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1、学习必备 欢迎下载 第十五章 微生物工业和产品 一、要点提示 工业化规模培养微生物生产商业性产品，称为微生物工业，或者以微生物为主体生产产品的工业，也称之为微生物工业。微生物工业有的采用传统微生物技术，如酿造技术，有的采用近代微生物技术，如液体深层发酵技术，有的正在大力发展或尝试现代微生物技术，如基因工程技术。微生物技术也可称为微生物生物技术，它是生物技术的重要组成部分。1 微生物工业生产中所用的菌种有具体而严格的要求：菌种高产目标产品，下游技术能用于规模化生产，消耗低廉；遗传特性稳定，对人、动物、植物和环境不造成危害，安全性好。菌种的来源首先是从土壤、水、动物、植物、微生物、矿物、空气等自然
2、环境的样品中分离、筛选、培育和改良，这是主要来源；其次是从微生物保藏单位或实验室收集所需菌的不同菌株，进行选育；第三是向专利法人、生产或研究单位索取、购买符合生产要求的菌种，有的还需改进。2大规模发酵其显著特征是：规模大、消耗多，菌种符合生产菌种的要求，其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应；需进行成本核算等。大型发酵罐，特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐，它的结构、功能和应用的特点较突出地反映出大规模发酵的特征，是其最具代表性的体现。厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器各有所长，有的供氧特别充分，有的耗能低，有的节省设备材料，有的发酵周期缩短等，使发酵罐更加适应大规模发酵生产的特征，工业
3、发酵更加稳定高效地运转。基因工程和细胞工程构建的重组微生物、动、植物离体细胞用来进行生产，其生物反应器的设计和制作有特殊的要求。发酵工业的发酵过程的优化和后处理，不同于实验室和试验工厂，也是规模化发酵生产的重要特征。发酵的逐级放大，几乎是发酵工业新产品或改良产品或工艺改造的必由之路，但现代生物技术的产品有的产量需求很小，这类产品从研究、开发到生产，虽然也要经过逐级放大，经历的过程和试验的项目甚至更多和时间更长，而小试、中试和大试各阶段所采用的设备、仪器的差异不是很大，有的在实验室内就能完成放学习必备 欢迎下载 大的全过程。3工业发酵的方式多种多样，各具特色和优、缺点，可根据发酵所具备的不同条件
4、和要求而择优选择。现代发酵工业大多数是好氧、液体、深层、分批、游离及单一纯种的发酵方式互相结合进行，其优越性是符合大多数现代发酵产业的要求，能形成高产、优质、低耗的生产工艺。连续发酵、固定化细胞发酵、固态发酵、混合培养物发酵等发酵方式，也同样具有各自的优势和不足，选择使用时应扬长避短。4微生物工业的产品繁多，所用菌种、生产工艺和其功能都有其特点，在食品、轻工、医药、农林等方面应用广泛，已继动、植物产业之后，形成了生物第三大产业微生物产业。微生物工业的产品，按出现的年代大概可以归纳为：传统产品、近代产品和现代产品。传统产品是以酿造业的酒、醋、酱、乳酪为代表，近代产品是以 20 世纪 40 50
5、年代开始的发酵法生产抗生素、氨基酸、有机酸为代表，现代产品是以 20 世纪 80 年代出现的基因工程产品，如胰岛素、-干扰素、乙肝疫苗等为代表。当前国内、外微生物工业产品，既有传统产品，又有近代产品，还有现代产品，但大多数还是三者并存，品种繁多，并在许多行业形成了各自的微生物工业。这些微生物工业生产所用菌种、发酵方式及条件、产物的后处理和产品的包装、运输、保存、营销等有相同之处，也有不同之点。5微生物在冶金、能源、信息、塑料、功能性材料和生物计算机等领域的应用，发展迅速，取得了显著成效，有许多应用的好实例，有的已造就成大型工矿业，有的已产生了巨大的经济和社会效益。微生物应用的广泛性和不可替代性
6、，取决于其多样性，它在某一方面的应用是其某种特性的利用，也就是某种微生物资源的开发利用，它有着充分的理论根据。随着经济的发展、社会的进步、生活的改善和环保意识的增强，微生物应用领域的广度和深度将会进一步拓展，大有可为，特别是 DNA 芯片，包括微生物 DNA 芯片的研制和应用，将开辟生命科学研究和利用的新纪元，将为推动社会、经济的发展起到重大作用。6许多海洋微生物常处于高压、高盐、高温或低温、低营养及无光照等极或者以微生物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生
7、物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生物物空气等自然环境的样品中分离筛选培育和改良这是主要来源其次是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大规学习必备 欢迎下载 端环境，如嗜盐菌、嗜碱菌、嗜热菌、嗜冷菌及嗜压菌等，积极探索其独特性质的机制，索取其特有的产物及衍生物，开发利用其各种特异功效的生物活性物质；加强研究海洋微
8、生物基因组中的特殊基因组或基因，作为人类功能基因组研究的模式生物，利用其特殊功能性的基因，有着特别的重要意义；充分研究、开发和利用海洋微生物种类、遗传、生态的多样性，不仅是挖掘微生物资源宝库的重大举措，潜力巨大，而且将拓宽微生物学的研究领域，创建新的微生物产业。航空、航天业的快速发展，人们对宇宙事业兴趣的增加，宇宙生物学越来越受到重视，尤其是宇航医学，包括宇航中的许多微生物学问题，急待研究和解决，另一方面，采用太空的特殊环境选育优良菌种，是近些年微生物生物技术的进展，并取得了可喜成果。二、重点、难点剖析 1微生物的工业发酵方式有多种多样，但发酵过程是很类似的，其基本步骤如教材的图 15-1 所
9、示，有的发酵过程更繁多，有的则可省去某些步骤。生产菌种通常要求：(1)高产所需的优质产物；(2)所用培养基来源广、价廉、转化率高；(3)安全、无危害；(4)容易实现下游技术；(5)遗传特性稳定，便于基因操作。菌种的来源：从自然环境中分离、选育；收集所需种菌的不同菌株，进行筛选；购买生产或专利菌种。从不同来源的样品或菌株中筛选优良菌种的主要过程，如教材中的图 15-2所示。2大型发酵罐突出地反映出大规模发酵的特征。微生物学(第 2 版)中展示了具代表性的一种搅拌式大型发酵罐模式图。另外还有各种各样的厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器，而且每一种类型都是使发酵罐更加适应大规模发酵生产的特征，保障工业
10、发酵稳定高效地运转。3发酵过程的主要控制项目和方法如表 15-1所示。或者以微生物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生物物空气等自然环境的样品中分离筛选培育和改良这是主要来源其次是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特
11、别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大规学习必备 欢迎下载 后处理指的是大规模发酵后一直到产品形成的整个工艺过程。后处理的主要步骤、技术设备、产品的浓度和质量，如表 15-2所示。或者以微生物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生物物空气等自然环境的样品中分离筛选培育和改良这是主要来源其次
12、是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大规学习必备 欢迎下载 或者以微生物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生物物空气等自然环境的样品中分离
13、筛选培育和改良这是主要来源其次是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大规学习必备 欢迎下载 或者以微生物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生
14、物物空气等自然环境的样品中分离筛选培育和改良这是主要来源其次是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大规学习必备 欢迎下载 三、术语或名词 1微生物工业(microbial industry)人们工业化规模培养微生物生产商业性产品，或者以微生物为主体生产产品的工业。2 微生物生物技术(microbial biotechnology)利用微生物或微生物的某些组分进行生产产品或应用的技术。3 发酵罐(ferment
15、er)进行工业发酵的容器称为发酵罐，也可称为生物反应器(bioreactor)。4后处理(downstream processing)发酵后的产物经各种处理，如：分离、纯化或再加工等，成为商业性的发酵产品。5下游技术(downstream of biotechnology)一般是泛指从菌种的大规模培养、监测一直到产品的分离、纯化、质量分析等一系列单元操作技术，其中的产品分离纯化等技术即后处理。6好氧发酵(aerobic fermentation)发酵时需要氧气。7厌氧发酵(anaerobic fermentation)发酵时不需要氧气。或者以微生物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工
16、业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生物物空气等自然环境的样品中分离筛选培育和改良这是主要来源其次是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大规学习必备 欢迎下载 8 连续发酵(continu
17、ous fermentation)连续不断地供给培养基，并排放出产物和废物，维持恒定的条件进行发酵。9分批发酵(batch fermentation)每一次培养基经发酵后，排空发酵罐、洗净、加培养基、灭菌，再接入菌种重新发酵。10液态发酵(liquid state fermentation)培养基呈液态的微生物发酵。11 固态发酵(solid state fermentation)微生物在没有或几乎没有游离水的固态湿培养基上发酵。又称固体发酵，培养基通常是“手握成团，落地能散”，所以也可称为半固体发酵。12固定化细胞发酵(fermentation of immobilized cell)通过吸
18、附、包埋、共价交联和微囊等固定化方法，将微生物细胞用载体固定，用培养基与其进行发酵，生产产品，并可反复多次。未固定的细胞用于发酵，可以称为游离细胞发酵。13混合培养物发酵(mixed culture fermentation)多种微生物混合在一起，共用一种培养基进行发酵，也称为混合培养或混合发酵。用纯的单一菌种的发酵可称为纯种发酵。采用已鉴定的两种以上分离纯化的菌种，共用同种培养基发酵，可称为限定混合培养物发酵(defined mixed culture fermentation)。14生物药物素(biopharmaceutin)酶抑制剂、免疫调节剂、受体颉颃剂、抗氧化剂、类激素、生物表面活性
19、剂和抗辐射药物等这类微生物药物的总称。15生物制品(biologic products)根据免疫学原理，大规模地采用微生物或其部分组成成分，进行工业生产疫苗、类毒素、免疫血清和诊断用的抗原、抗体等产品，这类产品习惯地称为生物制品。16二肽甜味素(aspartame)L-苯丙氨酸和 L-天冬氨酸合成的二肽，味如白糖，但甜度高出糖 150 倍，而不腻不苦，低热量，可减肥，不需要胰岛素助消化，适宜于肥胖症、糖尿病和心血管病人等食用。17 微生物农药(microbial pesticide)利用微生物本身或其代谢产物防治病、虫、杂草的制剂，主要包括抗生素、细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、病毒杀虫剂、细或者以微
20、生物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生物物空气等自然环境的样品中分离筛选培育和改良这是主要来源其次是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大
21、规学习必备 欢迎下载 菌与病毒混合杀虫剂和微生物除草剂等。18单细胞蛋白(single cell protein，SCP)作为饲料或食品的富含有蛋白质的微生物细胞。细菌、丝状真菌、酵母、藻类中的许多种都可用来生产 SCP，但主要还是用酵母生产饲料 SCP。19植物促生根际菌肥(plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)含有各类有益于植物的根际微生物，能促进植物生长，抗病驱虫，并增加土壤养分。20 生物湿法冶金(biohydrometallurgy)利用微生物能氧化各种矿石的原理，进行微生物堆浸回收贫矿石、尾矿石、矿渣或地下难采矿石中的所需金属。21 黄
22、原胶(xanthan gum xanthan)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，采用野油菜黄单胞菌发酵生产。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黏滑剂，很有利于石油开采。黄原胶还可作为乳化、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。22微生物传感器(microbiosensors)传感器的敏感元件是固定化微生物细胞，它的转换器件是各种电化学电极或场效应晶体管，其他机械、电路部
23、分与另外的传感器大都相同。23微生物燃料电池(microbial fuel cells)燃料电池就是把燃烧等化学反应产生的化学能转变为电能的装置，如果电池中发生的反应因微生物生命活动所致，而产生的电能装置，便是微生物燃料电池，又可称为微生物电池。24微生物 DNA 芯片(microbial DNA Chip)来源于微生物的寡核苷酸制成的芯片。微生物的多样性取决于其基因的多样性，因而可以制成种类繁多的 DNA芯片，储存空前规模的生命信息，可利用其快速、高效、同时也获取大量的生命信息。或者以微生物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术
24、如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生物物空气等自然环境的样品中分离筛选培育和改良这是主要来源其次是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大规学习必备 欢迎下载 25聚酯(polyesters)如：聚-羟丁酸，即甲基侧链聚羟基丁酯(PHB)和聚羟
25、基烷酯(PHA)及乙基侧链聚羟基戊酯(PHV)，可以用微生物大规模生燕利用这类聚酯的生物可降解性、生物相容性、厌电性和光学活性等特性，能制成各种新型的功能性材料，例如，完全生物降解的塑料，这类塑料可称为微生物塑料。26细菌视紫红质(bacteriorhodopsin，bR)盐生盐杆菌产生的紫膜蛋白质，用激光照射时，其结构变化过程中的不同状态，就能起到光开关的作用，可能作为电子器件材料。27 L-多巴黑色素(L-Dopa melamin)一种具有抗氧化、抗辐射、清除自由基、选择性地体外抗病毒活性的生物多聚体化合物，能利用微生物产生这种黑色素，它在医药、化工、农业等方面具广泛的应用前景。或者以微生
26、物为主体生产产品的工业也称之为微生物工业微生物工业有的采用传统微生物技术如酿造技术有的采用近代微生物技术如液体深层发酵技术有的正在大力发展或尝试现代微生物技术如基因工程技术微生物技术也可称为微 下游技术能用于规模化生产消耗低廉遗传特性稳定对人动物植物和环境不造成危害安全性好菌种的来源首先是从土壤水动物植物微生物物空气等自然环境的样品中分离筛选培育和改良这是主要来源其次是从微生物保藏单位或实验室 规模发酵其显著特征是规模大消耗多菌种符合生产菌种的要求其生长代谢特性与大规模发酵和后处理相适应需进行成本核算等大型发酵罐特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐它的结构功能和应用的特点较突出地反映出大规