1、 簡明微生物工程微 生 物 工 程包括三個部分：微生物工程原理、微生物工程下游加工工程、微生物工程生產設備。第一章 微生物工程概論 1.第二代微生物發酵技術深層培養技術deep culture 又稱沉沒培養法。有時也稱液體培養法。在深層的液體培養中進行的一種發酵培養方法。操作時將無菌空氣通入容器中，不斷攪拌，使微生物充分與氧氣接觸而迅速繁殖。占地面積小，勞動力省，產量高，適合于機械化和自動化生產。適用于需氧性微生物。 2.半合成抗生素：某些天然抗生素在去側鏈后，可用化學合成法接上新的側鏈而改變原有抗菌譜或其它特性，這樣的抗生素就被稱為半合成抗生素。 3.微生物工程的應用（在哪些領域的有應用并舉

2、例）1） 微生物工程在食品工業中的應用： 含醇飲料：葡萄酒、果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、香檳酒、朗姆酒等。 傳統調味品及發酵食品：醬、醬油、醋、豆鼓、豆腐乳、飴糖等 發酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等；用近代發酵或酶反應技術生產的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等。 食品添加劑：面包酵母、味精、賴氨酸、檸檬酸、紅曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鳥苷酸、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖、葡萄糖氧化酶和異維生素C、乳鏈菌肽（食用防腐劉)、匹馬霉素(食品保護劑)。 新型發酵飲料：活性乳酸飲料2）微生物工程在醫藥衛生中的應用 （1）抗生素：6000多種，絕大多數是微生物產生

3、的。抗細菌抗生素：青霉素、金霉素、紅霉素等等。抗真菌抗生素：制霉菌素、兩性霉素、灰黃霉素等等。抗原蟲抗生素：煙古霉素、古曲霉素等。抗腫瘤抗生素：放線菌素、絲裂霉素、內瘤霉素 （2）氨基酸：氨基酸在醫藥中主要用于生產氨基酸大輸液。可經發酵獲得的氨基酸有谷氨酸、賴氨酸等。可用酶法獲得的氨基酸有天門冬氨酸、丙氨酸等。（3）維生素：目前可用生物技術生產的維生素或其中間產物有維生素B2、維生素B12、維生素c的前體、類胡蘿卜素、維生素D2的前體等。（4）甾體激素：可的松、氫化可的松、潑尼松、強的松龍、膚氫松、地塞米松、確安舒松等甾體激素化學合成過程中，有若干步是用微生物的生物轉化來完成的。 （5）生物制

4、品：生物制品是指含抗原的制品，被用于預防、診斷或治療傳染病。由減毒或死的病毒或立克次氏體制造的疫苗，如牛痘和斑疹傷寒疫苗；（6）治療用酶： 如蛋白酶和核酸酶可用于加速去除壞死組織、膿汁、分泌液、血腫；胃蛋白酶、脂肪酶、蛋白酶可幫助消化等等。（7）酶抑制劑淀粉酶抑制劑可治糖尿病；抑肽素(蛋白質抑制劑)可用于治療胃潰瘍；多巴丁有降血壓作用。3.微生物工程在輕工業中的應用主要是用于輕工業及其食品工業中的酶：糖酶：蛋白酶：加入洗滌劑等果膠酶：果汁或果酒的澄清等脂肪酶：降解脂肪為甘油和有機酸凝乳酶：奶酪過氧化氫酶：將雙氧水分解4.微生物工程在化工能源產品中的應用利用發酵、生物轉化或酶法生產下列產品：烷烴

5、：甲烷醇及溶劑： 乙醇、甘油(丙三解)等有機酸：醋酸、丙酸等多糖：右旋糖酐、黃原膠等。清潔能源：氫氣等。5.微生物工程在農業中的應用（1）生物農藥：微生物殺蟲劑、防治病害如殺稻瘟菌素等。（2）生物除草劑：利用微生物產生的環己酰胺、谷氨酰胺合成酶等除草；（3）生物增產劑：赤霉素是一種能促種子萌芽、植株助長的植物生產素。還有固氮菌、鉀細菌、磷細菌、抗生菌制劑作為輔助肥料及抗菌增產劑。（4）食用菌和藥用真菌：主要品種有蘑菇、草菇、香菇、猴頭菌、靈芝銀耳、木耳、冬蟲夏草等。6.微生物工程在環境保護中的應用自然界本身就存在著碳和氮的循環，而微生物在對生物物質的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。厭氣發酵法

6、：如沼氣發酵；好氣發酵法：如活性污泥對工業和生活污水處理；7.微生物工程在細菌冶金中的應用利用化能自養細菌如鐵細菌、硫化細菌等把鐵氧化為高鐵，將合硫金屬礦石(一般采用貧礦)中的金屬離子形成硫酸鹽而釋放出來。此法浸取的金屬有銅、鈷、鋅、鉛、鈾等8.微生物工程在高技術研究中的應用如基因工程中用的限制性內切酶、連結酶、DNA探針等；醫學診斷或工業過程檢測用的生物傳感器(酶或微生物電極) 、生物芯片(blochip）等。第二章 生產菌種的來源微生物工程的工業生產三個要素：生產菌種的性能、發酵及提純工藝條件、生產設備，其中優良的菌種是最重要的。1.富集培養：又稱增殖培養，就是利用不同微生物生長對環境和培

7、養基的特殊要求，設計選擇性培養基，創造有利的生長條件，使目的微生物在最適環境中大量繁殖，由原來自然條件下的劣勢種變為人工環境下的優勢種，以利于分離。2.一般菌種分離純化和篩選步驟如下： 標本采集 標本材料的預處理富集培養 菌種初篩菌種復篩性能鑒定 菌種保藏。3.菌種的分離1） 施加選擇性壓力分離法2） 隨機分離方法：（1. 抗生素產生菌的分離、2. 抗腫瘤藥物產生菌的分離、3. 酶抑制劑產生菌的分離、4. 生長因子產生菌的分離、5. 多糖產生菌的分離）第三章 優良菌種選育 自然選育：在生產程中，不經人工處理，利用微生物的自然突變而進行菌種篩的過程。 雜交育種：是指將兩個基因型不同的菌株經吻合或

8、接合，使遺傳物質重新組合，從中分離和篩選出具有新性狀的菌株。 準性生殖：所謂準性生殖是指真菌中不通過有性生殖的基因重組過程。準性生殖的整個過程包括三個相互聯系的階段，即異核體的形成，二倍體的形成，體細胞重組。 1.誘變選育誘變育種能有效提高菌種生產能力誘變育種的原理：誘變育種的理論基礎是基因突變，突變主要包括染色體畸變和點突變二大類。（知道提高質粒穩定性的方法有哪些）第4章 菌種保藏的原理和方法 要創造適于微生物休眠的環境，主要是通過降低培養基營養成分（寡營養）、低溫、干燥和缺氧四個階段。 1.斜面低溫保藏法：將菌種接種在不同成分的斜面培養基上，待菌種充分生長后，便可放在4左右的冰箱內保藏。細

9、菌、酵母菌、放線菌和霉菌都可使用這.保藏方法。保存期為3-6個月。原理：低溫下，微生物代謝. 2.砂土管保藏法：適合于產孢子或芽胞的微生物。一般保存期為2年左右，有的可達十幾十年。原理：干燥，寡營養。 3.真空冷凍干燥保藏法：加有保護劑的菌懸液在凍結狀態下予以真空干燥。適用于各種微生物，便于大量保藏，菌種存活時間長，是目前最好的保藏方法。原理：干燥，低溫。 4.液氮保藏法：將菌種置于保護劑中，預凍后保存在液氮超低溫冰箱中（ -196）。適用于各種微生物的較理想的保藏方法。對一些不產孢子的菌絲體用其它保藏方法不理想，可用液氮保藏法。其保存期最長。原理：低溫 5.懸液保藏法（寡營養保藏）：將微生物

10、懸浮在不含養分的溶液中，如水、緩沖液、生理鹽水，室溫保藏，一般為一年。適用于絲狀狀真菌、酵母及腸道細菌。原理：寡營養 6.低溫保藏法：-20, -40, -80低溫冰箱保藏。 7.石蠟油封存法：向培養成熟的菌種斜面上，倒入一層滅過菌的石蠟油，用量要高出斜面一厘米，然后保存在冰箱中此法可適用于不能利用石蠟油作碳源的細菌、霉菌酵母等微生物的保存。保存期約一年左右。原理：低溫、缺氧 第5章 微生物的代謝調節和代謝工程 1.酶促調節的方式包括酶活性的調節和酶合成調節兩大類。 酶活性調節包括：酶的激活作用和酶的抑制作用。酶活性調節的機制：有變構調節理論、化學修飾作用、締合與解離、競爭性抑制等。酶合成調節

11、的類型：包括誘導和阻遏兩種類型。阻遏：是在某種物質作用下導致某種酶合成停止或合成速率降低的現象。誘導：是指在某種化合物作用下，導致某種酶合成或合成速率提高的現象。酶合成的誘導作用 在微生物里，酶可以分成誘導酶與組成酶兩大類。組成酶：是機體內一類不依賴于酶的底物或底物結構類似物的存在而合成的酶,如：EMP途徑的一些酶。誘導酶(又稱適應酶)：是一類依賴于底物或底物結構類似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。2.酶量的調節與酶活調節的區別： 區別：酶活性調節:是對現有的酶在活性變化上進行調節，它不會涉及酶量的變化；酶量的調節:不涉及現有酶活性的變化，只是通過影響酶合成或酶合成速率以控制酶量變化，達到控制

12、代謝過程的目的。從調節作用的特點上看:酶活性調節的效果既及時又迅速，但由于酶量調節涉及到酶蛋白合成，它調節的效果相應地來得慢。葡萄糖效應：分解代謝產物阻遏是在研究混合碳源對微生物生長的影響時發現的。發現葡萄糖能夠抑制其他糖的利用，只有在葡萄糖利用完以后，才開始利用其它的糖。在利用其它糖時，有一生長停滯期，是利用第二種糖的酶合成時期。這種酶誘導的阻遏現象最初以為只限于葡萄糖，因而被稱為葡萄糖效應。組成突變株：通過誘變處理，使調節基因發生突變，不產生有活性的阻遏蛋白，或者操縱基因發生突變不再能與阻遏物相結合，都可達到此目的。 這樣的突變株稱為組成型突變株。3.人工控制代謝的手段（代謝調控）：控制發

13、酵條件（生物化學方法）；改變微生物遺傳特性(遺傳學方法）；改變細胞膜透性； 4.前體：是指加入到發酵培養基中的某些化合物，能被微生物直接結合到產物分子中去，而自身的結構無多大變化，且具促進產物合成的作用。 誘導物：許多與蛋白質、糖類或其他物質降解有關的酶類都是誘導酶，在發酵過程中加入相應的底物作為誘導物。 前體與誘導物的區別：1. 有時難于區分促進作用是誘導物的作用還是前體的作用。2.一般，可把那些能在生長期內、生產期前促進產物合成的化合物看做誘導物，而前體往往只在生產期內起作用。3.另外，誘導物可以被非前體的結構類似物取代。 5.初級代謝與次級代謝的概念及代謝產物： 初級代謝：是為生物提供能

14、量、合成中間體及其關鍵大分子的各種相互關聯的代謝網絡（包括分解與合成） ，對菌的生長是必需的。初級代謝產物有單糖、核苷酸、脂肪酸、蛋白質、核酸、多糖、脂類等等。次級代謝：次級代謝主要涉及合成過程，其終產物、次級代謝物對菌的生長不是必需的，對其生命活動可能具有某種意義，通常是在生長后期開始形成的。次級代謝產物主要有抗生素，青霉素、鏈霉素、生物堿、維生素、色素、毒素、生長刺激素等。第6章 培養基1. 按其他特殊用途劃分 ：1.孢子培養基 、2.種子培養基 、3.發酵培養基2. 孢子培養基：是供菌種繁殖孢子的一種常用固體培養基，對這種培養基的要求是：能使菌體迅速生長，產生較多優質的孢子，并要求這培養

15、基不易引起菌種發生變質。 種子培養基：種子培養基是供孢子發芽、生長和大量繁殖菌絲體，并使菌體長得粗壯，成為活力強的“種子”。 發酵培養基：酵培養基是供菌種生長、繁殖和合成產物之用。它即要使種子接種后能迅速生長，達到一定的菌絲濃度，又要使長好菌體能迅速合成所需產物。3. 培養基設計的步驟： 根據前人的經驗和培養基成分確定時一些必須考慮的問題，初步確定可能的培養基成分； 通過單因子實驗最終確定出最為適宜的培養基成分 當培養基成分確定后，剩下的問題就是各成分最適濃度，由于培養基成分很多，為減少實驗次數常采用一些合理的實驗設計方法如正交實驗設計、響面分析法。4. 培養基成分：碳源、氮源、無機鹽、微量元

16、素、特殊生長因子、促進劑、前體和水等幾大類。5. 補料的作用：1）豐富培養基，避免了菌體過早衰老，使產物早衰老，使產物合成的旺盛期延長2）控制了pH值和代謝方向； 3）改善了通氣效果，避免了菌體生長可能受到的抑制；4）補料還能補足發酵酵液的體積補料的物質：碳、氮、水及其他。 第七章 種子擴大培養斜第8章 發酵工藝控制表現在哪五個方面，影響這五個條件的因素有哪些，又如何去控制？ 影響供氧因素：（主要為前兩個因素）攪拌、空氣流量、發酵液性質、微生物生長、消泡劑、離子強度泡沫對發酵的危害：1) 降低了發酵罐的裝料系數。 2)增加了菌群的非均一性 3)增加了污染雜菌的機會 4)導致產物的損失 5)消沫

17、劑的加入將給提取工序帶來困難。泡沫的產生與通氣、攪拌的劇烈程度有關。泡沫的消除與防止：泡沫控制的方法可歸納為機械消沫和消沫劑消沫兩大類。也有從微生物本身的特性著手，防止泡沫的形成，如選育或混養。 第八章 微生物反應動力學 反應動力學：研究反應速度變化規律的學科。即研究各種環境因素與微生物代謝活動之間相互作用隨時間而而變化的規律。 發酵動力學：研究各種發酵過程變量在活細胞的作用下變化的規律，以及各種發酵條件對這些變量變化速度的影響。并以數學、工程學的原理，定量描述。 發酵過程按進行過程有三種方式：分批發酵（與生長相關型、與生長部分相關型、與生長不相關型)、補料分批發酵、連續發酵 稀釋率D：流量與

18、培養液體積之比，其含義是是指單位時間內加入的培養基體積占發酵罐內培養基體積的分率。dX/dt ( -D ) X 單級連續培養中進入穩定狀態后，細胞的與D相等。 對數生長期：在這一階段中，由于培養基營養物質豐富，有毒代謝物少，細胞生長不受限制，因此細胞濃度隨培養時間呈指數增長，細胞濃度的變化率與細胞濃度成正比：dX/dt ( -D ) X 比生長速率與微生物種類、培養溫度、pH、培養基成分及限制性基質濃度等因素有關。 連續發酵：培養基料液連續輸入發酵罐，并同時放出含有產品的相同體積發酵液，使發酵罐內料液量維持恒定，微生物在近似恒定狀態（恒定的基質濃度、恒定的產物濃度、恒定的pH、恒定菌體濃度、恒

19、定的比生長速率）下生長的發酵方式。 補料分批發酵：補料分批發酵又稱半連續發酵或流加分批發酵，是指在分批發酵過程中，間歇或連續地補加新鮮培養基的發酵方式。 分批發酵：分批培養指的是一次投料，一次接種，一次收獲的間歇培養方式。在這一過程中，除了氧氣、消泡劑及控制pH的酸或堿外，不再加入任何其它物質。發酵過程中培養基成分減少，微生物得到繁殖 微生物下游加工工程概論 1.微生物工程下游加工工程的特點：.培養液中所含欲提取的生物物質濃度很低，雜質含量卻很高。.下游加工過程的代價昂貴，回收率不高；.欲提取的生物物質通常很不穩定。遇熱、極端pH、有機溶劑會引起失活或分解。發酵或培養都是分批操作、生物變異性大

20、，各批發酵液不盡相同，這就要求下游加工有一定的彈性，特別是對染菌的批號，也要能處理。 2.般說來下游加工過程可分為4個階段：1)培養液(發酵液)的預處理和固液分離；2)初步純化(提取)；3)高度純化(精制)；4)成品加工。 第12章 發酵液的預處理和過慮1. 發酵液處理的目的：1）改變發酵液的物理性質，加快懸浮液中固形物沉降的速度；2）盡可能使產物轉入便于以后處理的相中（多數是液相）；3）能夠除去部分雜質。2.高價無機離子的去除方法：Ca2：草酸 Mg2：Na5P3O10三聚磷酸鈉 Fe3：黃血鹽3. 可溶性雜蛋白的去除方法：等電點、變性、利用吸附作用除去蛋白質4. 凝聚：是在中性鹽作用下，由

21、于雙電層排斥電位的降低，而使膠體體系不穩定的現象。這種方法形成的顆粒較小，不能有效分離。 絮凝：是指在某些高分子絮凝劑存在下，基于架橋作用，使膠粒形成粗大的絮凝團的過程，是一種以物理的集合為主的過程。5. 改善過濾性能的方法：等電點、變性、吸附、凝聚和絮凝、加入助濾劑、直接在發酵液中形成填充-凝固劑、酶解作用6. 細胞破碎的阻力與方法：1） 細胞破碎的主要阻力來自于細胞壁。破碎細菌的主要阻力是來自于肽聚糖的網狀結構，其網狀結構的致密程度和強度取決于聚糖鏈上所存在的肽鍵的數量和其交聯的程度。2） 機械方法：球磨機、高壓勻漿器（常用機器）、X-press法、超聲波破碎 非機械方法：酶解、滲透壓沖擊

22、、凍結和融化、干燥法、化學法破碎方法的選擇：選擇合適的破碎方法需要考慮下列因素：1）細胞的數量； 2）所需要的產物對破碎條件(溫度、化學試劑、酶等)的敏感性；3）要達到的破碎程度及破碎所必要的速度，盡可能采用最溫和的方法； 4）具有大規模應用潛力的生化產品應選擇適合于放大的破碎技術。第19章 培養基滅菌及其滅菌 1.濕熱滅菌 即利用飽和蒸汽進行滅菌。優點：1）蒸汽來源容易，操作費用低，本身無 毒；2）蒸汽有強的穿透力，滅菌易于徹底；3）蒸汽有很大的潛熱；4）操作方便，易管理。2. 培養基滅菌溫度的選擇：達到要求的無菌程度 (取N=10-3)。（必須選擇既能達到滅菌目的，又能使培養基的破壞降至最低的工藝條件。一般情況下，培養基滅菌采用高溫短時間的方法，以減少營養成分的破壞。）3.培養基的分批滅菌：將配制好的培養基放在發酵罐或其他裝置中，通入蒸汽將培養基和所用設備一起進