微生物工程概論

1、第一章 微生物工程概論1-1 微生物工程研究領(lǐng)域現(xiàn)狀與研究內(nèi)容1.1.1 微生物工程是生物工程科學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科微生物工程（microbial engineering）是研究微生物生長代謝活動(dòng)規(guī)律在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)上應(yīng)用的科學(xué)。它在不同的范圍內(nèi)以研究菌種的特性和選育、培養(yǎng)基的特性和選擇，微生物的代謝與控制、發(fā)酵工藝控制、微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、染菌的防治與控制和產(chǎn)品分離提純工藝控制以及單元操作等為主要內(nèi)容。微生物工程是當(dāng)今生物工程學(xué)的重點(diǎn)，微生物工程是21世紀(jì)生物工程發(fā)展的重要組成部分?？梢灶A(yù)見，微生物工程的研究將越來越深入，并將成為21世紀(jì)生物工程科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。微生物工程是多層次、非線性

2、、多側(cè)面的復(fù)雜工程體系，而微生物是微生物工程的最基本單位，工業(yè)化過程的現(xiàn)象都要從微生物及其生長代謝調(diào)控中尋找答案。微生物工程的研究是生物工程的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代生物科學(xué)發(fā)展的重要支柱。微生物的生長遺傳發(fā)育，代謝調(diào)控等重大活動(dòng)現(xiàn)象的研究都要以微生物細(xì)胞為基礎(chǔ)。以基因工程為主的現(xiàn)代生物技術(shù)主要是通過對(duì)細(xì)胞操作為基礎(chǔ)而進(jìn)行的。因此，微生物工程與輕工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、化工、環(huán)境保護(hù)等發(fā)展有關(guān)密不可分的關(guān)系，它將解決人類面臨的重大問題，促經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮重要的基礎(chǔ)作用。由于分子生物學(xué)和基因工程概念、方法與技術(shù)的引入，微生物工程在近幾年取得了突破性的進(jìn)展，產(chǎn)生了許多新的生長點(diǎn)，并逐步形成新的概念與新的領(lǐng)域。許

3、多科學(xué)家認(rèn)為，在21世紀(jì)，微生物工程將繼續(xù)迅猛發(fā)展，其原因它是生物工程不可缺少的“主角”。微生物工程是在生產(chǎn)實(shí)踐中和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)歸納，逐步上升的理論，再用這些理論指導(dǎo)生產(chǎn)取得的。但是，生產(chǎn)放大方法中出現(xiàn)的某些實(shí)際問題尚無完善的理論指導(dǎo)；連續(xù)發(fā)酵的理論雖然很多，但實(shí)際生產(chǎn)的許多問題目前仍未能很好解決等等。假如不重視微生物工程的基礎(chǔ)研究，勢(shì)必是影響21世紀(jì)生物工程的整體發(fā)展速度。為此，我們應(yīng)十分重視這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究?？梢愿爬ǖ卣f，微生物工程是應(yīng)用現(xiàn)代微生物學(xué)與基因工程的技術(shù)成就和化工原理的概念和方法，以微生物作為生長繁殖、代謝調(diào)控活動(dòng)的基本單位的出發(fā)點(diǎn)，探索工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)規(guī)律的學(xué)

4、科，其核心問題在于比似放大及過程的管理兩部分。應(yīng)當(dāng)指出，微生物工程是一門正在興起和發(fā)展的新興學(xué)科，與其他學(xué)科相比，還不具備完整的學(xué)科體系，其研究內(nèi)容與范疇往往與生物工程的其他學(xué)科交錯(cuò)在一起，目前甚至很難為微生物工程劃出一個(gè)明確的界線。 微生物工程領(lǐng)域國內(nèi)外現(xiàn)狀微生物工程是生物技術(shù)的重要內(nèi)容之一，是生物細(xì)胞產(chǎn)物通向工業(yè)化的必經(jīng)之路。在生物技術(shù)與現(xiàn)代化工程技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型工程技術(shù)，不僅為傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)、傳統(tǒng)醫(yī)藥工業(yè)的改造及新型的生物技術(shù)工業(yè)提供了高效的生物反應(yīng)器、新型分離技術(shù)和介質(zhì)以及現(xiàn)代的工程裝備技術(shù)，還提供了生產(chǎn)設(shè)備單元化、工業(yè)過程最優(yōu)化、在線控制自動(dòng)化、系統(tǒng)綜合沒計(jì)等工程概念與

5、技術(shù)以及用于生物過程優(yōu)化控制的基礎(chǔ)理論。生物化工技術(shù)在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面起著重要作用，使生物技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛。微生物在高新技術(shù)研究中，發(fā)揮了極重要的作用如為基因工程的研究提供的質(zhì)粒、粘粒和病毒載體及限制性內(nèi)切核酸酶、連接酶、磷酸酶、磷酸激酶以及醫(yī)學(xué)診斷和發(fā)酵過程檢測(cè)用的生物傳感器和用于微電子中的生物芯片等。微生物工程的下游加工由多種化工單元操作組成。由于生物產(chǎn)品品種多，性質(zhì)各異，故用到的單元操作很多，如沉淀、萃取、吸附、干燥、蒸餾、蒸發(fā)和結(jié)晶等傳統(tǒng)的單元操作，以及新近發(fā)展起來的單元操作，如細(xì)胞破碎、膜過濾技術(shù)和色層分離等。一些新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的使用，大大提高了生物技術(shù)產(chǎn)品的

6、產(chǎn)量和質(zhì)量。微生物工程是指利用微生物的特定性狀，通過現(xiàn)代工程技術(shù)，在發(fā)酵罐中生產(chǎn)有用物質(zhì)的一種技術(shù)系統(tǒng)。微生物工程是化學(xué)工程與生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是生物技術(shù)的重要分支，是生物加工與生物制造實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的核心技術(shù)。與傳統(tǒng)化學(xué)工程相比，發(fā)酵工程有某些突出特點(diǎn)：主要以可再生資源作原料；反應(yīng)條件溫和，多為常溫、常壓、能耗低、選擇性好、效率高的生產(chǎn)過程； 環(huán)境污染較少；投資較??； 能生產(chǎn)目前不能生產(chǎn)的或用化學(xué)法生產(chǎn)較困難的性能優(yōu)異的產(chǎn)品。由于這些特點(diǎn)，發(fā)酵工程已成為工業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)，微生物工程產(chǎn)品包括各種抗生素、氨基酸、維生素、有機(jī)酸等與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的產(chǎn)品。微生物工程技術(shù)主要包括提供高性能

7、生產(chǎn)菌種的菌種技術(shù)、實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品的發(fā)酵技術(shù)及最終獲得合格產(chǎn)品的分離提取技術(shù)。進(jìn)行發(fā)酵工程關(guān)鍵技術(shù)及重大產(chǎn)品的研究開發(fā)，將發(fā)揮中國豐富的生物資源優(yōu)勢(shì)，提高發(fā)酵工程的技術(shù)水平，促進(jìn)食品加工、生物化工、生物醫(yī)藥等相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭力和可持續(xù)發(fā)展。.1世界微生物工程的發(fā)展現(xiàn)狀從世界范圍的發(fā)展情況看，生物技術(shù)己成為發(fā)達(dá)國家科技競(jìng)爭的熱點(diǎn)。美國、日本和歐洲主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)競(jìng)相開展了生物技術(shù)的研究和開發(fā)工作，許多國家建立了一系列的生物技術(shù)研究組織，制定了近期和中長期的發(fā)展規(guī)劃，在政策和資金上給予大力支持。企業(yè)界也紛紛投入巨資進(jìn)行生物技術(shù)的開發(fā)研究，取得了系列的重大成果，從而使生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化得到

8、迅速的發(fā)展。微生物工程發(fā)展至今已經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，目前已形成了一個(gè)完整的工業(yè)技術(shù)體系，整個(gè)微生物工程行業(yè)也出現(xiàn)了一些新的發(fā)展態(tài)勢(shì)。最早主要是生產(chǎn)抗生素；隨后是氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、甾體激素的生物轉(zhuǎn)化、維生素的生物法制備、單細(xì)胞蛋白及淀粉糖等工業(yè)化生產(chǎn)。20 世紀(jì)70 年代初第一次出現(xiàn)石油危機(jī)后，西方各發(fā)達(dá)國家積極尋找替代能源的同時(shí)，加大了對(duì)生物技術(shù)發(fā)展的投入，開發(fā)可再生資源的利用技術(shù)，使微生物工程的應(yīng)用領(lǐng)域得以進(jìn)一步拓展。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的興起，微生物工程的應(yīng)用已涉及國計(jì)民生的方方面面，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、輕化工原料生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、環(huán)境保護(hù)、資源和能源的開發(fā)等各領(lǐng)域。當(dāng)代，隨著生物工程上游技

9、術(shù)的進(jìn)步以及化學(xué)工程、信息技術(shù)和生物信息學(xué)（bioinformatics ）等學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，微生物工程迎來了又一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)期。面對(duì)新技術(shù)革命的興起，化學(xué)工業(yè)作為傳統(tǒng)的基礎(chǔ)工業(yè)，不可避免地面臨著生物新技術(shù)的挑戰(zhàn)，隨著基因重組、細(xì)胞融合、酶的固定化等技術(shù)的發(fā)展，微生物工程技術(shù)不僅可提供大量廉價(jià)的化工原料和產(chǎn)品，而且還有可能改善某些化工產(chǎn)品的傳統(tǒng)工藝，出現(xiàn)少污染、省能源的新工藝，甚至合成一些性能優(yōu)異的新型化合物。微生物工程技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)生物技術(shù)和化工生產(chǎn)技術(shù)的變革和進(jìn)步，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此微生物工程技術(shù)將在21 世紀(jì)有著輝煌的前景。由于微生物工程應(yīng)用面廣，涉及行業(yè)多，所以應(yīng)用

10、微生物工程技術(shù)的企業(yè)較多。據(jù)報(bào)道，目前美國生物技術(shù)企業(yè)有1200 多家，西歐有580多家，日本有300多家。其中既有ADM 公司、諾維信（原諾和諾德）公司等專門以發(fā)酵工程技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)各種產(chǎn)品的公司，也有DSM 公司、漢高公司等利用大規(guī)模發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)部分產(chǎn)品的公司，還有在某一方面有專長的公司如生產(chǎn)基因重組蛋白質(zhì)的Amgen公司等。生命科學(xué)已成為新世紀(jì)最具活力的領(lǐng)域之一，世界大公司正在把注意力向生命科學(xué)部分轉(zhuǎn)移，生物技術(shù)正在從食品、醫(yī)藥、農(nóng)產(chǎn)品這些傳統(tǒng)領(lǐng)域向化工、塑料、燃料和溶劑等工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展，尤其是微生物工程技術(shù)在向傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)延伸，這必將給化學(xué)工業(yè)帶來巨大的變革。近年來許多國家對(duì)利用生物技

11、術(shù)生產(chǎn)塑料和燃料的研究力度都在加大。對(duì)于塑料生產(chǎn)廠家而言，用植物這樣的可再生資源來取代以石油為基礎(chǔ)的原料，發(fā)展前景極為誘人。樹脂生產(chǎn)廠家不再依靠化石燃料的有限供應(yīng)，可降解性的生物高分子可以變成肥料，不僅節(jié)省了填埋場(chǎng)所占的土地面積，而且更有利于環(huán)境保護(hù)和工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。從玉米、高粱或其他植物獲取的淀粉和糖，是目前正在開發(fā)的幾種生物化學(xué)新工藝的基礎(chǔ)原料。例如，日本三井化工正在生產(chǎn)用于農(nóng)用地膜、瓶子和耐熱容器等生物包裝材料的LaceaPLA 。他們還在研究完全由賴氨酸、天冬氨酸等氨基酸構(gòu)成的生物高分子，并已開發(fā)出一種專有的工藝技術(shù)。這種工藝采用經(jīng)基碳酸、二醇、二羧酸等共聚單體生產(chǎn)聚醋。另外，環(huán)保型

12、的醋類溶劑也可以來自植物，它們將能取代大約80的現(xiàn)有的有毒性的石油溶劑。國外科學(xué)家于1999年就已獲得這項(xiàng)技術(shù)的專利權(quán)。這項(xiàng)專利技術(shù)可從碳水化合物原料中提取出高純度乳酸醋，并使生產(chǎn)成本降低一半，大大節(jié)約了能源，減少了揮發(fā)性排放物。.2國內(nèi)微生物工程的發(fā)展現(xiàn)狀我國微生物發(fā)酵工業(yè)也有著悠久的歷史。解放后，微生物在工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用迅速發(fā)展。不僅對(duì)傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)作了科學(xué)的總結(jié)不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量與革新工藝而且在全國范圍內(nèi)先后興建了不少新的工廠和專業(yè)研究機(jī)構(gòu)高等院校也設(shè)置專業(yè)培養(yǎng)這方面的專業(yè)技術(shù)人才從事酒精、溶劑、抗生素、有機(jī)酸、氨基酸、酶制劑、激素、維生素、核苷酸發(fā)酵等方面的研究與生產(chǎn)。石油微生物脫蠟

13、的推廣以石油為原料的檸檬酸發(fā)酵、谷氨酸發(fā)酵和反丁烯二酸發(fā)酵的研究，都取得了一定進(jìn)展。最近糖質(zhì)原料以高滲透酵母發(fā)酵生產(chǎn)甘油又獲成功。我國微生物工業(yè)已經(jīng)迅速發(fā)展成為一門新興工業(yè)經(jīng)過長期發(fā)展已有一定基礎(chǔ)，并一直持續(xù)快速發(fā)展。特別是改革開放以后，微生物工程的發(fā)展進(jìn)人了一個(gè)嶄新的階段，不同品種雖然發(fā)展速度不一，但大都呈幾倍乃至數(shù)十倍的增長，目前微生物工程產(chǎn)品涉及醫(yī)藥、保健、農(nóng)藥、食品、飼料、有機(jī)酸等各個(gè)方面。但是由于基礎(chǔ)薄弱，條件較差因此與世界先進(jìn)技術(shù)相比差距還是大的。由于國內(nèi)生物產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化程度低、科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的周期長、速度慢，技術(shù)水平和裝備水平還有待進(jìn)一步提高，缺少一支強(qiáng)大的生物化工技術(shù)企業(yè)

14、隊(duì)伍，對(duì)生物化工產(chǎn)品的開發(fā)投資不夠、投資渠道單一、缺乏應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)支撐，所以我國的微生物發(fā)酵總體技術(shù)水平與國外的差距較大，產(chǎn)品生產(chǎn)成本明顯高于國外，既難以進(jìn)人國際市場(chǎng)參與競(jìng)爭，也難以抵擋國外產(chǎn)品進(jìn)人國內(nèi)市場(chǎng)。國內(nèi)微生物發(fā)酵產(chǎn)品總體生產(chǎn)規(guī)模較小，產(chǎn)品在競(jìng)爭中處于不利地位，因此發(fā)酵產(chǎn)品的開發(fā)，應(yīng)該堅(jiān)持規(guī)模經(jīng)濟(jì)的原則。在發(fā)展戰(zhàn)略上，應(yīng)選擇一些達(dá)到國際水平的生物化工和精細(xì)化工項(xiàng)目作為開發(fā)重點(diǎn)，以帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。重點(diǎn)開發(fā)的項(xiàng)目應(yīng)具備以下條件：已有較大的生產(chǎn)規(guī)模，市場(chǎng)容量和潛力較大；技術(shù)上比較成熟，與國外差距較小，有規(guī)模化的可能性；有代表性的骨干產(chǎn)品，能形成產(chǎn)品鏈，具有帶動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的示范作用。這

15、樣就能逐步解決我國生物產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率低、應(yīng)用開發(fā)能力差、難以形成產(chǎn)業(yè)鏈等問題。我國的微生物發(fā)酵工業(yè)正面臨著既要推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)革命，又要迎頭趕上世界新技術(shù)革命的現(xiàn)狀。發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展必須要有超前意識(shí)，政府應(yīng)從機(jī)制、稅收、金融等方面予以扶持，積極創(chuàng)造條件，在有選擇地引進(jìn)消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)成果的同時(shí)，以微生物發(fā)酵工程、酶工程和生化工程的開發(fā)為重點(diǎn)，以工程和裝備及放大技術(shù)為突破口，逐步開展基因工程和細(xì)胞工程等基礎(chǔ)研究，建立高效能的科研開發(fā)體系，大力培養(yǎng)并建立企業(yè)的開發(fā)力量，為新世紀(jì)開創(chuàng)發(fā)酵工程及其產(chǎn)業(yè)新局面奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.1.3 微生物工程主要研究內(nèi)容微生物工程是利用微生物生長代謝活動(dòng)產(chǎn)

16、生的各種生理活性物質(zhì)來生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品，它包括從投入原料到最終產(chǎn)品獲得的整個(gè)過程。微生物工程就是要研究和解決整個(gè)工程中的工藝和設(shè)備問題，將實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)中型實(shí)驗(yàn)所取得的成果迅速擴(kuò)大到工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中去。微生物工程研究與教學(xué)內(nèi)容一般可分為微生物細(xì)胞和過程管理兩大部分，但它們又不能截然分開。由于分子生物學(xué)和基因工程原理的概念、原理和方法的引入，使微生物育種發(fā)生了巨大的變化，不僅使研究更加深入，對(duì)微生物細(xì)胞的活動(dòng)規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制的研究也取得長足發(fā)展，極大地豐富與改變了育種的方法和措施。當(dāng)前微生物工程研究內(nèi)容大致歸納為以下諸多領(lǐng)域：1.1.3.1微生物菌種、菌種選育的研究微生物的菌種是微生物工程的基礎(chǔ)，也

17、是微生物工程的動(dòng)力源。優(yōu)良菌種的選育是提高產(chǎn)品收得率的前體，也是微生物工程的核心部分，菌種選育方法的選擇使用是優(yōu)良菌種獲得的關(guān)鍵。因此，微生物工程目前的核心課題之一就是研究菌種與菌種選育方法的關(guān)系，以及如何獲得高產(chǎn)、優(yōu)良、遺傳穩(wěn)定的突變株，它也是分子生物學(xué)、遺傳工程細(xì)胞工程在細(xì)胞水平與分子水平上相結(jié)合的最活躍的熱門課題。1.1.3.2微生物的代謝調(diào)節(jié)和代謝工程的研究代謝控制就是用遺傳學(xué)的方法或其生物化學(xué)的方法，人為地在分子生物水平上，改變和控制微生物的代謝，使有用的產(chǎn)物大量生產(chǎn)、積累。代謝控制的關(guān)鍵，取決于控制機(jī)制是否能夠被解除，能否打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)，來人為控制微生物的代謝。由于代謝圖

18、的確立分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的發(fā)展，可以在DNA分子水平上改變微生物的代謝，使微生物的菌學(xué)性質(zhì)，按人為的目的發(fā)展，合理控制環(huán)境條件，加強(qiáng)科學(xué)化管理，進(jìn)行最優(yōu)化控制。目前，采用代謝途徑的研究，通過基因工程、細(xì)胞工程等手段創(chuàng)造新型微生物突變株是現(xiàn)代微生物工程的重要課題之一。它們的突破畢竟獲得新的產(chǎn)品、新的工藝、新技術(shù)、新理論。1.1.3.3培養(yǎng)基的研究微生物的生長、繁殖、代謝和合成都是通過微生物培養(yǎng)來實(shí)現(xiàn)的，研究培養(yǎng)基地的組成與配比，不僅可控制微生物生長繁殖的環(huán)境條件，而且是研究微生物代謝與合成，產(chǎn)品的提煉與質(zhì)量提高的重要途徑，目前微生物培養(yǎng)的研究主要是，一是培養(yǎng)基最基本的成分要求與生產(chǎn)培養(yǎng)基的最

19、基本成分要求以及它們之間的差別，二是培養(yǎng)基的環(huán)境條件，并通過改變培養(yǎng)環(huán)境條件的改變對(duì)微生物代謝控制的影響，三是培養(yǎng)基正在從糖質(zhì)原料轉(zhuǎn)到利用石油、天然氣、空氣及纖維素新資源，更為遠(yuǎn)大目標(biāo)是利用碳酸氣、氫、氧等的研究，開辟原料新途徑。1.1.3.4發(fā)酵工藝控制研究發(fā)酵工藝控制是微生物工程的基礎(chǔ)。逐年發(fā)酵工藝控制是研究已越來越顯示出其重要性，也是微生物工程、細(xì)胞工程遺傳工程的重要會(huì)合點(diǎn)。近代生物工程的發(fā)展，尤其是分子生物學(xué)，遺傳達(dá)室工程，細(xì)胞工程和發(fā)酵工程設(shè)備的完善與建立已為發(fā)酵工藝控制的研究奠定了良好的基礎(chǔ)，也是近年發(fā)酵工藝控制蓬勃發(fā)展的重要原因。一個(gè)優(yōu)良的菌種通過發(fā)酵工藝控制如何獲得產(chǎn)品為復(fù)雜的

20、綜合體，是生物工程與生物技術(shù)學(xué)科中引人入勝的主要課題之一。由于發(fā)酵工藝控制影響因素和發(fā)酵理論的全面提示，發(fā)酵工藝向大型發(fā)酵、連續(xù)化、自動(dòng)化方向發(fā)展，為控制發(fā)酵的計(jì)算機(jī)控制發(fā)酵展示誘人的前景。多數(shù)研究人員認(rèn)為，發(fā)酵工藝控制實(shí)現(xiàn)全面計(jì)算機(jī)化是必然結(jié)果。1.1.3.5下游加工技術(shù)的研究先進(jìn)的下游加工技術(shù)研究是微生物工程工業(yè)化的關(guān)鍵。下游加工技術(shù)研究不僅可實(shí)現(xiàn)微生物工程的工業(yè)化，而且使工業(yè)化產(chǎn)品獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，下游加工技術(shù)研究不僅有純理論的研究，而且包括各種具體單元操作的研究。雖然單元操作與化學(xué)工程有共性，但仍存在著特殊性，原因是微生物工程是培養(yǎng)和處理活的有機(jī)體，因此，也可以認(rèn)為，微生物工程是微生

21、物工業(yè)發(fā)酵應(yīng)用化學(xué)工程有關(guān)理論和單元操作而發(fā)展成為具有新的特點(diǎn)的一門科學(xué)。1.1.4當(dāng)前微生物工程研究的總趨勢(shì)與重點(diǎn)領(lǐng)域微生物工程與分子生物學(xué)、基因工程、細(xì)胞工程、酶工程相互滲透與交融是總的發(fā)展趨勢(shì)。無論是對(duì)微生物特性與功能的深入研究，還是對(duì)微生物活動(dòng)規(guī)律的探索，都需用分子生物學(xué)的新概念、新方法，在分子水平上進(jìn)行研究。換言之，微生物分子生物學(xué)將是今后研究的主流。1.1.4.1當(dāng)前微生物工程研究中的基本問題與發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前微生物工程研究的課題歸納起來是研究六個(gè)根本性問題：1.1.4.1.1 菌種技術(shù)微生物菌種應(yīng)用開發(fā)技術(shù)即菌種技術(shù)是其中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。菌種技術(shù)包括從自然界中得到生產(chǎn)目的產(chǎn)物菌種的菌

22、種篩選技術(shù)、提高菌種生產(chǎn)性能的菌種選育技術(shù)及保證菌種生產(chǎn)能力長時(shí)間維持的菌種保藏技術(shù)。代謝調(diào)控機(jī)制如何指導(dǎo)微生物育種工作？我們能否打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)，來人為控制微生物的代謝工程菌構(gòu)建并用于生產(chǎn)。這也是微生物作為生命活動(dòng)的基本單位的奧妙所在，因此發(fā)展高效、快速的菌種篩選技術(shù)是一項(xiàng)長期的科研任務(wù)。微生物細(xì)胞的生命活動(dòng)的有序性是十分復(fù)雜的是非線性調(diào)控過程。這種調(diào)控是任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都無法比擬的。1.1.4.1.2 微生物營養(yǎng)物質(zhì)的資源開發(fā)主要是利用石油、天然氣、空氣及纖維素資源，這是21世紀(jì)極富挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。它對(duì)于開辟人類未來糧食資源，燃燒廢氣中物資回收以及解決公害具有很大意義。它們是新興微生物

23、工程的重要組成部分。1.1.4.1.3 微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型理論研究和生物傳感器的研究涉及到發(fā)酵過程中菌體濃度、基質(zhì)濃度、溫度、pH值、溶解氧等工藝參數(shù)。它們是如何調(diào)控發(fā)酵的？發(fā)酵動(dòng)力學(xué)為探索發(fā)酵中各種因素的作用和最佳控制開辟新的前景，其模型理論研究為比似放大提供理論依據(jù)。這方面的研究正方興未艾。1.1.4.1.4 微生物工程的發(fā)酵技術(shù)一是發(fā)酵培養(yǎng)基制備技術(shù)，原料來源和價(jià)格；滅菌技術(shù)包括工藝路線、滅菌時(shí)間和溫度，其發(fā)展趨勢(shì)是將發(fā)酵和提取結(jié)合綜合考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)成本來開發(fā)培養(yǎng)基制備的技術(shù)；二是發(fā)酵過程控制優(yōu)化技術(shù)是在現(xiàn)有的菌種或基因工程菌的基礎(chǔ)上，在發(fā)酵罐中通過操作條件的控制

24、或發(fā)酵裝備的適當(dāng)改造達(dá)到發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)最優(yōu)，即生產(chǎn)能力最大或經(jīng)濟(jì)效益最高或產(chǎn)品質(zhì)量最好；三是發(fā)酵過程配套的技術(shù)，涉及到空氣壓縮過濾技術(shù)、攪拌器的配套技術(shù)、制冷技術(shù)等，包括水、電、氣、汽等的動(dòng)力成本占發(fā)酵生產(chǎn)成本的40%60%，而由于攪拌軸機(jī)械加工技術(shù)落后，使發(fā)酵罐容積難于突破200m3。發(fā)酵過程控制優(yōu)化指的是在已經(jīng)提供的菌種或基因工程菌基礎(chǔ)上，在發(fā)酵罐中通過操作條件的控制或發(fā)酵罐裝備的選型改造，達(dá)到發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)最優(yōu)，即生產(chǎn)能力最大、成本消耗最低或產(chǎn)品質(zhì)量最高。當(dāng)前中國在傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)上有關(guān)發(fā)酵產(chǎn)品的品種和生產(chǎn)量已經(jīng)處于世界第一的地位，但是由于發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù)研究和應(yīng)用滯后的原因，許多產(chǎn)品的生

25、產(chǎn)水平不高，與國際差距很大，因而生產(chǎn)成本高，市場(chǎng)競(jìng)爭能力弱。1.1.4.1.5 下游分離純化技術(shù) 在發(fā)酵工程中尋求操作簡單、經(jīng)濟(jì)適用的分離純化技術(shù)，已經(jīng)成為生物化工領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題之一，主要是利用現(xiàn)有的分離純化技術(shù)進(jìn)行重新組合和開發(fā)，減少操作工藝程序，降低生產(chǎn)成本。分離純化技術(shù)的研發(fā)有兩個(gè)方向，一是結(jié)合其他學(xué)科的發(fā)展開發(fā)新的分離純化技術(shù)；二是對(duì)現(xiàn)有的分離純化技術(shù)進(jìn)行重新開發(fā)，從另一個(gè)角度對(duì)現(xiàn)有的分離純化技術(shù)進(jìn)行利用，如絮凝和凝聚通常用于發(fā)酵工藝菌體去除，而國內(nèi)有報(bào)道將絮凝和凝聚用于含延胡索酸酶活菌體的收集，通過選擇適合的絮凝劑，可以最大程度地去除雜質(zhì)，保護(hù)酶的活性。新型分離純化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)

26、用，可以減少后提取工藝的操作費(fèi)用，提高后提取工藝的產(chǎn)品收率，大大降低了生產(chǎn)成本，使許多產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)成為可能，使生化過程替代化學(xué)過程成為可能。1.1.4.1.6 新技術(shù)的應(yīng)用。主要是結(jié)合其他學(xué)科的發(fā)展開發(fā)新的分離純化技術(shù)，涉及微生物學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、電子學(xué)、信息學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，任何學(xué)科的發(fā)展都可以促進(jìn)發(fā)酵工程的技術(shù)進(jìn)步。新技術(shù)的應(yīng)用與探索，將促使微生物工程產(chǎn)業(yè)邁向一個(gè)新天地。新技術(shù)的應(yīng)用包括膜分離技術(shù)、連續(xù)離子交換、連續(xù)結(jié)晶、分子蒸餾技術(shù)、氣體超臨界萃取技術(shù)等等的研究，1.1.4.2 微生物工程研究的主要課題和研究方向1.1.4.2.1 計(jì)算機(jī)控制微生物發(fā)酵過程主要計(jì)算機(jī)自

27、控系統(tǒng)的作用近年來，有關(guān)計(jì)算機(jī)在微生物工程中的應(yīng)用有很大的改變。根據(jù)微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型模擬理論作為依據(jù)來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序，使得工藝流程和發(fā)酵技術(shù)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化控制。微生物發(fā)酵機(jī)制，發(fā)酵動(dòng)力學(xué)，發(fā)酵工藝是計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)而計(jì)算機(jī)控制可促進(jìn)微生物工程的發(fā)展。因此，大量的通過微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的研究來進(jìn)行最佳發(fā)酵工藝條件的控制是研究的主要問題，而計(jì)算機(jī)如何控制工藝參數(shù)及程序的動(dòng)態(tài)變化是核心問題，計(jì)算機(jī)所起作用的大小完全取決于提供數(shù)據(jù)的分析測(cè)試儀器的可靠性精確度，以及對(duì)微生物工程的生物化學(xué)知識(shí)是否了解透徹。1.1.4.2.2 育種與分子生物學(xué)、組胚工程、遺傳工程、代謝調(diào)控之間關(guān)系及其研究微生物遺

28、傳育種的研究與分子生物學(xué)、遺傳工程、代謝調(diào)控等許多重要問題密切相關(guān)，它成為了解錯(cuò)綜復(fù)雜的微生物工程現(xiàn)象不可缺少的內(nèi)容，并成為多領(lǐng)域、多層次的紐帶，微生物遺傳育種的研究對(duì)了解微生物工程的本質(zhì)與活動(dòng)的規(guī)律有關(guān)重要的理論意義。微生物育種的研究一直是生物工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一，它的基本內(nèi)容是：突變菌株的篩選：重點(diǎn)是缺陷型菌株的篩選產(chǎn)生各種氨基酸；雜交育種：重點(diǎn)是改變產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，創(chuàng)造出新品種；質(zhì)生質(zhì)體融合技術(shù)；DNA體外重組技術(shù)；基因表達(dá)系統(tǒng)。把育種與基因表達(dá)調(diào)控聯(lián)系起來的研究是現(xiàn)代最時(shí)髦的熱點(diǎn)課題。應(yīng)當(dāng)指出，微生物育種是一項(xiàng)十分復(fù)雜而艱巨的系統(tǒng)技術(shù)，并非簡單的技術(shù)疊加組合。因此，通過代謝調(diào)控途徑

29、的指引，采用合理的育種技術(shù)，在分子水平上選育微生物新菌種將是長期的研究課題之一。1.1.4.2.3 比擬放大方法微生物工程在實(shí)驗(yàn)室里用小試試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如何在大型的生產(chǎn)規(guī)模設(shè)備里重視，是比擬放大所面臨的最基本問題。也是微生物工程迫切需要解決的問題。比擬放大方法的研究不僅可提示微生物代謝調(diào)控機(jī)制，反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、力學(xué)及傳遞現(xiàn)象的深入了解，而且可確定微生物發(fā)酵工藝條件和操作條件，加強(qiáng)模型理論的研究。實(shí)驗(yàn)室的小型試驗(yàn)中間試驗(yàn)規(guī)模大型生產(chǎn)規(guī)模這個(gè)生產(chǎn)順序仍是新產(chǎn)品、新品種投入生產(chǎn)的必經(jīng)之路。因此，比擬放大方法在微生物工程中顯得就非常之重要。當(dāng)前，比擬放大方法是所謂的半數(shù)學(xué)模型法，定全的數(shù)學(xué)模型法

30、用于比擬放大尚存在困難，也是今后研究的重點(diǎn)課題之一。1.1.4.2.4 染菌放活的研究微生物工程中由于各種發(fā)酵工藝的菌種、培養(yǎng)基、發(fā)酵條件、發(fā)酵周期及產(chǎn)物性質(zhì)不同，受污染的危害性亦不同。染菌是微生物工程的致使傷，輕者影響產(chǎn)率、產(chǎn)物種產(chǎn)量的質(zhì)量；嚴(yán)重者造成“倒罐”現(xiàn)象，破壞生產(chǎn)計(jì)劃，浪費(fèi)原材料。放活染菌的研究主要集中在：污染菌的性質(zhì)、污染的途徑、污染的時(shí)間、污染的程度和所產(chǎn)生的后果以及原因分析和避免污染的措施。尤其是準(zhǔn)確、快速的檢測(cè)方法是主要研究內(nèi)容之一。必須指出，上述諸領(lǐng)域與課題仍不能概括微生物工程的所有重大問題，還有許多方面，諸如處理污水、凈化環(huán)境、防止菌種衰退的措施，酶合成的代謝調(diào)節(jié)等，都

31、對(duì)微生物工程十分重要，而且近年來也迅速得以進(jìn)展。由于微生物是生命活動(dòng)的基本單位，又是生命的縮影，它不僅體現(xiàn)生命的多樣性和統(tǒng)一性，更體現(xiàn)生命活動(dòng)的復(fù)雜性。我們對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)，必須建立在創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)上，著力探索它們之間的關(guān)系以及活動(dòng)規(guī)律與人類所面臨的諸多問題之間的關(guān)系。為此，我們給出如下二個(gè)有關(guān)生物工程的重大問題之圖式，激勵(lì)大家去思考和研究。 生物工程之間的相互關(guān)系1-2 微生物工程與微生物工程發(fā)展簡史許多科學(xué)家認(rèn)為，可以把微生物工程的發(fā)展劃分為四個(gè)階段：從人類開始從事釀造酒、醋的時(shí)期，是以自然發(fā)酵為主的微生物工程時(shí)期；19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代，主要建立純培養(yǎng)技術(shù)；20世紀(jì)40年代到50年代

32、，主要是建立深層培養(yǎng)技術(shù)為主的微生物工程時(shí)期，這個(gè)時(shí)期由于好氣性發(fā)酵工程的建立，1947年誕生了生化工程；20世紀(jì)5060年代以來，由于DNA重組技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入現(xiàn)代微生物工程時(shí)期，微生物工程的發(fā)展史和微生物工程學(xué)科的建立與發(fā)展，大概是符合這一歷史進(jìn)程的?，F(xiàn)代微生物工程已發(fā)展到很高的水平，但它的發(fā)展遵循科學(xué)發(fā)展的普遍規(guī)律，我們有必要簡要重溫微生物及微生物工程發(fā)展的歷史，有助于我們加深對(duì)微生物工程學(xué)科的形成及歷史條件的認(rèn)識(shí)。微生物及微生物工程發(fā)展的歷史大概可劃分為如下幾個(gè)階段：1.2.1自然發(fā)酵傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)微生物發(fā)酵技術(shù)有關(guān)悠久的歷史，早在自然科學(xué)發(fā)源以前，我國勞動(dòng)人民在數(shù)千

33、年以前就懂得釀酒、制醬油、食醋等。釀酒工業(yè)是歷史上最古老的微生物工業(yè)，但那時(shí)人們并不知識(shí)微生物與發(fā)酵之間的關(guān)系，對(duì)發(fā)酵的機(jī)理尚不清楚，生產(chǎn)只能憑經(jīng)驗(yàn)依靠口傳心授，發(fā)酵過程難以控制，但實(shí)實(shí)在在地應(yīng)用著微生物。例如好氣性發(fā)酵應(yīng)用在酒類釀造、好氣性發(fā)酵應(yīng)用在釀醋與制曲，這就是古典發(fā)酵之特色，這一時(shí)期，亦稱為自然發(fā)酵時(shí)期。古代人的們雖不知微生物存在，卻早就利用它們。古代制造奶酪的技術(shù)就涉及到奶類的發(fā)酵。幾千年前中國和日本的醬油就是由發(fā)酵過的豆類制成的，在公元前6000年左右建筑的古埃及金字塔中就曾發(fā)現(xiàn)保存有面包，而面包的制造就涉及到酵母發(fā)酵。果酒的起源極為久遠(yuǎn)，中國的米酒可追溯到公元前2300年的夏禹

34、時(shí)代，據(jù)記載在公元前2000年，啤酒已盛行。1.2.2純培養(yǎng)技術(shù)的建立第一代微生物發(fā)酵技術(shù)十七世紀(jì)，荷蘭學(xué)者到文虎克（A.V. Leeuwen Hoek,1632-1723年）用設(shè)計(jì)較好地顯微鏡，第一通過顯微鏡觀察到用肉眼看不見的微生物，包括細(xì)菌、酵母等，認(rèn)識(shí)到微生物的存在，揭開了微生物的秘密。隨著微生物的發(fā)現(xiàn)，1850-1880年，法國學(xué)者巴斯德（Louis Pasteur,18221895年）通過巴氏瓶實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵原理，認(rèn)識(shí)到發(fā)酵是由微生物的活動(dòng)引起的，并證明酒精發(fā)酵是由活酵母所產(chǎn)生，各種不同的發(fā)酵產(chǎn)物是由各自不同的微生物所產(chǎn)生。隨著微生物純培養(yǎng)分離技術(shù)的初步確定，開創(chuàng)了人為控制微生物的

35、時(shí)代。通過應(yīng)用這些原理，使發(fā)酵的腐敗現(xiàn)象大大減少。十九世紀(jì)90年代德國學(xué)者畢希納（Eduard Buehner,18601917年）將酵母細(xì)胞麻碎，得到酵素養(yǎng)汁仍將使糖液發(fā)酵產(chǎn)生酒精，并將這種具有發(fā)酵能力的物質(zhì)稱為酒化酶（zymase）。到世紀(jì)開始不久，又是法國學(xué)者柯赫（Robert Koch,18431910年）首先使用固體培養(yǎng)基，培養(yǎng)細(xì)菌的純培養(yǎng)物，由此建立了比較完整地微生物純培養(yǎng)技術(shù)。后來，又采用殺菌操作技術(shù)，發(fā)明了簡便的密閉式發(fā)酵缸，發(fā)酵管理工程技術(shù)得到改進(jìn)，發(fā)酵效率逐步提高。利用微生物分解代謝進(jìn)行現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模的酒類、酒清、丙酮、丁醇、甘油的生產(chǎn)，使用使得微生物工業(yè)逐漸加入了近代化學(xué)工

36、業(yè)的行業(yè)。因此可以認(rèn)為，微生物純分離培養(yǎng)技術(shù)的建立，是微生物工程發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)轉(zhuǎn)折時(shí)期。這一時(shí)期的產(chǎn)品有酵母酒精，丙酮、丁醇、有機(jī)酸、酶制劑等，就是一些嫌氣性發(fā)酵和表面固體發(fā)酵產(chǎn)生的初級(jí)代謝產(chǎn)物。1.2.3深層培養(yǎng)技術(shù)的建立第二代（近代）微生物發(fā)酵技術(shù)第二代微生物發(fā)酵技術(shù)的產(chǎn)品開始出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代。1928年由英國學(xué)者弗萊明（Fleming）發(fā)現(xiàn)的青霉素，在1940年由弗洛里（Florey）及錢恩（chain）等的實(shí)驗(yàn)，它可以抑制許多細(xì)菌的生長，到1945年大規(guī)模地投入生產(chǎn)，解決第二次世界大戰(zhàn)中對(duì)抗細(xì)菌感染藥物的燃眉之急。同時(shí)引用了搖瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)培養(yǎng)以及空氣纖維過濾的高效滅菌，

37、導(dǎo)致40年代好氣性發(fā)酵通氣攪拌工程技術(shù)的建立，即深層培養(yǎng)技術(shù)的建立，隨后鏈霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四環(huán)素等等好氣發(fā)酵的次級(jí)代謝產(chǎn)物相繼投產(chǎn)，抗生素、工業(yè)的興起，不僅使用權(quán)微生物應(yīng)用到醫(yī)藥工業(yè)方面，同時(shí)大大促進(jìn)微生物工業(yè)的發(fā)展，開創(chuàng)了好氣發(fā)酵工程?？股毓I(yè)的發(fā)展很快促進(jìn)了其它產(chǎn)物發(fā)酵的發(fā)展。最突出是20世紀(jì)50年代氨基酸的發(fā)酵工業(yè)及20世紀(jì)60年代酶制劑工業(yè)的發(fā)展及石油發(fā)酵。這時(shí)期的特點(diǎn)是：產(chǎn)品類型多，包括初級(jí)代謝產(chǎn)物：氨基酸、酶制劑、酸制劑、有機(jī)酸等；次級(jí)代謝產(chǎn)物：抗生素、多糖等分子量較基質(zhì)更為復(fù)雜；生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物：甾體化合物等；酶反就產(chǎn)物：6氨基青霉烷酸等；詳見表1-1。技術(shù)要求高主要

38、是發(fā)酵過程要求在純種或無菌條件下進(jìn)行大多數(shù)屬于好氣性發(fā)酵，在發(fā)酵時(shí)要通入無菌空氣。作為食品或藥品的產(chǎn)品，其質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。規(guī)模龐大，從發(fā)酵缸看，攪拌通氣罐大至500m3，作為這一時(shí)期的技術(shù)最高的單細(xì)胞蛋白工廠的氣升式發(fā)酵罐的容積已超過2000m3。技術(shù)發(fā)展速度快，作為發(fā)酵工業(yè)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵菌種，通過“代謝控制發(fā)酵技術(shù)”后經(jīng)過人工誘變，獲得代謝改變的突變菌株，其活力及性能獲得驚人的提高，同時(shí)，在代謝途徑控制下的發(fā)酵，選擇性大量生產(chǎn)人的所需的產(chǎn)品。此項(xiàng)工程技術(shù)已用了核工業(yè)苷酸類物質(zhì)，有機(jī)酸和部分抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)。近代分生物學(xué)、分子遺傳學(xué)研究的進(jìn)展更促進(jìn)該 項(xiàng)工程技術(shù)和工程理論的發(fā)展。

39、此外在新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備不斷更新，使其這一時(shí)期可以認(rèn)為是常規(guī)微生物發(fā)酵工業(yè)的鼎盛時(shí)期。因此，代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)的建立深層培養(yǎng)技術(shù)，是微生物工程發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第三個(gè)轉(zhuǎn)折時(shí)期。表1-1 重要的近代微生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化年代年 代產(chǎn) 品公元前40002000年公元前1000年公元前600年公元前11世紀(jì)公元前12世紀(jì)公元前17世紀(jì)公元前18世紀(jì)1880192019201940194019501950196019601970197019801980果汁釀酒、醋、醬、原始啤酒、面包發(fā)酵、奶酪醬油用霉制瘍?nèi)硕唤臃N蒸餾酒精人工栽培食用菌牛痘接種乳酸、面包酵母、甘油、丙酮、丁醇、淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶檸檬

40、酸、葡萄糖酸、蛋白酶、核黃素、山梨糖青霉素、短桿菌肽、鏈霉素、金霉素、新霉素、兩性霉素、衣康酸、纖維素酶、果膠酶、淀粉酶谷氨酸、賴氨酸、土霉素、四環(huán)素、新生霉素、紅霉素、制霉菌素、卡那霉素、絲環(huán)氨酸、慶黃霉素、曲酸、檸檬酸、葡萄糖酸、過氧化氫酶、甾體氧化產(chǎn)物、赤霉素、葡聚糖、單細(xì)胞蛋白、水楊酸葡萄糖酸、糖化酶、氨基?；浮⒅久?、乳糖酶、頭孢霉素、林可霉素、利福霉素、萬古霉素、核糖霉素、殺稻瘟菌素、多氧霉素、泰勒霉素、纈氨酸、甾提氧化物、核苷酸、生物殺蟲劑、黃原膠、石油發(fā)酵、污水處理、能源開發(fā)、細(xì)菌冶煉、單細(xì)胞蛋白博來霉素、阿霉素、殺念珠菌素、交沙霉素、西梭霉素、有效霉素、門冬氨酸、蘇氨酸、凝

41、乳酶、右旋糖苷酶、維生素C、木糖醇、蘋果酸、長鏈二元酸、普魯蘭多糖阿維霉素、苯丙氨酸、環(huán)氧乙烷、丙烯酰胺、聚羥基丁酸酯、酶抑制劑1.2.4微生物工程第三代微生物發(fā)酵技術(shù)這一代生物技術(shù)產(chǎn)品的特點(diǎn)是運(yùn)用了現(xiàn)代生物技術(shù)DNA重組技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)等的成果進(jìn)行生產(chǎn)的產(chǎn)品。1953年，美國學(xué)者華特生（watson）和科里克(Crick)發(fā)現(xiàn)了DNA的雙細(xì)旋結(jié)構(gòu)，為DNA的重組奠定了基礎(chǔ)。1974年美國的波依耳(Boyer)和科恩(Cohen)首次在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了基因轉(zhuǎn)移，為基因工程的理論和實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)?；蚬こ淌前慈说囊庵景逊窃椿颍ńY(jié)構(gòu)基因片段）在體外與截體DNA（質(zhì)粒、噬菌體等）嵌合后導(dǎo)入宿生細(xì)

42、胞，使之形成能復(fù)制和表達(dá)非源基因的克隆(clone)，以獲得基因產(chǎn)物（多肽或蛋白質(zhì)），這是生命科學(xué)發(fā)展史上的一次飛躍，進(jìn)入了定向改造生物種性的新時(shí)代。因此，這種改造微生物品術(shù)的建立，是微生物工程發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第四個(gè)轉(zhuǎn)折時(shí)期。目前，DNA重組技術(shù)已廣泛應(yīng)用微生物、動(dòng)物、植物和人類的多種生理活性蛋白?？蒲腥藛T研究出大量目的基因分離，克隆載體和克隆子的篩選和鑒定的方法，構(gòu)建出高產(chǎn)量的基因工程菌，使微生物產(chǎn)生出外源蛋白，并形成產(chǎn)品，如胰島素、生長激素、細(xì)胞因子等?，F(xiàn)代微生物工程其產(chǎn)品雖不多，但其潛力巨大，是21世紀(jì)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。用現(xiàn)代微生物工程技術(shù)改造已有的發(fā)酵工業(yè)，如氨基的工業(yè)、酶制劑工業(yè)、有機(jī)酸

43、工業(yè)、抗生素工業(yè)中的菌種改造上其潛力是很大的。有關(guān)已研究開發(fā)的現(xiàn)代微生物工程產(chǎn)品見表1-2。表1-2 已上市和一些正在研究開發(fā)的基因工程產(chǎn)品行 業(yè)產(chǎn) 品醫(yī)藥產(chǎn)品（包括獸用產(chǎn)品）食品及飼料添加劑農(nóng)業(yè)化工及能源原料環(huán)境保護(hù)胰島素（insulin）；生長激素（growth hormone），包括人和其他哺乳動(dòng)物生長激素及其相關(guān)因子生長激素釋放因子（growth hormone releasing factor）；干擾素（interferon，IFN），包括白細(xì)胞干擾素（IFN），成纖維細(xì)胞干擾素（IFN），免疫干擾素（IFN）；淋巴細(xì)胞活素（lymphokin），包括白細(xì)胞介素2（interleuk

44、in-2，IL-2），包括白細(xì)胞介素3（interleukin-3，IL-3），巨噬細(xì)胞激活因子（macrophage activating factor，MAF），B-細(xì)胞生長因子（B-cell growth factor）；血纖維蛋白溶解劑（fibrinolytics），包括組織血纖維蛋白溶酶原激活因子（tissue plasminogen activator ，TPA），鏈激酶（streptokinase，SK），尿激酶（urokinase，UK）；疫苗（vaccine），包括腺病毒（adenovirus），霍亂（cholera），巨細(xì)胞病毒（cytomalovirus，CMV），腦炎病

45、毒（encephalitis），甲型肝炎病毒（hepatitis A），乙型肝炎病毒（hepatitis b），皰疹病毒（herpes），流感病毒A和B（influenza A and B），副流感病毒（parainfluenza），瘧疾（malaria），狂犬病毒（rabies），骨髓灰質(zhì)炎（polinmyelitics），動(dòng)物腹瀉（animal scours），口蹄疫（foot and mouth dease），人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV），呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus），輪狀病毒（rotav

46、iria），水痘-帶狀皰疹病毒（varicellazoster），黃熱病毒（yellow fever）等；菌苗，如白日咳桿菌（Bordetella pertussis），破傷風(fēng)桿菌（Clostridium tetani），致腹瀉大腸桿菌（E.coli enterotoxin strain），流感噬血桿菌（Haemophilus influenzae），麻風(fēng)分枝桿菌（Mycobacterium leprae），結(jié)核桿菌（M. tuberculosis），傷寒桿菌（Salmonella typhi），淋病奈瑟球菌（Neisseria gonorrhoeae），腦膜炎奈瑟球菌（N. meningit

47、idis），A組鏈球菌（Streptococcus group A），B組鏈球菌（S. group A），肺炎鏈球菌（S. pneumoniae），志賀菌屬（Shigella），霍亂弧菌（Vibrio cholerae）等；胸腺素（thymosia）；白蛋白（albumin）；血因子（blood factor）；紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）；促血小板生長素（thrombopoietin）；集落刺激因子（colony dtimulating factor，CSF）粒細(xì)胞集落刺激因子（granulocyte colony stimulating facor，G-CSF）和粒

48、細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子（granulocyte colony stimulating facor，GM-CSF）；激素類避孕疫苗 如降血鈣素（calcitonin）；表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）；腫瘤壞死因子（tumour necrosis factor ，TNF）；-1胰蛋白酶抑制劑（-1 antitrypsin）；心鈉素（atrial natruetic peptide，ANP）；單克隆抗體（monoclonal antibodies，MABs）；生物傳感器、基因芯片（gene chip）；利用基因工程菌生產(chǎn)的抗生素、氨基酸、甾體激素、維生素等氨

49、基酸（如天門冬氨酸、笨丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸）生物殺蟲劑，包括病毒殺蟲劑、細(xì)菌殺蟲劑、真菌殺蟲劑；防治植物病害微生物；生物除草劑，包括真菌（銹菌、鐮刀菌、炭疽菌屬）、線蟲、病毒等。用可再生物質(zhì)（biomass）生產(chǎn)甲烷、甲醇、乙醇、丙酮、丁醇、多元醇、有機(jī)酸等；藻類產(chǎn)生的碳水化合物、蛋白質(zhì)等物質(zhì)；生物多聚物質(zhì)，如黃原膠、黑色素、足絲粘性蛋白、生物合成橡膠、生物可降解塑料（聚羥基烷酯PHA、甲基側(cè)鏈聚羥基丁酯PHB、乙基側(cè)鏈聚羥基戊酯PHV）高效生物降解和/或解毒微生物1-3 微生物工程應(yīng)用微生物工程是將微生物學(xué)、生物學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)地結(jié)合起來，利用微生物的生

50、長和代謝活動(dòng)來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的一般工程技術(shù)。微生物工程是生物工程的重要組成部分，是生物工程產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。目前，微生物工程在基因工程、細(xì)胞工程、酶工程等現(xiàn)代生物技術(shù)的強(qiáng)力支持下，從分子水平改良微生物品種和性能、產(chǎn)生許多新品種、新產(chǎn)品、為生物工程賦予新的生命力，進(jìn)一步擴(kuò)大微生物生物工程應(yīng)用范圍，它不僅對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義，而且潛存著巨大的發(fā)展空間和經(jīng)濟(jì)效益，以致改變?nèi)藗兊囊恍┥盍?xí)慣。微生物工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用這是微生物工程的發(fā)源地和最早應(yīng)用于之領(lǐng)域，至今其產(chǎn)量和產(chǎn)值似占據(jù)生物工程之首位。它的產(chǎn)品包括以下諸多方面：食品加工：以各種原料生產(chǎn)的單細(xì)胞蛋白（SCP）酵母等。含醇飲

51、料：以糖類物質(zhì)（如水果汁等）和淀粉類物質(zhì)為主要原料釀造或加工的葡萄酒、果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、朗姆酒等。發(fā)酵乳制品：奶酒、乳酪、酸奶等。調(diào)味品和發(fā)酵食品：味精、肌苷酸、鳥苷酸和以豆類和谷類等生產(chǎn)的醬、醬油、醋、豆腐乳、豆豉、餡糖、泡菜等。甜味劑：葡萄糖、麥芽糖、甘露糖醇、甜味肽、甜蛋白等。食品添加劑：面包酵母、賴氨酸、檸檬酸、色素、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖（增稠劑），葡萄糖氧化酶和Vc（食品保鮮劑），乳鏈菌肽（食品防腐劑），匹馬霉素（食品保護(hù)劑）等。食品檢驗(yàn)：食品免疫檢驗(yàn)方法可檢測(cè)含量極低的微量殘留物、真菌毒素、抗生素、激素、細(xì)菌毒素等。微生物工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)

52、用醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域是微生物工程應(yīng)用最廣泛，成績最顯著、發(fā)展最迅速、潛力亦最大的領(lǐng)域，其產(chǎn)值占20%。因?yàn)槲⑸锕こ炭梢詮母鞣矫娓倪M(jìn)醫(yī)藥的生產(chǎn)，開發(fā)新的藥品，改善醫(yī)療手段，提高人類的生活健康醫(yī)療水平，并且也可以從中獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。抗生素抗生素迄今已發(fā)現(xiàn)約6000余種，其中絕大多數(shù)是由微生物產(chǎn)生，已形成工業(yè)化的產(chǎn)品、產(chǎn)值已超過50億美元，產(chǎn)量超過10萬噸。常用藥品包括醫(yī)用和獸用的（包括半合成抗生素）有的百余種?？辜?xì)菌抗生素：桿菌素（bacitracin）、頭孢菌素（cephalosporin）、氯霉素（chloramphenicol，抗斑疹傷寒）、金霉素（chlortetracycline，抗G+

53、和G）、環(huán)絲氨酸（cycloserine，抗結(jié)核菌）、紅霉素（erythromycin，抗G+）、慶大霉素（gentamycin，抗G+和G）、卡那霉素（kanamycin，抗G+和G）、青紫霉素（lividomycin，抗G+和G）、柱晶白霉素（leucomycin，抗G+）、林可霉素（lincomycin，抗G+）、麥迪霉素（mydecamycin，抗G+）、新霉素（neomycin，局部使用）、新生霉素（novomycin，抗G+）、竹桃霉素（oleandomycin，抗G+）、土霉素（oxytetracycline，抗G+和G）、巴龍霉素（paramomycin，兼治阿米巴）、青霉素（

54、penicillin，抗G+）、磷霉素（phosphonomycin，抗G+和G-）、多黏菌素（polymyxin，抗G+）、核糖霉素（ribostamycin，抗G+和G）、利福霉素（rifomycin，抗結(jié)核菌）、相模灣霉素（sagamycin，抗G+和G-）、紫蘇霉素（sisamycin，抗G+和G）、螺旋霉素（spriamycin，抗G+）、鏈霉素（streptomycin，抗結(jié)核菌）、四環(huán)素（tetracycline，抗G+和G）、托普霉素（tobramycin，抗G+和G）、短桿菌肽（tyrothricin，抗G+）、萬古霉素（vancomycin，抗G+）、紫霉素（viomyci

55、n，抗結(jié)核菌）等?？拐婢股兀簝尚悦顾谺（amphotericin B）、殺假絲菌素（candicidin）、灰黃霉素（griseofulvin，抗皮膚真菌）、制霉菌素（nystain）等?？乖x抗生素：煙古霉素（fumagillin）、古曲霉素（trichomycin，抗滴蟲）等、抗腫瘤抗生素：放線菌素（actinomycin）、阿德力亞（阿）霉素（adriamycin）、博來霉素（bleomycin）、光神霉素（mithramycin）、絲裂霉素（mitomycin）、內(nèi)瘤霉素（darkomycin）等。起免疫抑制作用的抗生素：如環(huán)孢菌素A等。半合成抗生素；某些天然抗生素在氏期的使用中會(huì)

56、誘使一些病原菌產(chǎn)生抗藥性。為了解決抗藥性，同時(shí)也為了擴(kuò)大抗菌譜，采用半合成的方法，將天然抗生索的側(cè)鏈去掉，再用化學(xué)法加上新的側(cè)鏈如此產(chǎn)生的抗生素被稱為半合成抗生素。研究最多的為青霉素型和頭孢菌素型半合成抗生素。青霉素型半合成抗生素：如對(duì)青霉素酶穩(wěn)定的甲氧苯青雷素、乙氧萘青霉素、苯唑青霉素、鄰氯苯唑青霉素，廣譜的氨芐青霉親、羥氨芐育霉素，抗綠膿桿菌的羧芐青霉素、磺芐青霉素等。頭泡菌素型半合成抗生素：頭孢號(hào)噻唑霉素)、頭孢號(hào)(頭孢利定)、頭孢號(hào)(頭孢甘氨酸)、頭孢號(hào)(頭孢力斯)、頭孢號(hào)(唑啉頭孢菌素)、頭孢號(hào)(環(huán)己烯胺頭孢菌素)、吡硫頭孢菌素、氰甲基頭孢菌素；其他半合成抗生素：丁胺卡那雷素、甲烯土

57、霉素、強(qiáng)力霉素(去氧土雷素)、二甲胺四環(huán)素、四氫吡咯甲基四環(huán)素、去甲基金霉素、利福平、氯林肯霉素、去甲基林肯雷素、乙酰螺旋霉素等。.2氨基酸氨基酸在醫(yī)藥中除用作大輸液外，還廣泛地用于臨床治療，如精氨酸、鳥氨酸、瓜氨酸、天門冬氨酸、谷氨酸等可以治療高氨血癥、肝機(jī)能障礙等疾??；天門冬氨酸鉀鹽和鎂鹽的混合物，可用于恢復(fù)疲勞，治療心臟病、肝病、糖尿??；某些氨基酸的類似物如S-氨甲?；?半胱氨酸(天門冬酰氨的類似物)、N-乙酰-L-苯丙氨酸、N-乙酰-L-纈氨酸等可以作為癌細(xì)胞的抑制劑等。現(xiàn)可經(jīng)發(fā)酵獲得的氨基酸有谷氨酸、賴氨酸、丙氨酸、精氨酸、組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、蘇氨酸、色氨酸、酪氨酸、纈氨酸、瓜氯酸、鳥氨酸等?？捎妹阜ǐ@得的氨基酸有天門冬氨酸、丙氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、賴氨酸、酪氨酸、半胱氨酸等。.3維生素目前可用發(fā)酵獲得的維生素或合成維生素的中間產(chǎn)物有維生素B2(核黃素)，維生素B12(氰鉆氨素)，2-酮基-古龍酸(維生素C-抗壞血酸的前體)，-類胡蘿卜素(維生素A的前體)，麥角甾醇(維生素D2的