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1、第十五章微生物工业和产品第十五章 微生物工业和产品微生物本身或其代谢过程中产生众多的代谢产物，其中许多是对人类有应用价值的。人们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。 微生物种类繁多,容易变异,因而微生物工业中菌种的选择和培育是生产之母;微生物代谢类型多,适应性强，所以微生物工业中的代谢调控是生产的关键；保持微生物工业产品的优质、高产和低耗，规模生产的设备和产物的各项处理是生产的重要组成.微生物工业化规模的生产,不同于实验室的试验，也不同于实验工厂的中间试验，它涉及的学科更多，除微生物学、生物化学、分子生物学、化工外,还涉及机
2、械、工程、计算机、经营管理等。而且微生物工业产品众多，生产工艺各异，应用范围广泛，因此本章仅能就微生物工业中有关微生物学方面的问题择要叙述.第一节工业发酵的菌种和发酵特征微生物工业中，发酵术语指的是任何大规模过程,已成了习惯用语，不管微生物代谢有或没有外源最终电子受体的情况下发生的氧化作用。进行工业发酵的容器称为发酵罐(fermenter ），也可叫做生物反应器（bioreactor)。在微生物发酵过程中，有机物既是电子最终受体，又是被氧化的基质。通常这些氧化基质都是氧化不彻底，因此发酵的结果积累某些有机物,即产生多种多样的发酵产物。某些发酵产物可能在工、农、医、药、环保等领域应用,具有潜在的
3、经济和社会效益，这些产物经发酵后的处理，通称后处理（downstream processing），如：分离、纯化或再加工等，成为商业性的发酵产品。微生物的工业发酵，就是利用各种微生物的不同发酵特性，发酵生产众多有价值的发酵产品。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，其基本步骤如图15-1所示，有的发酵过程更繁多，有的则可省去某些步骤。图15-1 微生物工业发酵的基本过程一、生产菌种的要求和来源1。生产菌种的要求微生物工业发酵所用的微生物称为菌种.不是所有的微生物都可作为菌种，即使是同属于一个种（species)的不同株的微生物,也不是所有的株都能用来进行发酵生产。例如：发酵生产
4、碱性蛋白酶(洗涤剂的重要用酶）的生产菌种地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)，就不是该种菌中所有菌株都能用来作为菌种，而是经过精心选育,达到生产菌种的要求的菌株才可作为菌种。对菌种一般有以下要求：首先菌种能在较短的发酵过程中高产有价值的发酵产品。菌种发酵产生所需的最终产品量，按所用发酵培养基的单位体积或重量所产生的数量计算，应该是高的，越高越好.高、低的标准是与当时同一产品发酵所得的水平相比，或用其商业价值或社会效益来衡量；第二，菌种的发酵培养基应价廉，来源充足，被转化为产品的效率高。如许多发酵工业都是用农副产品配制成发酵培养基,不仅能满足菌种发酵所要求的营养成分,转化
5、率高，而且发酵原料易获得，价格低廉.从表151可见部分农副产品的营养成分，在制备发酵培养基时合理配制是能够满足许多菌种生长、繁殖、产生各 种各样的发酵产品。第三，菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害，还应注意潜在的、慢性的、长期的危害，要充分评估，严格防护。第四，菌种发酵后，所产不需要的代谢产物少,而且产品相对容易地与不需要的物质分离，下游技术能用于规模化生产。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技术即后处理，是菌种实现产业化的关键。第五，菌种的遗传特性稳
6、定,而且易于进行基因操作。这不仅可以保障发酵工业高产、稳产，而且为菌种的进一步改良，产品质和量的增加，成本的下降，应用基因工程技术创造了很好的条件。表151一些农副产品的营养成分表(%）名称水分粗蛋白粗脂肪粗纤维无氮浸出物粗灰分钙磷玉米粉12。09。04.31.572。01.30。220。31甘薯粉13.04.10。51.479.02。4-木薯粉13。122。450.524.8？1。7-小麦粉12。09。91.80。674.01。10.0380。268小米粉11。013。87。82。163.02。20。0540。305米糠9。09。415。011.046.09.60。081。42鲜甘薯8067
7、1。81.30.50.20.50。229.020.50。90.50。0250。0180。0270.020马铃薯79.01.90。91.416.01。20。0110。059麸皮11。013.94.210.556。05。30.0110。014豆饼12。135。96.94。634。95.10。270。63花生饼10。443.85。73.730。95。50。330。58菜子饼13.816。26。516.742。04。80。240.25棉子饼4.638.111。410.129。95.90.242。25米糖饼15。713。16。18.945。511.10。181。4豆腐渣85.15.01。82.15.40
8、。60.090.01玉米芯8.72。00。728。258。22.01.10。08花生壳10。17。75。959。910。46.01.080.07粉渣（绿豆)86。02。10。12.88。70。30。060.03酒糟（啤酒）76.96。82。24。28。71.20。120。12酒糟(高梁酒)30.415.39。613.124。57。10.180。37玉米秆11。23。50。833.442。78.40。39微量大麦秸12。96。41.633.433.87。90.130.022。生产菌种的来源发酵工业要获得具有上述基本要求的菌种，主要来源：(1）自然环境工业微生物所用菌种的根本来源是自然环境,包括从
9、土壤、水、动物、植物 、矿物、空气等样品中，筛选分离到产所需的发酵产品的菌株,经培育改良后可能成为菌种 .图152筛选生产菌种主要过程的示意图（2）收集菌株筛选如果已知所需发酵产品的产生菌的种名，则尽量多地收集该种菌的不同菌株。可向世界各地微生物或培养物保藏单位（表152）、各种微生物实验室免费索取或购置这种菌的不同菌株,然后将不同的菌株分别按照图15-2的主要过程,从稀释涂布平板开始进行筛选，有的菌株可能不显示产生所需产品的指示特征,或发酵试验中产量很低，这些菌株很快被淘汰，只有经系列试验符合生产菌种要求的菌株才可作为生产菌种. 表15-2国际承认的培养物保藏单位保藏单位(简称）所在国家保藏
10、范围澳大利亚国家分析试验室（AGAL）澳大利亚微生物菌种比利时微生物保藏中心（BCCM)比利时大部分微生物菌种保加利亚菌种保藏库(NBIMCC）保加利亚微生物菌种中国典型培养物保藏中心（CCTCC）中国几乎所有的培养物中国普通微生物菌种保藏中心(CGMCC）中国普通菌种捷克微生物保藏所(CCM）捷克普通微生物菌种法国微生物保藏中心(CNCM）法国几乎所有的培养物德国微生物保藏中心（DSM)德国普通微生物菌种匈牙利国家农业和工业微生物保藏中心(NCAIM)匈牙利工业菌种日本国家生命科学和人类技术研究所（NIBH)日本几乎所有的培养物荷兰真菌保藏所（CBS）荷兰真菌类韩国细胞系研究联盟（KCLRF
11、）韩国动植物细胞系韩国微生物保藏中心(KCCM）韩国微生物菌种韩国典型培养物保藏中心(KCTC)韩国培养物俄罗斯微生物保藏中心（VKM)俄罗斯工业微生物俄罗斯科学院微生物理化所(IBFMVKM)俄罗斯所有培养物俄罗斯国家工业微生物保藏中心（VKPM)俄罗斯工业菌种斯洛伐克酵母保存所(CCY)斯洛伐克酵母菌西班牙普通微生物保藏中心（CECT）西班牙普通微生物菌种英国藻类和原生物动物保藏中心（CCAP）英国藻类、原生动物欧洲动物细胞保藏中心（ECACC)英国动物细胞系等国际真菌学研究所(IMI）英国真菌、细菌等英国国家食品细胞保藏中心(NCFB)英国工业细菌英国国家典型培养物保藏中心（NCTC）英
12、国普通微生物英国国家酵母菌保藏中心（NCYC）英国酵母菌英国国家工业和海洋细菌保藏中心(NCIMB)英国工业及海洋细菌美国北方农业研究所培养物保藏中心（NRRL）美国以微生物菌种为主美国典型培养物保藏中心(ATCC）美国几乎所有的培养物（3）购置生产菌种一般都是购置专利菌种，或向生产单位购置产量高的菌种。生物技术方面的发明申请专利，如果它的实现涉及到微生物或其它生物培养物，仅依靠专利申请说明书是不能实现发明的，为此，大多数国家的专利法规定，涉及生物培养物的发明专利,此生物培养物又为公众所不知道的，申请人除了提供专利说明书之外，还要向专利局指定的保藏机构提供用于所申请的专利程序的生物培养物，给予
13、保藏。许多专利法，包括我国专利法在内，对专利发明中的微生物菌种本身也实行保护,同样要送到指定的保藏机构保藏。国际上承认的具体法律效力的权威保藏单位,目前为28个，其中包括武汉大学的中国典型培养物保藏中心（简称CCTCC），中科院微生物研究所的中国普通微生物菌种保藏中心（简称CGMCC）（表15 2)。需要生产菌种可向专利发明人购置,由保藏该发明专利菌种的机构提供。如果向生产单位购置，由生产单位直接提供或由其委托的菌种保藏单位供给。购置的菌种如果符合生产菌种的要求可直接用于发酵生产.但应该注意的是，绝大多数卖主，都不愿意将最好的菌种出售或放在保藏单位保藏。如果所购菌种不符合生产菌种的要求，仍需进
14、行未达要求的相关试验，直到达到各项要求，才可用于商业性生产。一些传统微生物产品的制作，菌种来源于自然环境，或根据传统的习惯，凭经验保藏、选育和使用菌种.二、大规模发酵的特征大规模发酵既不同于实验室的摇瓶或小发酵罐的发酵，也不同于实验工厂的实验发酵罐的发酵,其特征一般认为是:规模大，即所用的设备庞大，占用场地大，人力、物力投入的规模大；消耗的原料、能源多；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。 1。用于好氧菌的大型发酵罐的结构和应用发酵工业的发酵罐，其容积大小变化很大，小至1-10立升（图15-3),大到5000001500000立升(图154和155）,利用发酵罐的大小取决于生产需要和怎样进行操作,例如:分批进行操作的生产就比连续或半连
