1、生物工艺学概论.

1、第一章：绪论1 1、微生物工程概论1 1微生物工程的定义和特点生物工艺学( (biotechnology),般称为发酵工 程或微生物工程.概念:利用微生物在有氧或无氧条件下的生命(长代 谢)活动，通过现代工程技术，来制备微生物菌体本身 或其直接代谢产物或其次级代谢产物的过程。是将传统的发酵技术与现代的基因工程，细胞工程, 代谢工程,生物信息工程和计算机控制等新技术结合 并迅速发展的现代发酵技术.微生物工程的定义和特点归纳起来町有三个特点:1）生物技术是一门多学科、综合性的科学技术;2）反应中需有生物催化剂的参与;3 ）其最后目的是建立工业生产过程或进行社会服务.需具备的条件:1需要某种适宜的微

2、生物;2要保证或控制微生物进行代谢的各种条件;3要有进行微生物发酵和产物提取，精制的设备;1.1.2生物催化剂的特性生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称。 它们在生物反应过程中起着催化剂的作用。见表11游离A:与化学催化剂相比，生物催化剂具有能使反应物 （底物或基质）在常温、常压下反应；反应速率快； 催化作用专一；一般情况下价格较低廉等优点。B:缺点是易受环境条件.受某些化学物质及杂菌的破坏而失活；因而稳定性较差；温度、pH等参数对反应相当敏感；要求严格控制。C:以活细胞讲，还存在着个体差异.遗传特性变异 等生物学上特有的问题，在生长过程中对营养、微量 元素、渗透压等也有一定要求。表1-

3、1r细胞（微生物、动物或植物细胞）生物固定活细胞（増殖细胞）灰活细胞（休止细胞I）：）：活细胞特别是微生物细胞易采用化学、物理以及 生物的方法加以诱变，以改变其遗传特性，使有利于 生产。13微生物工程的一般反应过程HI墙养ar图1-3一般生恸反应过程示念图A原材料的预处理原材料的预处理包括原材料的选择，必要的物理、 化学方法加工，培养基（也称林养基质，指用于发酵 过程屮供给细胞牛长和产物形成所需要的各种呈木物 质和必要的微吐物质）和底物（酶反丿应过程屮的反应 物）的配制和灭菌等。机械能热能通常的生物反应过程仃个组剖产品产品提取纯亿废柯生物反应i（游离或阖定化）空 V據材料底物、縫加工 /原料B

4、生物催化剂的制备在发酵过程中，首先应在传统诱变选育或用现代 生物技术手段进行菌种改造的基础上选择高产、稳产、培养要求不甚苛刻的菌种。在经过多次扩大培养待达 到足够数量和一定质量后即可作为“种子”接种至发 酵罐中。在实际情况下，生物催化剂微生物细胞 的增加和“成熟”在发酵过程的前期以至中期仍在继 续进行。在酶反应过程中，加入的酶量及其纯度与底物量 和产品要求有关。在釆用固定化酶或固定化细胞时，应事先通过合 适的固定化技术将酶或细胞加以固定，然后装入酶反 应器。C生物反应器及反应条件的选择生物反应器是生物反应过程中的主要设备，它应 为活细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞增殖或 产品形成的目的。发

5、酵过程的周期一般很长，因此通常采用釜式反 应器（发酵罐），实行间歇操作。个别情况（发酵周期短、菌种稳定性高、杂菌污染 影响小）也有用多级串联的发酵罐组进行连续操作。对酶反应过程，可选择的反应器类型较多，可根 据反应特性（米氏常数的大小、是否存在底物或产物 的抑制等）来决定究竟是采用连续釜式还是连续管式 反应器。动.植物细胞培养的反应器基本上进行间歇操作,在要求高密度培养时也可以采用灌注操作（连续注入 营养液和排出不含细胞的培养液）反应条件的选择对生化反应过程来说也是至为重要 的。为此应加强生化反应工程的研究，完善有关参数 检测及过程控制系统的配置。D产物的分离纯化这一部分工序也常称为下游加工过

6、程，包括用适 当的方法和手段将含量甚少的目的产物从反应液（指 从外产物）或细胞中（指胞内产物）初步提取出来， 然后再用进一步的方法和手段加以精制使之达到最后 产品的要求。上述有关方法、手段包括：过滤、离心、蒸发、干燥等;滤反渗析、絮凝、萃取、吸附.层析、蒸憾、电泳、 等电点沉淀、盐析、结晶會；化学方法离子交换、化学沉淀等;生物方法一一亲和层析、免疫层析等。1.3.2微生物工程要解决的问题A:如何选择物料：碳源，氮源，微量元素和牛 长因子及其比例。B:如何确定发酵条件：发酵级数，参数，提高 效益。C:如何防止污染：保证发酵顺利进行。D：如何选样合适的提取工艺。物理方法研磨、高用匀桨（以上用丁细胞

7、破碎）、物理化学方法冻溶（用于细胞破碎）、透析、超1.4生物技术的发展简史（五个历史阶段）1.4.1传统（古老）的发酵技术一天然发酵公元前4000多年古埃及人已经能做面包o公元前2500年古巴尔干人做酸奶。酿酒制醋是人类最早通过实践所掌握的生产技术之一。商周的青铜酒器夏二里头文化时期的铜制酒器特点:只知其然,不知其所以然没有理 论指导，全凭经验生产.公元前4000多年20世纪20年代1.4.2近代发酵技术的建立（纯培养技术）1680年荷兰人列文霍克（Leeuwenhoek）制成了能 放大200-300倍的显微镜，人们才知道微生物的存在1857年法国著名生物学家巴斯德（Pasteur）用实 验证

8、明了酒精发酵是由活的酵母引起的，其它不同的 发酵产物则由不同微生物的作用而形成。并发明了巴 氏灵菌法1897年德国的科赫（R Kodi）发明了固体培养基 分离微生物的方法。同时丹麦人汉逊（Hansen）研究成 功了啤酒酵母的纯粹培养法。开创了人为控制微生物 的时代.从】9世纪末到20世纪30年代，不少工业发酵过程 陆续出现，开创了工业微生物的新世纪。特点:初步建立了人工控制环境条件 的发酵系统，使发酵生产由手工作坊 向大型工业化生产转变20 世纪 20 年代基本形成143深层通气培养技术的建立是微生物发酵技术的第一次革命，产品开始出现于 本世纪40年代。1928年由英国弗莱明发现青霉素。在 二

9、战期间,在辉瑞(Phizer)率先采用深层液体通气培养 技术生产出青霉素。不久，链霉素、金霉素、新霉素等相继问世。抗 生素工业的兴起，标志着工业微生物的生产进入了一 个新的阶段1940年至今特点:取代了固体和表面发酵方式，并由此诞生了一个 新的学科一微生物发酵工程产品:抗生素，氨基酸,酶制剂和有机酸等.1.4.4人工诱变育种与代谢控制技术通过人工诱变使正常菌株突变为营养缺陷型菌株，使 此种菌株产生其它氨基酸途径中的酶缺失，而只保留甚 至强化目标氨基酸途径的酶这一菌株就会单一地形成 目标氨基酸.1955年日本生物学家木下祝郎成功地用谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium(Corynebac

10、terium glutamicum)glutamicum)发酵生产获得了谷氨酸是微生物发酵技术的第二次革命1.4.5基因工程与克隆技术的应用这一代生物技术产品的特点是运用了现代生物技 术一DNA重组技术.细胞融合技术等的成果而进行 生产的产品。1953年美国的华生Watson）及科里克（Crick）发现TDNA的双螺旋结构，为DNA的重组奠定了基础。1974年美国的波依耳（Boyer）和科恩（Cohen） 首次在实验室中实现了基因转移，为基因工程启开了 通向现实的大门，而使人们有可能在实验室中组建按 人们意志设计出来的新的生命体。所谓基因工程是按人的意志把外源（目标）基因（特定的DNA片段）在

11、体外与载体DNA质粒、嗜菌 体等嵌合后导入宿主细胞，使之形成能复制和表达 外源基因的克隆（Cion无性繁殖系或重组体）， 这样我们就可以通过这些重组体的培养而获得所需要 的目标产品。1975午英国的科勒及米尔斯坦发明了杂交瘤技术, 它们的产品是单克隆抗体（MAb）,可用作临床诊断 试剂或生化治疗剂，这是一大类现代生物技术产品。原生质体（去除细胞壁后的细胞体）融合技术可用 于分类学中亲缘较远的生物体细胞之间的杂交，这对 农作物品及牲畜品种的改良具有巨大的潜力。当然它 也适用于工业微生物的性能改良。1976年，美国第一家基因工程公司成立,1982年美国的ElMilly药厂将第一个基因工程产品胰岛素

12、投放市 场。目前，用于基因工程的宿主除了大肠杆菌、枯草杆菌.酵母等微生物外，还对某些动物细胞抱有兴趣, 虽然动物细胞培养要比微生物培养复杂得多。这是因 为以微生物为宿主而获得的目标产物，虽然其蛋白质 中的氨基酸顺序是正确的，但常因其蛋白质立体结构 有误而不具活性，需要通过重折叠后才能获得目标产 物。而由动物细胞进行表达时所获目标产物不存在上述缺点，为此基因工程推动了动物细胞培养技术的发 展。基因工程技术的应用是微生物发酵技术的第三次革命1.5微生物工程的应用该技术经历了数千年的发展，至今已达到可 以用细胞融合和 DNA 重组等现代生物技术，从细胞水平和分子水平改良已有生物品种和组建 新的生物品

13、种的地步，这将在较大幅度中提高农业（包括农、林、牧、渔业）的质量和产量,以及利用生物资源为原料或应用生物技术为手段的工业（包括食品、医药、轻工、化工等） 赋予新的生命力。1.5.1生物技术在食品工业中的应用这是生物技术最早开发应用的领域，其中包括传 统的含醇饮料、调味品.乳制品等，至今其产量和产 值还占生物技术的首位。用近代发酵或酶反应技术生产的食品原料葡萄糖. 麦芽糖.果一葡糖浆.甘露糖醇己六醇低热值 甜味剂）、脂肪等。食品添加剂新型发酵饮料活性乳酸饮料。1.5.2生物技术在医药工业中的应用生物技术在医药方面的应用是最为关注的领域之 一，特别是现代生物技术的应用常集中于医药方面。 这是因为医

14、药产品的价格较高，容易使产品在经济上 受益，另外也由于人们都期望有一些高效药物问世。通过生物技术生产或已在实验室获得较好结果的 医药产品为数很多，现分别介绍如下：A各种抗生素B各种氨基酸C维生素D當体激素縉体激素化学合成过程中有若干步可用微生物的 生物转化来完成。E生物制品生物制品是指含抗原的制品。由减毒或死的病毒或立克次体制造的疫苗，它们均被用于预防、诊断或 治疗传染病。F单克隆抗体由于单克隆抗体对有关抗体具有高度亲和性，故 可用来制备诊断试剂盒。在今后研制出人一人或人一 鼠单克隆抗体后，还可用于治疗。特别是可作为能驱 病灶导弹药物的运载工具。此外，单抗还可用于亲和 层析以纯化抗原物质或用于

15、免疫分析和菌种鉴别。G其它（1）治疗用酶（2）酶抑制剂（3）核昔酸产品（4）制药工业用酶（5）其它发酵药物1.5.3生物技术应用于轻工、食品用酶的生产下列各种酶均可从微生物中获得：蛋白酶果胶酶水解果类中的果胶物质。脂肪酶将脂肪分解为廿油及脂肪酸。 凝乳酶将乳屮蛋门质凝I占I生产干酪。过氧化氢酶能将分解为HJ）及O“1.5.4生物技术应用于化工能源产品的生产 利用发酵、生物转化或酶法生产下列产胡 烷炷甲烷有机酸多糖在能源产品和新能源开发中，有关微生物产氢和 生物电池目前也在探索中。1.5.5生物技术在农业生产中的应用生物技术在农业(包扌舌农、林、牧、渔业)生产 中有着及溶I分广阔的潜在发展前途，

16、这主要是指应川现 代牛物技术对卞要农作物、牲畜、水产品进行品种改 良或组建新品种。生物技术的发展为农业生物技术开辟了新的天地, 其主要应用于：(1)无性快速繁殖 利用呆些植物组织，特別是未经 分化含有所有基因信息的幼芽组织，经细胞培养后获 得的愈伤组织加以扩人培养，进而获得人量的植株。(2)脱毒植株的获得通过未受病菌侵袭的顶端分生 组织的细胞培养，进而获得无毒植株。也可通过愈伤 组织或总浮细胞川植物毒索筛选抗性细胞。(3)单倍体育种利用花粉细胞培养，进而培冇单倍体植株。然后用秋水仙素等处理，使单-倍休植株的染色体加倍，成为纯种二倍体。单倍体植株只冇一套染 色体，故遗传性单一，无分离现象。(4)

17、原生质体融合对用不同种间、属间以至种间的 生物的原生质体进行融合以获得杂交体细胞。(5)人工种子 用人丄种皮包埠体细胞胚状体或芽、 鳞.茎而制成的令高度萌发性能并能成为植株的“种 子”，可使性能优良的植物品种得以人规模种植。(6)优良牲畜的扩大培养扩大培养优良牲畜可用胚 胎移植.胚胎分割.受精卵注射生长激素等方法。核 移殖、染色体组改造等F段也可丿IJ于畜种、鱼种改良 及性别控制。(7)植物品种改良人们对基因工程用于植物品种改 良寄以很大的希望，如将抗性(抗寒、抗旱.抗高温、 抗涝、抗盐、抗病虫害)基因或植物蛋白贮藏基因、固氮基因等导入植物体细胞并获得表达，这将对农业 生产产生巨大的影响。但目

18、前对上述基因的了解很不 够，对如何将这些基因导入体细胞是一困难。目前已 知的或可行的基因运载体有Ti质粒、Ri质粒.转座子 和噬菌体。常规的工业微生物产品也可用于农业。近年来，还发现某些微生物除草。固氮菌、钾细菌、磷细菌、抗生菌制剂作为辅助肥料及抗菌增产剂用于农业。食用和药用真菌也是一种农副产品，主要品种有蘑菇.草菇.香菇.枸菌.猴头菌、灵芝、银耳、木耳等。1.5.6生物技术在环境保护中的应用自然界本身就存在着碳和氮的循环，而微生物在对生物物质的排泄物及尸体的分解起着重要的作用。 利用生物技术手段处理生产和生活中的有机废弃物， 加速了这一分解过程的进行，且可对环境卫生作出很 大的贡献。嫌气发酵法残