)的發(fā)酵罐的培養(yǎng)基的配制 2 培養(yǎng)基 發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的消毒滅菌 3 將已培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量接到發(fā)酵罐中 4 將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長(zhǎng)并形成代謝產(chǎn)物 5 將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制 以得到合格的產(chǎn)品 6 回收或處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水 菌種篩選 搖瓶試驗(yàn) 發(fā)酵罐試驗(yàn) 發(fā)酵原料的預(yù)處理 原料不同處理方法也有所差異 1 淀粉 利用前需變成糊精或葡萄糖方法 酸水解 高壓 耐酸 酶水解法2 糖蜜 加熱殺菌和用水沖稀 也可加酸處理后再補(bǔ)充無機(jī)鹽3 植物纖維原料 酸堿法 蒸汽爆破法 酶法3 碳?xì)浠衔?石油脫蠟 一定餾分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點(diǎn)在 10 的油 加入適量無機(jī)鹽進(jìn)行接種發(fā)酵 菌種斜面培養(yǎng) 菌種 已有的優(yōu)良生產(chǎn)菌種和選育的新菌種方法 一般都是由保存于冷凍管及砂土管或冰箱中的斜面菌種開始 在正式使用前要先轉(zhuǎn)接到新鮮斜面培養(yǎng)基上活化后 再用于種子擴(kuò)大培養(yǎng) 種子擴(kuò)大培養(yǎng) 擴(kuò)大培養(yǎng)的方法可以根據(jù)需要采用固體培養(yǎng)或液體培養(yǎng)兩級(jí)不同方式 固體種子擴(kuò)大培養(yǎng)一般采用傳統(tǒng)的制曲工藝 一般先用克氏瓶進(jìn)行擴(kuò)大 再轉(zhuǎn)接到曲盤擴(kuò)大培養(yǎng) 需氧微生物 將克氏瓶表面培養(yǎng)的菌種接到裝有液體培養(yǎng)基的三角瓶中 在搖床上振蕩培養(yǎng) 厭氧微生物 將有菌種的試管斜面或克氏瓶轉(zhuǎn)接到三角瓶液體培養(yǎng)基中靜置培養(yǎng) 微生物發(fā)酵和控制 發(fā)酵方式可分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種 固體發(fā)酵 適合于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用來生產(chǎn)比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品 液體深層發(fā)酵 適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn) 影響發(fā)酵的因素很多 如溫度 pH 通風(fēng) 攪拌 罐壓力等等 必須適當(dāng)?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件 掌握發(fā)酵的動(dòng)態(tài)