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1、工业微生物工业微生物第十章第十章 微生物在化工能源方面的应用微生物在化工能源方面的应用 第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 一、柠檬酸的生产一、柠檬酸的生产 柠檬酸(Citricacid)分子式为C6H807，又名枸橼酸，外观为白色颗粒或白色结晶粉末，无臭，具有令人愉快的强烈的酸味，相对密度为1.6550。柠檬酸易溶于水和酒精，不溶于醚、酯、氯仿等有机溶剂。柠檬酸是生物体主要代谢产物之一。早期的柠檬酸生产是以柠檬、柑桔等天然果实为原料加工而成的。1784年，瑞典化学家Scheel最早从柠檬汁中提取出柠檬酸。Wehmer于1891年和1897年先后发现橘青霉和淡黄青霉及梨形毛
2、霉有柠檬酸生产能力。1913年，Zahorski利用黑曲霉生产柠檬酸。1917年，Currie通过深入研究，奠定了黑曲霉发酵法生产柠檬酸的科学基础，此后在很多国家用该菌表面培养法大规模生产柠檬酸。1952年，美国Miles公司首先用深层发酵法大规模生产柠檬酸。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 （一）柠檬酸产生菌 柠檬酸发酵是好气性发酵。通过采用不同碳源和不同发酵方式(固态或液态)，来选育柠檬酸产生菌。很多微生物都能产生柠檬酸，如黑曲霉、温氏曲霉、淡黄青霉、鲁氏橘霉等。酵母菌和细菌发酵生产柠檬酸的研究始于60年代。工业上有价值的是酵母菌的正烷烃发酵，用于正烷烃(C920)发
3、酵生产柠檬酸的优良菌种是解脂假丝酵母、热带假丝酵母等各种假丝酵母。目前生产上常用产酸能力强的黑曲霉作为生产菌。在固体培养基上，菌落由白色逐渐变至棕色。孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状，边缘不整齐。菌丝有隔膜和分枝，是多细胞的菌丝体，无色或有色，有足细胞，顶囊生成一层或两层小梗，小梗顶端产生一串串分生孢子。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸（二）柠檬酸发酵机理 关于柠檬酸发酵的机制虽有多种理论，但目前大多数学者认为它与三羧酸循环有密切的关系。糖经糖酵解途径(EMP途径)，形成丙酮酸，丙酮酸羧化形成C4化合物，丙酮酸脱羧形成C2化合物，两者缩合形成柠檬酸。（三）柠檬酸发酵工艺 工业
4、上发酵生产柠檬酸的方法有三种：表面发酵、固态发酵和液态深层发酵。前两种方法是利用气相中的氧，后者利用溶解氧。目前用的最多的方法是液态深层发酵。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 液态深层发酵工艺自美国Miles公司首先在工业上使用以来，就在柠檬酸工业中占主导地位。优点是发酵体系为均一的液体，传热传质良好；设备占地小，规模大；发酵速度快，时间短；产酸高，原料消耗低等。国内液体发酵罐一般为5080m3，可发酵蔗糖、淀粉水解糖、糖蜜、薯干粉及精淀粉，工艺流程见图10-1。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸
5、二、苹果酸的生产 L-苹果酸广泛存在于生物体中，是生物体三羧酸循环的成员。许多微生物都能产生苹果酸，但能在培养液中积累苹果酸并适合于工业生产的，目前仅限于少数几种，大致有：用于一步发酵法的黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉；用于两步发酵法的华根霉、无根根霉、短乳杆菌；用于酶转化法的短乳杆菌、大肠杆菌、产氨短杆菌、黄色短杆菌。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 （一）一步发酵法 以糖类为发酵原料，用霉菌直接发酵生产L-苹果酸的方法称为一步发酵法。1菌种 一步发酵法采用黄曲霉A-114生产苹果酸。2.种子培养基组成(%)C6H12O63，豆 饼 粉 1，FeSO4 0.05，K2HPO4
6、0.02，NaCl0.001，MgSO40.01，CaCO3 6(单独灭菌)。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 3.种子培养 将保存在麦芽汁琼脂斜面上的黄曲霉孢子用无菌水洗下并移接到装有100mL种子培养基的500mL三角瓶中，在33下静置培养24d，待长出大量孢子后，将其转入到种子罐扩大培养，接种量为5%。种子罐的培养基与三角瓶培养基的组成相同，只是另外添加0.4%(体积分数)泡敌。种子罐的装液量为70%，罐压0.1MPa，培养温度3334，通风量0.150.3m3/m3min，培养时间1820h。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 4.发酵培养基组
7、成 C6H12O67%8%，其余成分的组成及用量与种子罐培养基相同。5.发酵 发酵罐的装液量为70%，接种量10%，罐压0.1MPa，培养温度3334，通风量0.7m3/（m3.min），搅拌转速180r/min，发酵时间40h左右。发酵过程中由自动系统控制滴加泡敌，防止泡沫产生过多。当残糖在1%以下时，终止发酵，产苹果酸7%。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 （二）两步发酵法 两步发酵法是以糖类为原料，先由根霉菌发酵生成富马酸(延胡索酸)和苹果酸的混合物，然后接入酵母或细菌，将混合物中的富马酸转化为苹果酸。前一步称富马酸发酵，后一步称转换发酵。当华根霉6508发酵45天
8、后，培养基中再接入10%膜睽毕赤酵母3130培养5天，苹果酸对糖的产率可达62.5%。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 （三）酶转化法 酶转化法是国外用来生产L-苹果酸的主要方法。酶转化法是以富马酸盐为原料，利用微生物的富马酸酶转化成苹果酸(盐)。酶转化法可分为游离细胞酶法、固定化细胞酶法。1游离细胞酶转化法 酶转化方法在pH7.5含18%富马酸的溶液中接入2%湿菌体，于35、150r/min条件下转化2436h。转化率达90%以上。2固定化细胞酶转化法 目前，研究得最多的是以产氨短杆菌或黄色短杆菌为菌种，将化学法合成的富马酸钠作为底物，进行固定化细胞生产苹果酸。使用固定
9、化细胞易于生成与苹果酸难以分离的琥珀酸。因此，细胞被固定以后必须经化学试剂处理，以防止这种副反应的发生。采用固定化技术必须注意以下几个问题：a.细胞被固定前富马酸酶活力要高。当富马酸酶活力较高时，即使固定化细胞的酶活力有所下降，仍可以保证有较高的转化力；b.使用的固定化方法对酶的损害应较小，细胞被固定后能保持较高的酶活力；c.细胞被固定后不应引起副反应的发生；d.固定化细胞应有高度的操作稳定性。第一节第一节 微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 直接发酵法是采用廉价的氮和碳源基质，利用已解除了反馈调节的各种突变菌株
10、，或控制野生菌株的胞膜渗透性，通过直接发酵生产氨基酸。加前体法是为了绕过或回避终产物对合成途径中某一关键酶的反馈调节作用，在微生物的培养中加入前体(即氨基酸生物合成代谢的中间体)发酵生产氨基酸。酶转化法是采用微生物的酶(提取出或不提取出)催化某种底物，省去了发酵过程中的一些酶合成的阻遏和终产物的反馈抑制作用，即将底物直接酶促反应生产氨基酸。特别是固定化酶和固定化细胞技术的采用，大大促进了酶转化法在生产氨基酸方面的应用。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 这三种生产方法都是利用微生物的代谢调控原理，使所需要生产的氨基酸大量积累，它们不总是截然分开的，有的氨基酸同一生产中采用二种甚至三种方法，
11、也有分别采用二种或三种方法生产的。三种方法都要大规模培养微生物，几乎全部是采用好氧深层液体发酵工艺。发酵罐的容量有的达1000m3，温度一般为2830，pH68，溶解氧、营养浓度、表面活性剂或前体的加入等，都要严格控制达最适条件，才可得到优质高产的氨基酸产品。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 一、谷氨酸的生产一、谷氨酸的生产 （一）谷氨酸生产菌 谷氨酸生产菌主要有谷氨酸棒杆菌、乳糖发酵短杆菌、黄色短杆菌。我国使用的生产菌株是北京棒杆菌AS1.299、北京棒杆菌D110、钝齿棒杆菌AS1.542、棒杆菌S-914和黄色短杆菌T613等。在已报道的谷氨酸产生菌中，除芽孢杆菌外，虽然它们在分类
12、学上属于不同的属种，但都有一些共同的特点，如菌体为球形、短杆至棒状、无鞭毛、不运动、不形成芽孢、呈革兰氏阳性、需要生物素、在通气条件下培养产生谷氨酸。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 （二）生产原料 发酵生产谷氨酸的原料有淀粉质原料：玉米、小麦、甘薯、大米等。其中甘薯和淀粉最为常用。糖蜜原料：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。氮源料：尿素或氨水。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 （三）工艺流程 味精生产过程可分为五个部分：淀粉水解糖的制取；谷氨酸生产菌种子的扩大培养；谷氨酸发酵；谷氨酸的提取与分离；由谷氨酸制成味精。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 （四）发酵生产工艺 1.培养基 （1）斜
13、面培养基 葡萄糖0.1%牛肉膏1.0%蛋白胨1.0%氯化钠0.5%琼脂2.0%pH7.07.2 121灭菌30min(传代和保藏斜面不加葡萄糖)第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 （2）一级种子、二级种子及发酵培养基 一级种子:葡萄糖2.5%尿素0.6%KH2PO40.1%MgSO47H2O0.04%玉米浆2.33.0mLpH7.0 第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 二级种子:水解糖3.0%尿素0.6%玉米浆0.50.6mL K2HPO40.10.2%MgSO4.7H2O0.04%pH7.0 第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 发酵培养基:水解糖1214%尿素0.50.8%MgS
14、O4.7H2O0.06%KCl0.05%玉米浆0.6mL Na2HPO40.17%pH7.0 第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 2发酵条件的控制 （1）温度 谷氨酸发酵前期(012h)是菌体大量繁殖阶段，在此阶段菌体利用培养基中的营养物质来合成核酸、蛋白质等，供菌体繁殖用，而控制这些合成反应的最适温度均在3032。在发酵中、后期，是谷氨酸大量积累的阶段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度在3236，故发酵中、后期适当提高罐温对积累谷氨酸有利。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 （2）pH 发酵液的pH影响微生物的生长和代谢途径。发酵前期如果pH偏低，则菌体生长旺盛，长菌而不产酸
15、；如果pH偏高，则菌体生长缓慢，发酵时间拉长。在发酵前期将pH值控制在7.58.0左右较为合适，而在发酵中、后期将pH值控制在7.07.6左右对提高谷氨酸产量有利。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 （3）通风 在谷氨酸发酵过程中，发酵前期以低通风量为宜；发酵中、后期以高通风量为宜。实际生产上，以气体转子流量计来检查通气量，即以每分钟单位体积的通气量表示通风强度。另外发酵罐大小不同，所需搅拌转速与通风量也不同。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 （4）泡沫的控制 在发酵过程中由于强烈的通风和菌体代谢产生的CO2，使培养液产生大量的泡沫，不仅使氧在发酵液中的扩散受阻，影响菌体的呼吸和代谢
16、。给发酵带来危害，必须加以消泡。消泡的方法有机械消泡(耙式、离心式、刮板式、蝶式消泡器)和化学消泡(天然油脂、聚酯类、醇类、硅酮等化学消泡剂)两种方法。（5）发酵时间 不同的谷氨酸产生菌对糖的浓度要求也不一样，其发酵时间也有所差异。一般低糖(10%12%)发酵，其发酵时间为3638h，中糖(14%)发酵，其发酵时间为45h。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 二、赖氨酸的生产 L-赖氨酸是人体及动物体自身不能合成的一种必需氨基酸，广泛应用于食品、饲料和医药工业。90%以上的赖氨酸产品用于饲料添加剂。由于在谷类植物蛋白质中，必需氨基酸的组成与人体及动物对氨基酸的需求不一致，含量最低的是赖氨酸
17、，而这种配比不足会导致人和动物对蛋白质的利用率低，因此，在食物和饲料中添加适量赖氨酸可提高蛋白质的利用率，从而提高其营养价值。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 大量工业应用证明，添加赖氨酸、蛋氨酸的配合饲料，对家畜、家禽的生长发育有显著的促进作用，畜、禽的日增重量明显提高，料肉比下降，不仅可节约饲料量，而且家禽的瘦肉率、产卵率上升，有很大的经济效益。赖氨酸的生产方法有提取法、化学合成法与酶法、发酵法，目前使用最多的是发酵法。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 1.赖氨酸的生产菌株 赖氨酸生产菌大多是以谷氨酸生产菌为出发菌株，通过选育高丝氨酸缺陷型、抗赖氨酸结构类似物、抗苏氨酸结构类似
18、物的突变株，以解除自身的代谢调节来实现的（见第五章微生物代谢调节在工业中的应用）。第二节第二节 氨基酸的生产氨基酸的生产 2.赖氨酸发酵的工艺条件 前期温度为32，中后期34。pH6.57.0，发酵过程中，通过添加尿素或氨水来控制pH，此外尿素和氨水还能为赖氨酸的生物合成提供氮源。种龄和种量要求以对数生长期的种子为好。当采用二级种子扩大培养时，种量约2%，种龄一般为812h；当采用三级种子扩大培养时，种量约10%，种龄一般为68h。赖氨酸发酵要求供氧充足。第三节第三节 核苷酸的生产核苷酸的生产 一、核苷酸发酵微生物 核苷酸的主要用途是作为药物中间体、保健品和食品添加剂。其中5-AMP（腺苷酸）
19、可用于制造ATP、环AMP、S-腺苷甲硫氨酸等生化药物产品；5-GMP（鸟苷酸）的钠盐具有香菇风味，可用于制造特鲜味精和各种调味品；5-CMP（胞苷酸）可用于制造胞二磷胆碱、CTP（胞苷三磷酸）、阿糖胞苷、聚肌胞等生化药物；5-UMP（尿苷酸）参与肝脏解毒物质葡萄糖醛酸苷的生化合成，具有重要生理作用，它还可制造UTP（尿苷三磷酸）、聚腺尿、UDP-葡萄糖等药物。第三节第三节 核苷酸的生产核苷酸的生产 解除反馈抑制有用硫酸二乙脂、亚硝基胍对野生菌株进行处理的化学诱变法和用紫外光、快中子进行处理的物理诱变法。例如，由产氨短杆菌ATCC6872诱变出来的各种突变株，经直接发酵或前体转化，提高了肌苷酸
20、（IMP）、腺苷酸(AMP)、鸟苷酸（GMP）、黄苷酸(XMP)以及肌苷(IR)和6-氮杂尿嘧啶核苷等的产量。第三节第三节 核苷酸的生产核苷酸的生产 1.肌苷及肌苷酸发酵微生物 枯草杆菌、短小芽孢杆菌、产氨短杆菌的很多腺嘌呤缺陷型突变株都是优良的肌苷生产菌。腺嘌呤的浓度是肌苷发酵的关键，一般在培养基中需维持低水平的腺嘌呤才能保证肌苷的产生。不溶性的磷酸盐对肌苷的产生有促进作用。枯草杆菌NO.102经紫外光诱变和 DNA转化法,得到的腺嘌呤、黄嘌呤双缺陷型并对8氮杂鸟嘌呤有抗性的变异株，可发酵糖质原料生成肌苷22.3g/L,如向培养基添加黄嘌呤,肌苷产率可达33.1 g/L。一株产肌苷能力最强的
21、菌株是由产氨短杆菌经亚硝基胍诱变得到的抗6-巯基鸟嘌呤的变异株，蓄积肌苷的能力高达52.4 g/L。第三节第三节 核苷酸的生产核苷酸的生产 2.鸟苷酸发酵微生物 鸟苷酸的助鲜作用比肌苷酸更强。直接发酵糖质原料或利用鸟嘌呤作前体都能得到鸟苷酸。发酵生成鸟苷酸的微生物有谷氨酸棒杆菌、产氨短杆菌的多种变异株。但因直接发酵糖质原料生产 GMP的产量只有2 g/L左右,还不能用于工业生产,产氨短杆菌ATCC6872虽然在前体鸟嘌呤添加时,可生成15.3 g/L GMP，也因前体物昂贵尚无法工业化生产。第三节第三节 核苷酸的生产核苷酸的生产 3.其他核苷酸生产菌 环腺苷酸(cAMP)能抑制癌细胞的增生,并
22、对冠心病、牛皮癣有缓解作用。1944年发现液化短杆菌和大肠杆菌的培养液内有cAMP，后来又分离到一株棒杆菌和一株小球菌，将它们在含有腺嘌呤、次黄嘌呤的培养基中培养，cAMP的生成量比液化短杆菌和大肠杆菌高出34倍。生产cAMP的碳源可以是葡萄糖、果糖、麦芽糖、甘露糖，也可以是正烷烃。在C12和C14的烷烃中培养玫瑰色石蜡节杆菌和溶蜡小球菌时，cAMP的生成量分别为1.4 g/L和3 g/L。此外，还可以用藤黄八叠球菌发酵生产黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)；用产氨短杆菌、芽孢杆菌、小球菌生产辅酶A；用谷氨酸棒杆菌和产氨短杆菌发酵生产乳清酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)辅酶I等。第三节第三节 核苷
23、酸的生产核苷酸的生产 二、鸟苷酸的生产 鸟苷酸（GMP）工业生产多用发酵法先制成鸟苷，然后通过微生物或化学磷酸化作用转变为 GMP。生产鸟苷采用的菌种有枯草杆菌、短小芽孢杆菌、产氨短杆菌的多种变异株，它们的特点是生成必需嘌呤碱基并对嘌呤结构类似物具有抗性，各菌株的鸟苷生成量达10 g/L左右。第三节第三节 核苷酸的生产核苷酸的生产 生产GMP的另一种方法,是首先发酵糖质原料生成黄苷酸，然后再用另一种菌将黄苷酸转化为GMP,也可将两种菌混合培养制成 GMP。谷氨酸小球菌和产氨短杆菌的变异株都可积累黄苷酸。把黄苷酸转化为 GMP的菌株多采用产氨短杆菌的变异株。如果将黄苷酸产生菌和把黄苷酸转化为GM
24、P的菌混合培养时,前者与后者恰当的比例为10:1，GMP生成量达9.67 g/L。生产GMP的第三种方法是:先以发酵法生产5-氨基-4-甲酰胺咪唑-核糖（AICAR），再以AICAR为原料,化学合成为GMP。第四节第四节 清洁能源的生产清洁能源的生产 一、甲烷发酵一、甲烷发酵 （一）甲烷发酵微生物 甲烷产生菌的主要种类有甲烷杆菌属、甲烷八叠菌、甲烷球菌属等。（二）甲烷发酵机制 甲烷产生菌的作用机理是沼气发酵过程。该过程的第一阶段是复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等在微生物作用下降解至其基本结构单位物质的液化阶段。第二阶段是将第一阶段中产生的简单有机物经微生物作用转化生成乙酸；第三阶段是在甲烷产
25、生菌的作用下将乙酸转化为甲烷。第四节第四节 清洁能源的生产清洁能源的生产 （三）甲烷发酵工艺 甲烷产生菌所产生的能源是当前已获大量实际应用的一种微生物能源。我国现在正用人畜粪便、农副产品下脚料、酒糟废液和其他工业生产中的废液等生产甲烷，用于照明、燃烧等，其使用价值是相当可观的。第四节第四节 清洁能源的生产清洁能源的生产 按照工艺的特点来分，目前采用的沼气发酵工艺有两种，一为常规工艺，二为高效工艺。其中常规工艺制造简单便于操作，但发酵速率低，消化不彻底，发酵时间较长，一般在中温条件下需7d以上，而在常温条件下少则需15d，多则需1月以上。“上流式厌氧污泥床”（UASB）和“厌氧过滤器”（AF）组
26、合成的工艺，是目前高效工艺的典型代表，其中又以后者在各地能环卫工程中应用较多。与常规工艺比起来，高效工艺具有较高的科技含量，因此也具有对有机物消化彻底、沼气产量大、效率高（消化罐体积小、占地少）等优点。第四节第四节 清洁能源的生产清洁能源的生产 二、微生物制氢 微生物制氢技术一直受到人们的关注。利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。根据微生物生长所需能源来源，能够产生氢气的微生物，大体上可分为两大类：一类是光合菌，利用有机酸通过光产生H2和CO2。利用光合菌从有机酸制氢的研究在七、八十年代就相当成熟。但由于其原料来源于有机酸，限制了这种技术的工业化大规模使用。第四节第四节 清洁能源的
27、生产清洁能源的生产 另一类是厌氧菌，利用碳水化合物、蛋白质等，产生H2、CO2和有机酸。目前，利用厌氧进行微生物制氢的研究大体上可分为三种类型。一是采用纯菌种和固定技术进行微生物制氢，但因其发酵条件要求严格，目前还处于实验室研究阶段。二是利用厌氧活性污泥进行有机废水发酵法生物制氢；三是利用连续非固定化高效产氢细菌使含有碳水化合物、蛋白质等的物质分解产氢，其氢气转化率可达30%左右。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 一、微生物采油 石油和天然气深藏于地下，其中天然气又沿着地层缝隙向地表扩散。有的微生物在土中能以气态烃为唯一碳源和能源，其生长繁殖的数量与烃含量有相
28、关性，因此可以利用这类微生物作为石油和天然气储藏在地下的指示菌。用各种方法检测土样、水样、岩芯等样品中的这类微生物的数量，分析实验结果，预测石油和天然气的储藏分布地点和数量，此被称为微生物石油勘探。包括我国在内的许多国家采用微生物石油勘探的结果表明，它对于钻井结果的准确率为55%左右，是一种省钱、省力、简便易行的石油勘探法。以气态烃为唯一碳原和能源的微生物主要是甲烷、乙烷氧化菌，它们通常为甲基单胞菌属、甲基细菌属和分枝杆菌属的菌种。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 微生物能提高采油率，目前已大规模用于石油工业的是将生物聚合物或生物表面活性剂等微生物产物注入油层
29、。最具代表性的是注入黄原胶，一种典型的水溶性胶体多糖，它是由甘露糖、葡萄糖和葡糖酸(比例为2:2:1)构成的杂多糖。此多糖一般由黄单胞菌属的菌种用玉米淀粉等农副产品的碳水化合物为原料，深层液体好氧发酵生产。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 黄原胶具有增粘、稳定和互溶等优良特性，将它稠化水，即作为注水增稠剂，注入油层驱油，可改善油水的流度比，扩大扫油面积，使石油的最终采收率提高9%29%。黄原胶也可作为钻井粘滑剂，很有利于石油开采，也被石油工业广泛应用。黄原胶的优良特性除作为增稠、增粘剂外，还可作为乳化、成型、悬浮剂，广泛用于食品、医药、化工、轻工、中药等20多
30、个行业的100多种产品中，它也是微生物生产胞外多糖的典型产品，生产量最多，用途最广，为发酵工业后起之秀。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 微生物提高采油率的另一种办法是把油层作为巨大的生物反应器，将有益于石油采取的微生物注入油层，或通过加入营养物活化油层内原有的菌类，促进这些微生物的代谢活动，提高石油采取率。还有采用杀灭注水采油中的有害微生物，加入有益微生物或增稠剂、表面活性剂等综合工艺，提高采油也很有效。如我国科技人员，用微生物发酵生产出鼠李糖脂一类的生物表面活性剂，用于三次采油工业试验，在天然岩芯进行驱油试验时，石油的平均采收比提高了20%以上。微生物采油
31、是将地面分离培养的微生物菌液和营养液注入油层，或单独注入营养液激活油层内微生物，使其在油层内生长繁殖，产生有利于提高采收率的代谢产物，以提高油田采收率的方法。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 （一）微生物采油机理 微生物采油是技术含量较高的一种提高采收率技术，不但包括微生物在油层中的生长、繁殖和代谢等生物化学过程，而且包括微生物菌体、微生物营养液、微生物代谢产物在油层中的运移，以及与岩石、油、气、水的相互作用引起的岩石、油、气、水物性的改变，因此微生物采油是一个相当复杂的过程。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 1.改变原油的组
32、成，使其变成低粘度的原油 微生物以石油中正构烷烃作为碳源而生长繁殖，从而改变原油的碳链组成。微生物不断老化，改变了石蜡基原油的物理性质，影响了原油液或固相的平衡，降低了石蜡基原油的临界温度和压力。微生物的增加能大大减少储层、井眼和设备表面的原油结蜡的温度和压力。微生物生长时释放出的生物酶，可降解原油，使原油碳链断裂，高碳链原油变为低碳链原油，使重组分减少，轻质组分增加，凝固点和粘度均可降低，不仅改善原油在油层中的流动性，而且会使原油品质得到改善。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 2产生酸及有机溶剂提高采收率 微生物产生的酸主要是相对低分子质量的有机酸（甲酸，丙
33、酸），也有部分无机酸（即硫酸），它们能溶解碳酸盐，一方面增加孔隙度，提高渗透率，另一方面，释放二氧化碳，提高油层压力，降低原油粘度，提高原油流动能力。产生的醇、有机酯等有机溶剂，可以改变岩石表面性质和原油物理性质，使吸附在孔隙岩石表面的原油被释放出来，并易于采出地面。微生物在发酵原油过程中的代谢产物，如：乙酸、丙酸、醇类及其他短链有机酸，均有利于改善原油粘度，类似轻度酸化，增加岩石孔隙度，从而提高原油量。3.微生物的直接作用 通过在岩石表面上的生长占据孔隙空间，用物理的方法驱出石油，改变碳氢化合物的馏分。微生物能粘附到岩石表面，在油膜下生长，最后把油膜推开，使油释放出来第五节第五节 微生物与替
34、代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 （二）微生物采油工艺 目前，国内外微生物采油方式大致有两种。一类是地面法，在地面建立发酵反应罐，为微生物提供必须的营养物质，通过微生物代谢作用产生生物产物（主要是生物表面活性剂和生物聚合物），将生物产物注入地层从而达到提高采收率的目的。这种工艺特点是发酵在地面进行，所以微生物生长和代谢不受地层的影响。另一类是地下法（油层法），指直接将微生物注入到油层，使其在油层中产生各种代谢产物，只要供给微生物足够的营养物质，代谢产物的生产速度就会大于被微生物降解的速度。此种工艺特点是驱油持续时间长且施工成本低。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工
35、艺和替代产品 二、微生物制浆 高速发展的生物技术已被引入到制浆造纸工业中，其中最具吸引力和挑战性的是生物制浆与生物漂白。因为造纸工业废水主要由蒸煮黑液和漂白废液组成，采用生物制浆与生物漂白可以有效减少这些废液的产生。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 制浆造纸工业是国民经济的重要支柱产业之一，但也是森林、能源、化学品等资源消耗和环境污染的源头之一。在用植物材料进行化学制浆与化学漂白过程中，含有大量木质素、半纤维素和有害物质的废液被排放到江河湖泊中，造成严重的环境污染和生态破坏。多年来，人们不懈地努力，试图开拓出无污染的高效率的制浆造纸新工艺，以减少污染，保护环境
36、。为了保护环境，发达国家投入大量资金对制浆造纸工艺进行改造，利用微生物制浆，有下面两种方式。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 利用木素降解菌处理纤维原料，来降低机械法制浆的能耗，代替或部分代替污染严重的化学法制浆。先利用微生物发酵获得木聚糖酶制剂，然后将其作为纸浆漂白助剂，既可减少漂白废液污染，又可减少漂白剂用量，降低生产成本，效益显著，且易于工业化。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 微生物制浆法已在欧洲和北美的大型纸厂得到广泛应用，成为微生物技术在造纸工业应用最成功的一例。目前，加拿大已有约10的硫酸盐法纸浆厂采用了微生物酶
37、法助漂新工艺。丹麦和美国等多家微生物酶制剂厂商，纷纷推出了专门用于纸浆处理的木聚糖酶和纤维素酶新产品。三、细菌冶金 所谓细菌冶金，就是利用某些自养型细菌在浸出剂中的作用，从贫矿中富集某些金属元素的过程。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 生物湿法冶金工业用的菌种主要有氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、铁氧化钩端螺菌和嗜酸热硫化叶菌等。这类自氧微生物能氧化各种硫化矿获得能量，并产生硫酸和酸性硫酸高铁Fe2(SO4)3，这两种化合物是很好的矿石浸出溶剂，作用于黄铜矿(CuFeS2)、赤铜矿(CuO2)、辉铜矿(Cu2S)、铜蓝(CuS)等多种金属矿，把矿中的铜以硫酸铜的
38、形式溶解出来，再用铁置换出铜，生成的硫酸亚铁又可被细菌作为营养物氧化成酸性硫酸高铁，再次作为矿石浸出溶剂。如此循环往复，可溶的目的金属能从溶液中获取，例如铜，不溶的目的金属能从矿渣中得到，例如金。这就是微生物冶金的基本原理。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 微生物冶金还用于研究开发菌体直接吸附金等贵重和稀有金属，如曲霉从胶状溶液中吸附金的能力是活性炭的1113倍，有的藻类每克干细胞可吸附400mg的金。采用微生物对煤脱硫，有的菌对煤中无机硫的脱除率可达96%。非金属矿的微生物脱除金属，例如生产陶瓷的主要原料高岭土，用黑曲霉脱除其中的铁，此高岭土制成的新陶瓷材料
39、，在电子、军事工业中有广泛的特殊用途。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 四、微生物脱硫 煤炭是我国最主要的一次性能源，约占我国能源消耗量的70。煤炭中通常含有0.25%7%的硫，在燃烧过程中生成的S02随烟道气排入大气，造成酸雨。在冶金、石油化工、化学制品生产过程中常产生大量工业废气，其中H2S是一种毒性气体，人体吸入后会引起不良反应，严重者会有生命危险。而且在有氧和湿热条件下，H2S会腐蚀管道及燃烧设备，因此对于煤炭燃烧前的脱硫和工业废气的细菌脱硫技术的研究具有重要的意义。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 五、生物表面活性剂
40、五、生物表面活性剂 生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时，在代谢过程中分泌的具有表面活性的代谢产物。与化学合成表面活性剂相比，生物表面活性剂具有许多独特的属性，如：结构的多样性、生物可降解性、广泛的生物活性及对环境的温和性等。由于化学合成表面活性剂受原材料、价格和产品性能等因素的影响，且在生产和使用过程中常会严重污染环境及危害人类健康。因此，随着人类环保和健康意识的增强，生物表面活性剂越来越多地被使用。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 六、微生物絮凝剂六、微生物絮凝剂 絮凝剂又称沉降剂，是一类可使液体中不易沉淀的固体悬浮颗粒（粒径10-310-7cm）凝聚
41、、沉淀的物质。目前实际使用的絮凝剂，以无机的聚合氯化铝和有机合成的聚丙烯酰胺最为广泛。我国从20世纪60年代开始研制和应用无机和有机合成高分子絮凝剂，但其使用容易造成环境二次污染。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 微生物絮凝剂是指微生物自身产生的具有絮凝活性的次生代谢产物。絮凝性微生物能使离散微粒（包括菌体细胞自身）之间互相粘附，并能使胶体脱稳，形成絮状沉淀而从反应体系中分离出去。高絮凝性微生物可用于处理废水，经过驯化筛选或构建出的菌株，自身就可利用废物进行繁殖，在反应体系中发挥作用，在废水脱色方面的优势，比普通絮凝剂更具吸引力。第五节第五节 微生物与替代工艺
42、和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 由微生物产生的絮凝剂是一种无毒的生物高分子化合物。微生物细胞的絮凝性由所产生的生化物质决定，包括机能性蛋白质或机能性多糖类物质，这就决定了微生物絮凝剂具有生物可分解性的独特性质，而且对环境和人类具有无毒无害的安全性。产生絮凝剂的微生物绝大多数来自与人类关系十分密切的土壤中，分离这些微生物和产生微生物絮凝剂的过程，对人类不会造成不良后果。微生物絮凝剂对多种细微颗粒及合成高分子絮凝剂的可溶性色素物质都具有优良的凝聚能力。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 微生物絮凝剂的主要成分中含有亲水的活性基团，如氨基、羟基、羧基等，其絮凝机
43、理与有机高分子絮凝剂相同。通常线形结构的大分子，絮凝效果较好；分子量对絮凝活性也有影响，分子量越大，絮凝剂活性越高；细胞的年龄对絮凝作用也有影响。在培养早期絮凝性不好，随着发酵的进行，絮凝活性细胞壁中的甘露聚糖、葡聚糖和蛋白质发生组合，进而影响到絮凝剂效果。微生物絮凝剂可用于食品工业、发酵工业，也可广泛用于工业废水处理。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 七、微生物塑料 以石油为原料制造的塑料，对人类社会经济发展有着重要贡献的同时，由于其化学性能十分稳定，在自然条件下不易降解，又导致了“白色污染”这一全球性的严重问题。有些微生物能够产生在自然环境中容易完全降解的
44、与塑料类似的聚酯，如：聚-羟丁酸、甲基侧链聚羟基丁酯(PHB)和聚羟基烷酯(PHA)及乙基侧链聚羟基戊酯(PHV)，可以用来生产完全生物降解塑料，这类塑料可称为微生物塑料。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品 微生物塑料不仅完全可以生物降解，而且降解产物还能改良土壤结构及作为肥料。微生物塑料具有高分子量、高结晶度、高弹性及高熔点的特性，还能抗紫外线、不含有毒物质、生物相容性好、不引起炎症、透明、易着色等，所以这种塑料用途更广，更适合于在医药领域应用。目前存在的最大问题是生产成本高，成品价格贵，虽有生产，但只能在特别需要的地方应用。第五节第五节 微生物与替代工艺和替代产品微生物与替代工艺和替代产品