生物化工产品

[拼音]：shengwu huagong chanpin

[外文]：products of bioprocesses

是一大类为数众多的由各种生物反应过程，即包括发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养等过程所获得的产品。它们的共同特点是以生物来源为主的物料为原料，通过生物催化剂的作用，在生物反应器中形成，并通过生化分离工程的有关手段将其提取纯化。这些产品有的也可以用化学合成法生产，如乙醇、丙酮、正丁醇、甘油等，究竟采用化学合成法或生物合成法应从经济技术的综合考虑决定；有些产品则仅能通过生物合成法生产或以生物合成更为经济合理，如青霉素、淀粉酶、维生素B₁₂、干扰素等分子结构复杂的物质；有些产品的生产则兼用化学合成和生物合成法，如半合成青霉素、可的松、维生素C等。

生物化工产品按产品性质可分为：

（1）大宗化工产品，如乙醇、丙酮、正丁醇、甘油、柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸等；

（2）精细化工产品，如各种氨基酸、酶制剂、核酸产品等；

（3）医药产品，如各种抗生素、多种甾体激素和维生素、常规菌苗、疫苗等；

（4）其他产品，如生物农药、食用及药用酵母、饲料蛋白(单细胞蛋白)、沼气等；

（5）现代生物技术产品，即通过重组DNA技术和细胞融合技术等方法生产的产品，如干扰素、单克隆抗体、新型疫苗等。

丙酮、丁醇

发酵生产丙酮和正丁醇（简称丙－丁或丙酮－丁醇）工业始于1913年。第一次世界大战爆发后，丙酮用于制造炸药和航空机翼涂料等用量激增。英国首先改造酒精厂为丙－丁工厂，继而又在世界各地建立分厂，以玉米为原料大规模生产丙－丁。战后由于与丙酮同时制得约有二倍量的正丁醇未发现可利用价值，丙－丁工业曾衰退停顿，当发现正丁醇是制造醋酸丁酯作为硝酸纤维素之最佳溶剂后，此工业又获得新生。目前，虽然丙酮和正丁醇主要由石油化工方法生产，但丙-丁发酵仍占相当比例。

丙－丁发酵是严格厌气发酵，生产用菌种是丙丁梭菌，以淀粉质、糖质和纤维质为培养基。丙－丁发酵可用分批或连续发酵法进行。大规模工业生产大都采用连续发酵（图1）。将合格的丙丁菌种试管斜面接入 61种子瓶，于38±1℃，培养18～22h；然后接入种子罐，于40～41℃培养24h，镜检合格后输入活化罐，于40～41℃培养4h，然后从活化罐上部不断进入蒸煮醪（经灭菌和冷却后的料液），经活化的种子液不断从活化罐底部流向发酵罐；若干个发酵罐相互串联，发酵醪流向是下进上出，从进入第一级罐到最后一级罐流出需时 24～36h左右。成熟发酵醪经多塔精馏，分别得到丙酮、正丁醇、乙醇和杂醇油。丙酮、正丁醇、乙醇质量比约为3:6:1，每吨总溶剂可得CO₂、H₂等气体1.7t，其质量比氢气占2.7％，CO₂占97.3％，因原料、菌种不同，溶剂比和废气比有所变化。

柠檬酸

又名枸橼酸，是一种重要的有机酸，基本上用发酵法制得。1883年发现青霉能在含碳水化合物的培养基上积累柠檬酸，从此开始了发酵法生产的研究。到1923年固体浅盘发酵柠檬酸投入工业生产；1938年开始液体深层培养的研究，为柠檬酸深层发酵奠定了基础。

柠檬酸发酵是好气发酵。培养基以糖质、淀粉质和石油(正构石蜡烃)等原料，另加入少量无机氮源和微量元素，如(NH₄)₂SO₄、K₂HPO₄、MgSO₄·7H₂O等。菌种是黑曲霉和解脂假丝酵母（石油发酵用菌种）。发酵过程最适pH2.0～2.5，培养80～100h。发酵结束后，发酵液经过滤、脱色、浓缩、结晶、分离、干燥得柠檬酸成品。柠檬酸主要用于食品工业作酸味剂，也作油脂的抗氧剂。医药工业上柠檬酸铁铵、柠檬酸钠作为补血剂和输血剂。化学工业上柠檬酸酯作为无毒增塑剂，用于制包装食品用塑料薄膜。还可作为工业管道的清洗剂和混凝土的缓凝剂等。

氨基酸

是一类具有一个或多个氨基和一个或多个羧基的有机化合物。将蛋白质或多肽用酸水解可得到20种左右重要的氨基酸，这也是较原始的氨基酸生产方法。1957年，日本协和发酵公司用谷氨酸棒状杆菌从葡萄糖发酵生产L-谷氨酸（用发酵法生产的氨基酸均为L-氨基酸）。现在绝大多数的重要氨基酸都可通过发酵过程及酶反应过程生产。氨基酸主要用于医药、食品添加剂、人造皮革、化妆品等方面。（见彩图）

酶制剂

酶是一种生物催化剂。酶制剂是从工业生产获得的酶成品(表1)。酶的来源为微生物、动物和植物。由于动、植物生产的酶几乎均可从微生物制取，而微生物又容易培养、繁殖快、产量高，所以酶制剂的工业生产主要指工业上应用微生物学方法进行酶的大量生产。

中国古代的制曲酿酒或作酱，实际上就是一种最早的微生物酶类的生产方式。1949年，日本采用深层培养法生产细菌 α－淀粉酶，微生物酶制剂的生产才进入大规模工业化阶段。中国生产微生物酶制剂是从1964年开始的，20多年来中国酶制剂工业发展很快，目前生产的酶制剂已有30多种。酶制剂的具体生产过程有多种，因微生物种类多，产生的酶系不同而有所差别，这些过程可分成两大类：液体深层发酵法和半固体培养法(图2)。

目前多采用前者，半固体培养法是传统的生产淀粉酶和蛋白酶的方法。酶分为胞内酶和胞外酶两种，胞内酶须先进行菌体破碎再抽提，胞外酶则可直接从发酵液中提取。经离心或过滤，低温真空蒸发浓缩至一定浓度，浓缩液可直接作为商品。经浓缩后的浓缩液也可进行沉淀、过滤、干燥后制成酶粉。在实际使用中随着目的的不同，酶成品的剂型和纯度要求也不同，大多数酶制剂是以自然制取的混合物作为商品，混合物中次要成分在应用上也起着重要作用，可加盐、淀粉等惰性物质把酶的含量调节到所需浓度。

疫苗

用细菌、病毒、立克次体和衣原体等病原体制备的生物化工产品。在中国把由细菌制成的疫苗称作菌苗。用弱化毒性或减毒的活病原体制成的为活疫苗，如牛痘、麻疹疫苗等；用化学或物理方法杀死的病原体制成的是死疫苗，如乙型脑炎、狂犬病疫苗等。

中国在16世纪（明隆庆年间）即有以轻症天花病人的痘疹接种于鼻内作预防的方法。到17世纪已相当风行，并先后传至俄罗斯、朝鲜、日本及欧洲各国。后来E.詹纳发明了牛痘疫苗，即被广泛用来代替鼻苗。19世纪，L.巴斯德发明以弱毒菌为菌苗，使疫苗的制备获得进一步的发展。菌苗一般均可在严格的环境和设备条件下，用微生物培养方法进行生产，而疫苗的生产必须通过动物或人体细胞的培养才能获得，技术复杂，生产规模也受到限制。若采用重组DNA技术获得的工程菌生产疫苗，则可用类似微生物培养的技术进行。例如乙型肝炎表面抗原 (HBsAg)在大肠杆菌、酵母或哺乳动物细胞中得到表达，通过酵母表达来生产的HBsAg，美国已于1986年获准使用。

单细胞蛋白

微生物菌体内含有丰富的蛋白质，大多数用于生产的微生物是从单一的或者丝状的个体形式生长的，由此得名，简称SCP，可用作动物饲料，生产SCP的微生物除了面包酵母、啤酒酵母、产朊圆酵母、热带假丝酵母等常被选为生产菌种外，也可用丝状真菌或细菌。在工业生产条件下，单细胞蛋白中蛋白质的含量约为50％（干基）。常以制糖厂的废料糖蜜，某些制酒厂、造纸厂的废液，农、林下脚料中可获得的诸如糖、淀粉和纤维素等有机物作为原料。所以，减少环境的污染是研究和开发这类原料生产 SCP的一个动力。以甲醇、乙醇等石油化工产品为原料，生产单细胞蛋白在商业上已引起广泛的兴趣，若干规模宏大的生产过程已在进行。

大多数SCP生产过程是在无菌条件下进行的，成品必须不受其他微生物，尤其是人体病原体的污染。由于设备投资大，运行动力消耗多，为获得经济效益，工厂须至少拥有年产万吨级的规模，尽量采用连续培养技术提高生产率。同时，要求提供价格低廉，供应方便的原料。

沼气

形成于沼泽底部的可燃性气体。主要成分是甲烷占60％～70％(体积)，其次为二氧化碳及少量氮气。其成因是沉积在沼泽底部的植物残体，在隔绝空气的情况下，由于嫌气性微生物（包括甲烷化细菌）的作用腐败分解所致。其简单的反应过程是（以纤维素为例）：

人畜粪便、动植物碎料、污水和垃圾等有机物，在嫌气细菌和隔绝空气条件下经沤化（发酵），也能产生沼气。

农村制造沼气需要建造不漏气的发酵池，并设有加料、贮气和清渣装置。发酵制气时须掌握下列条件：

（1）温度25～35℃；

（2）pH6.8～7.2；

（3）含水量约90％；

（4）常压并经常搅拌；

（5）发酵时间10～20天；

（6）适当施加含磷、氮等营养料以助嫌气细菌的繁殖。

沼气热值约为19.6～29.4MJ/m³，可作煤气使用;产量大的制气装置，气体经净化脱二氧化碳、硫化氢后可作动力燃料；还可使用沼气点灯照明。

沼气池内经发酵后的残渣，其氮、磷、钾等相对含量比新鲜物为高，且其中大量的害虫卵、杂草籽在发酵过程中被无害化，是很好的农肥。

沼气与空气混合，甲烷含量在5％～15％(体积)时形成爆炸性气体，遇明火即爆炸，故生产、贮运和使用时要防止泄漏，注意安全。

干扰素

在人体细胞经受病毒攻击诱导后可产生一种对抗病毒的人干扰素，大多数脊椎动物细胞的干扰素是细胞分泌的一类功能性蛋白质，它不仅具有抗病毒的活性，还具有参与机体的自然免疫作用。干扰素曾试用于治疗多种病毒病和肿瘤，因此引起人们极大的兴趣。可供生产人干扰素的细胞有三种（表2）。目前，生产上大量获得干扰素有两个主要途径;一是通过动物细胞大量培养;二是利用重组DNA技术。1986年8月，美国食物与药品管理局(FDA)已批准将重组DNA技术生产的α－干扰素用于治疗多种白血病。

单克隆抗体

利用免疫动物（指外源抗原物质侵入机体后已产生免疫力的动物）的脾脏细胞 （B淋巴细胞，能产生识别、破坏和排斥外来抗原的抗体），与具有酶缺陷的骨髓瘤细胞，经细胞融合技术处理后形成的杂交瘤所产生的一种生物化工产品。

单克隆抗体由于特异性强，灵敏度高，因此主要用于临床化学试剂作有关病毒及微生物等病源体的诊断。若将药物、毒素或同位素与单克隆抗体相结合，有可能形成有选择性杀伤某些病害细胞的治疗剂。

单克隆抗体的生产除了可将杂交瘤接种于小鼠、白兔等腹腔中进行繁殖外，也可采用动物细胞培养设备进行悬浮培养，由于单克隆抗体能从杂交瘤细胞中分泌到培养液中，对产品的提取带来有利条件，它的精制主要采用层析分离法。

参考书目

1. 陈声著：《近代工业微生物学》，上、下册，上海科学技术出版社，上海，1979、1982。
2. H.-J.Rehm and G.Reed ed.，Biotechnology，Vol.3～8，Verlag Chemie GmbH，Weinheim，1983～1986.
3. M.Moo－Young ed.，Comprehensive Biotechnology，Vol.3～4.Pergamon Press， Oxford，1985.

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