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1、山东大学 期末考试知识点复习第十五章 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
2、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
3、征，工业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和要求而择
4、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4050年代开始的发酵法生
5、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，取决于其多样性，它在某
6、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
7、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：
8、(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
9、。 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。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(fermenter) 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
10、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。 8连续发酵(continuous 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、
11、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(mix
12、ed 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
13、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
14、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黄原胶(xanthan gumxanthan) 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，
15、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929。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。 25聚酯(polyesters) 如：聚-羟丁酸，即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
