发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
1.1 发酵工程的内容及与其它相关学
科的关系
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
基因工程药物、疫苗及抗体产品
化学工程生物化工生物加工行业
传统生物技术
现代生物技术基因工程菌发酵
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、生物肥料等
发酵工程
基因工程酶工程
细胞工程发酵工程
产物产品
产品
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程
发酵工程
1.2 发酵工程的发展史
发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程
发酵工程
大规模基因测序
高通量蛋白生产发酵工程
发酵工程
1.3 发酵工程在国民经济中的应用
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
循环经济
Figure1.Idealized biorefinery concept.
(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN,USA.)发酵工程发酵工程
1.4 发酵工程展望及应用前景
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程发酵工程
发酵工程产酸率
转化率提取收率国内(平均)
国内8.4654.1489.2国外
12％以上
55-60％
90-95％
味精生产水平的比较
发酵工程
发酵工程发酵水平μ／m1国内水平国际水平中温淀粉酶
中温淀粉酶400-5001000以上2709碱性蛋白酶
15000-2000030000以上糖化酶
30000-40000
50000以上
发酵工程
技术装备和检测手段落后，自动化水平低 综合利用和环境治理差
发酵工程发酵工程
发酵工程
发酵工程
武汉科技大学·生物工程
发酵工程
微生物的特性及工业微生物的要求自然界中有目的微生物分离的原则发酵工程
微生物的特性及工业微生物的要求
微生物的特性及工业微生物的要求发酵工程
能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成产物
有关合成产物的途径尽可能地简单，或者说菌种改造的可操作性要强产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病菌无关）微生物的特性及工业微生物的要求发酵工程
抗生素是次级代谢产物，需要生物体进行复杂的代谢，发酵工程
用人工诱变的方法，有意识地改变微生50, 60年代以氨基酸发酵为代表的代谢控制发酵，是
武汉科技大学
发酵工程
HD:黄色短杆菌中赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸的合成
调节机制
HT:高丝氨酸转乙酰酶
AK:天冬氨酸激酶 已工业化产品生产菌的介绍
发酵工程
代谢途径比较清楚，
代谢途径比较简单
棒杆菌属，短杆菌属、节杆菌属或小
武汉科技大学
发酵工程
三、食品酶制剂生产有关的微生物
开发一个新酶，都要经过一系列研究的毒理试验。关于食品用酶，美国需要得到FDA的批准。目前已同意使用的仅仅少数微生物能用于生产食品用酶。
α—淀粉酶：黑曲霉、米曲霉、米根酶、枯草牙孢杆菌
和地衣牙孢杆菌
菌种的来源
已工业化产品生产菌的介绍发酵工程
、枯草牙胞杆菌
发酵工程
酵母(既是微生物又是真核细胞)
发酵工程
中国仓鼠卵巢细胞（CHO细胞）表达系统
具有产物胞外分越功能，便于下游产物分离纯化；
发酵工程
生产抗生素的微生物能不能用于生产氨基酸？
发酵工程
→菌落的选择
武汉科技大学
生物工程教研室
发酵工程
市场调研文献调研
开发设计
富集培养
采集样品
原种斜面
纯种分离筛选(初筛、复筛)
通过筛选的菌种斜面性能鉴定
育种出发菌
菌种保藏机构提供的纯种斜面
菌种保藏发酵工程
对于天然材料，如土壤的选择，来源越是广泛的样品可寻找已实适应相当苛刻的环境压力的微生物类群。
在酸性土壤圈的放线菌类群与其紧接下层的中性圈的有很大的不同。因此，有可能利用同一生态环境内的不同环境条件分离出更多种类的菌株。发酵工程
自然界中有目的微生物分离的原则发酵工程
定向培养:采用特定的有利于目的微生物富集的
让目的微生物在种群中占优势，使筛选变
自然界中有目的微生物分离的原则
发酵工程
自然界中有目的微生物分离的原则
武汉科技大学
生物工程教研室
发酵工程
4、培养温度
等一切能提高目的微生物相对生长速度的手段，培养（固体、液体；分批连续）后使目的微生物在种群中占优势。
自然界中有目的微生物分离的原则发酵工程
自然界中有目的微生物分离的原则发酵工程
菌的营养特征，可利用廉价的原料；
菌的生长温度应选择温度高于40℃的菌种，这可大大降低大规模发酵的冷却成本；
菌对所采用的设备和生产过程的适应性；筛选菌株时需考虑的一些指标
发酵工程
实例：碱性纤维素酶产生菌的筛选（国家七五攻关项目）产生菌为中性牙孢杆菌，嗜碱牙孢杆菌、放线菌及霉菌自然界中有目的微生物分离的原则
发酵工程
--Journal of biotechnology 94(2002), 65-72
培养基中含0.05% of Z-PAOx
降低后，稀释分离条菌落
自然界中有目的微生物分离的原则
发酵工程
分子生物学的实验手段，在微生物鉴别及特定目标产物
目前土壤中能够培养的微生物不到总数的1%。微生物的
仍然是今后若干年的研究重点。
陈文新（科学院院士）
～81
自然界中有目的微生物分离的原则发酵工程
发酵工程
自然选育、诱变育种
发酵工程
自然状态下，碱基对发生自然突变的机率为10-8～10-9一种是我们生产上所不希望看到的，表现为菌株的衰发酵工程
高产菌株是正突变高，还是负突变高？
发酵工程
一般习惯上将自然选育称为菌种的分离纯化。
发酵工程
用各种物理、化学的因素人工诱发基因突变进行的筛选，发酵工程
（二）、诱变剂处理过程中几个有关的问题
发酵工程
从产物形成的生理生化途径着手，进发酵工程
营养缺陷型：是指丧失了合成一种或多种必需生长因子能力的菌株，它们只能在补充了相应的生长因子的培养基上才能正常生Complete Medium) ：含有满足所有营养缺陷型和野生型菌株生长所需营养物质的培养基，其中的生长因子多是通过添加蛋白胨或酵母高等天然物质而提供。
, Minimal Medium)：不含生长因子的培养基，在发酵工程发酵工程
在CM中进行，消除突变细胞的表型延迟（生理性降低野生型细胞的数量和比例，使营养缺陷
发酵工程
武汉科技大学
发酵工程
HD:高丝氨酸脱氢酶黄色短杆菌中赖氨酸的合成调节机制
HT:高丝氨酸转乙酰酶
AK:天冬氨酸激酶结构类似物抗性：Lys 的类似物AEC,Thr 营养缺陷型：如Thr 缺陷型
发酵工程
武汉科技大学发酵工程
三、基因的直接进化(directed evolution)
突变
基因突变库的建立
筛选
基因突变库的筛选
基因复制与遗传
步骤：在分子水平上，对目标基因直接处理，然后通过高通量的筛选方法，提高目标蛋白的性能。
菌种的来源
菌株选育、分子改造
发酵工程
生理环境→工业催化环境
发酵工程
脂酶拆分2-甲基癸酸硝基苯酯
例：
PLA
PLA光学拆分选择性(%)
菌种的来源
武汉科技大学
生物工程教研室
发酵工程
菌种的来源
菌株选育、分子改造
定点突变
武汉科技大学
生物工程教研室
发酵工程
错位PCR
武汉科技大学
生物工程教研室
发酵工程
指DNA分子的体外重排，是基因在分子水平上进行有性重组(Sexual Recombination)。
发酵工程
XX XXX X X X X X XX X
fragments recombinants
发酵工程
菌种的来源
菌株选育、分子改造
突变效率
影响对象
DNA Shuffling与常规定向进化的比较
发酵工程
生物制药
工业酶17抗生素，000生物制药10，000生物制药400潜在应用领域
活性增加倍数
技术的研究成果
发酵工程菌种是从事微生物学以及生命科学研究的基本材料，特别是利用微生
物进行有关生产如抗生素、氨基酸、酿造等工业，更离不开菌种。所以菌种保藏是进行微生物学研究和微生物育种工作的重要组成部
菌种保藏主要是根据菌种的生理生化特点人工创造条件使孢子或菌体
发酵工程
不死、不衰、不变异、不被污染，便于研究交换使用，保持良好的创造最有利于休眠的环境条件，创造使微生物代谢不活泼，生长受
抑制（休眠）的环境条件，如：干燥，低温，缺氧，缺乏营养，添发酵工程砂土管保藏法：细菌，霉菌，防线菌发酵工程
→4℃保藏穿刺接种适宜半固体（0.5--0.7%琼脂）→培养→4℃保藏发酵工程→加无菌液蜡发酵工程
加入无菌砂土管中→干燥→封