第一章绪论

第一章绪论 生物技术（Biotechnology）与其他学科的关系

生物技术 Biotechnology • 生物技术：是以现代生命科学为基础，利用生物（或生物组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，以及与工程原理相结合，加工生产产品或提供服务的综合性技术。 • 生物技术是21世纪高新技术革命的核心内容 • 生物技术产业是21世纪的支柱产业 • 生物技术涉及到多种学科和多个行业

生物工程 Bioengineering • 生物工程20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科。 • 所谓生物工程，是以生物学的理论和技术为基础，结合现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，定向地改造生物或其功能，再通过合适的生物反应器对这类工程菌进行大规模培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术。 • 生物工程包括五大工程：遗传工程(基因工程)、细胞工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应器工程。

微生物工程 Microbiological Engineering 微生物工程：又叫发酵工程(Fermentation Engineering)，是大规模发酵生产工艺的总称，就是利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手段来生产有用物质，或者把微生物直接应用于生物反应器的技术。它是在发酵工艺基础上吸收基因工程、细胞工程和酶工程以及其他技术的成果而形成的。发酵工程主要包括菌种的培养和选育，发酵条件的优化，发酵反应器的设计和自动控制，产品的分离纯化和精制等。除食品工业外，化工、医药、冶金、能源开发、污水处理、防腐、防霉等开发，给发酵工程带来新的发展前景。

生物反应过程的实质：利用生物催化剂从事生物生物反应过程的实质：利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。生物反应过程的组成：（1）原料的预处理和培养基的制备（2）生物催化剂的制备（3）生物反应器及反应条件的选择（4）产品的分离与纯化（上游）（中游）（下游）

空气除菌、干燥上游发酵工艺流程中游下游

由实验室研究到产业化的过程 菌种筛选摇瓶试验发酵罐中试发酵生产

传统生物技术 抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等基因工程药物、疫苗及抗体产品现代生物技术基因工程菌发酵医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业化学工程生物化工生物加工行业

在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。 • 由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。

《微生物工程》是一门工程学科。 两个基础：生物学基础、工程学基础。对待任何工程问题，都必须有以下四种工程理念： • 理论上的正确性（Valid Theory）； • 技术上的可行性（Technical Feasibility）； • 操作上的安全性（Safety Operation）； • 经济上的合理性（Economical Rationality）。

微生物工程研究开发的重要任务是在保证社会效益的前提下，研究如何去创造最优化的生物反应生产条件和产生更大的经济效益。在生产的各个单元操作中，将优良菌种选育、生物反应工艺过程作为一个整体来对待。对此，应当关注以下几个普遍问题：（1）目的产物中心观点；（2）能量最小观点；（3）细胞经济与生产经济矛盾的观点。

工程学基本概念： 根据上述四个工程理念，在从事生物技术产业化过程中，总结出工程学的基本概念为： • 衡算概念物料衡算、能量衡算等 • 速率概念基质(营养物质)消耗速率、细胞生长速率、产物生成速率

最优化概念 • 技术经济概念 • 上游生物技术工程化的概念 • 细胞代谢和培养工艺过程一体化的概念

微生物过程的特点 与化学合成法相比较 1. 优点（1）条件温和，原料友好；（2）反应可在单一设备中进行；（3）可合成复杂的高分子物质和手性物质；（4）能进行特异性反应；（5）反应过程友好；（6）容易提高生产能力。

2. 缺点 （1）发酵产物的浓度非常低，给提取带来困难；（2）发酵周期比较长。！反应过程严防染菌

▲微生物工程的应用领域 （1）菌体；（2）酶；（3）代谢产物；初级代谢产物，次级代谢产物（4）微生物的生物转化；（5）微生物特殊机能的利用。

发酵工程发展简史 （1）传统生物技术的追溯天然发酵/传统发酵阶段中国早在公元前22世纪就能用发酵法来酿酒。传统发酵的产品：酒类、醋、酱油、泡菜、干酪、面包、臭豆腐、沼气发酵等。古埃及人在公元前4000年~3000年就熟悉酒、醋的酿造；古希腊人和古罗马人酿造葡萄酒。

（2）初期出现的生物技术产品 纯培养技术的建立/第一代发酵技术 1680年，列文虎克显微镜微生物的存在 1857年，巴斯德（Pasteur）发酵原理随后，柯赫（Koch）发明固体培养基，建立了微生物纯培养技术，为此获得了1905年诺贝尔生理学医学奖。产品：主要是厌氧发酵和发酵产生的初级代谢产物，如酒精、丙酮、丁醇、柠檬酸和酶制剂等表面固体。特点：开创了人为控制发酵过程的时期。

（3）近代生物技术产品 深层培养技术/第二代发酵技术 1928年，弗莱明发现青霉素，于1945年大规模投入生产； 20世纪50年代氨基酸发酵； 60年代石油发酵、有机酸发酵、酶制剂发酵。代谢控制发酵技术：采用微生物突变株，在人工控制的条件下培养，选择性地大量生产所需要的物质。产品：各种有机酸、酶制剂、维生素等。特点：采用深层培养和代谢控制技术。

（4）现代生物技术产品 微生物工程/第三代发酵技术基因工程理论基因工程菌的构建质粒的稳定性产品：胰岛素、生长激素、单克隆抗体等，大部分为高附加值的医药产品。特点：从DNA水平来进行微生物代谢的人工管理。

微生物工程的应用 1. 医药工业抗生素 ♣ 氯霉素、红霉素、庆大霉素、卡那霉素、链霉素、土霉素、四环素、螺旋霉素等（抗细菌）； ♣ 两性霉素B、杀假丝菌素、灰黄霉素、制霉菌素等（抗真菌）； ♣ 烟古霉素、古曲霉素等（抗原虫）； ♣ 放线菌素、阿霉素、丝裂霉素等（抗肿瘤）；

主要用作输液和保健食品 治疗 L-型、 D-型氨基酸：直接合成的有B2（核黄素）、B12；合成前体的有α-酮基-古龙酸（Vc前体）、 β类胡萝卜素（VA前体）、麦角甾醇（D2前体）维生素：

甾体激素：激素类药物大多采用化学合成，但步骤长、得率低、污染严重；而采用微生物转化，则操作工序减少，得率高，成本低。甾体激素：激素类药物大多采用化学合成，但步骤长、得率低、污染严重；而采用微生物转化，则操作工序减少，得率高，成本低。生物制品：通常指含抗原制品，如牛痘疫苗、伤寒疫苗、流感疫苗、乙肝疫苗等。

治疗用酶： 蛋白酶和核酸酶可用于加速坏死组织、脓汁、分泌物、血肿的去除；胃蛋白酶、脂肪酶；尿激酶、链激酶；天冬酰氨酶。酶抑制剂：α-淀粉酶的抑制剂可用来治疗糖尿病。其它核酸类药物：如肌苷、辅酶A可治疗心脏病、肝病； ATP可治疗代谢紊乱、肌肉萎缩、心脏病等。

2. 食品工业 食品加工：以各种原料生产的单细胞蛋白（SCP）。酒类饮料：白酒（蒸馏酒）、啤酒、葡萄酒、黄酒、果酒等。调味品：味精、鸡精、酱油、醋、酱等。发酵食品：乳酪、酸奶、豆豉、豆腐乳、泡菜等。食品添加剂：面包酵母、氨基酸、有机酸（如柠檬酸）。甜味剂：麦芽糖、甘露糖醇、甜味肽等。

3. 能源化工 清洁能源：氢气（生物制氢）、生物柴油、微生物燃料电池等。醇类及溶剂：乙醇、甘油、丙酮、丁醇、木糖醇、赤藓糖醇等。有机酸：醋酸、乳酸、苹果酸、酒石酸、水杨酸、长链二元酸等。烷烃：甲烷（沼气发酵）、微生物采油技术。化工冶金：氧化亚铁硫杆菌：铜、钴、锌、铅、铀和金等。

4. 农业 生物农药：①杀虫剂（包括病毒杀虫剂、细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、原生动物微孢子虫杀虫剂）；②防治植物病害微生物（假单孢菌属、细黄链菌、木霉等）。生物除草剂：利用杂草的病原微生物，包括真菌、线虫和病毒等。生物增产剂：共生固氮菌，联合固氮菌，钾细菌，磷细菌等。食用菌和药用真菌：蘑菇、草菇、香菇、猴头、银耳、木耳、灵芝（孢子粉可抗癌）等。

5. 环境保护 三废：废水、废气、废渣。活性污泥法：主要是针对COD和BOD的降解。厌氧法：将大分子化合物分解成易被微生物利用的酸类和醇类等小分子物质，并产生甲烷气体。用于高负荷废水（高COD）处理。好氧法：废水处理的常用方法。

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