生物化工產品

生物化工產品products of bioprocesses是一大類為數眾多的由各種生物反應過程，即包括、或等過程所獲得的產品。它們的共同特點是以生物來源為主的物料為原料，通過的作用，在生物反應器中形成，並通過的有關手段將其提取純化。這些產品有的也可以用化學合成法生產，如等，究竟採用化學合成法或生物合成法應從經濟技術的綜合考慮決定；有些產品則僅能通過生物合成法生產或以生物合成更為經濟合理，如、澱粉酶、維生素B、干擾素等分子結構複雜的物質；有些產品的生產則兼用化學合成和生物合成法，如半合成青黴素、可的松、維生素C等。

基本介紹

• 中文名：生物化工產品
• 外文名：products of bioprocesses
• 含義：為數眾多的由各種生物反應過程
• 實例產品：青黴素、可的松、維生素C
• 類型：化學物品

分類

生物化工產品按產品性質可分為：

①大宗化工產品，如乙醇、丙酮、正丁醇、甘油、檸檬酸、乳酸、葡萄糖酸等；

②精細化工產品，如各種胺基酸、酶製劑、核酸產品等；

③醫藥產品，如各種、多種甾體和、常規菌苗、疫苗等；

④其他產品，如生物農藥、食用及藥用酵母、飼料蛋白(單細胞蛋白)、沼氣等；⑤現代生物技術產品,即通過和等方法生產的產品，如干擾素、單克隆抗體、新型疫苗等。

簡介

丙酮、丁醇 發酵生產丙酮和正丁醇（簡稱丙－丁或丙酮－丁醇）工業始於1913年。第一次世界大戰爆發後，丙酮用於製造炸藥和航空機翼塗料等用量激增。英國首先改造酒精廠為丙－丁工廠，繼而又在世界各地建立分廠，以玉米為原料大規模生產丙－丁。戰後由於與丙酮同時製得約有二倍量的正丁醇未發現可利用價值，丙－丁工業曾衰退停頓，當發現正丁醇是製造醋酸丁酯作為硝酸纖維素之最佳溶劑後，此工業又獲得新生。目前，雖然丙酮和正丁醇主要由方法生產，但丙-丁發酵仍占相當比例。

發酵工藝

丙－丁發酵是嚴格厭氣發酵，生產用菌種是丙丁梭菌，以澱粉質、糖質和纖維質為培養基。丙－丁發酵可用分批或連續發酵法進行。大規模工業生產大都採用連續發酵（圖1[連續式丙-丁發酵工藝流程示意]連續式丙-丁發酵工藝流程示意）。將合格的丙丁菌種試管斜面接入 61種子瓶，於38±1℃，培養18～22h；然後接入種子罐，於40～41℃培養24h，鏡檢合格後輸入活化罐，於40～41℃培養4h，然後從活化罐上部不斷進入蒸煮醪（經滅菌和冷卻後的料液），經活化的種子液不斷從活化罐底部流向發酵罐；若干個發酵罐相互串聯，發酵醪流向是下進上出，從進入第一級罐到最後一級罐流出需時 24～36h左右。成熟發酵醪經多塔精餾，分別得到丙酮、正丁醇、乙醇和雜醇油。丙酮正丁醇、乙醇質量比約為3:6:1,每噸總溶劑可得CO、H等氣體1.7t,其質量比氫氣占2.7%,CO占97.3%，因原料、菌種不同，溶劑比和廢氣比有所變化。

檸檬酸

介紹

又名枸櫞酸，是一種重要的有機酸，基本上用發酵法製得。1883年發現青黴能在含碳水化合物的上積累檸檬酸，從此開始了發酵法生產的研究。到1923年固體淺盤發酵檸檬酸投入工業生產；1938年開始液體深層培養的研究，為檸檬酸深層發酵奠定了基礎。

發酵工藝

檸檬酸發酵是好氣發酵。培養基以糖質、澱粉質和石油(正構石蠟烴)等原料，另加入少量無機氮源和微量元素，如(NH)SO、KHPO、MgSO7HO 等。菌種是黑麴黴和解脂假絲酵母（石油發酵用菌種）。發酵過程最適pH2.0～2.5，培養80～100h。發酵結束後，發酵液經過濾、脫色、濃縮、結晶、分離、乾燥得檸檬酸成品。檸檬酸主要用於食品工業作酸味劑，也作油脂的抗氧劑。醫藥工業上檸檬酸鐵銨、檸檬酸鈉作為補血劑和輸血劑。化學工業上檸檬酸酯作為無毒增塑劑，用於制包裝食品用塑膠薄膜。還可作為工業管道的清洗劑和混凝土的緩凝劑等。

胺基酸

介紹

是一類具有一個或多個氨基和一個或多個羧基的有機化合物。將蛋白質或多肽用酸水解可得到20種左右重要的胺基酸，這也是較原始的胺基酸生產方法。1957 年，日本協和發酵公司用谷氨酸棒狀桿菌從葡萄糖發酵生產L-谷氨酸（用發酵法生產的胺基酸均為L-胺基酸）。現在絕大多數的重要胺基酸都可通過及生產。胺基酸主要用於醫藥、食品添加劑、人造皮革、化妝品等方面。酶的來源為微生物、動物和植物。由於動、植物生產的酶幾乎均可從微生物製取，而微生物又容易培養、繁殖快、產量高，所以酶製劑的工業生產主要指工業上套用微生物學方法進行酶的大量生產。

發酵工藝

中國古代的制曲釀酒或作醬，實際上就是一種最早的微生物酶類的生產方式。1949年，日本採用深層培養法生產細菌 －澱粉酶，微生物酶製劑的生產才進入大規模工業化階段。中國生產微生物酶製劑是從1964年開始的，20多年來中國酶製劑工業發展很快，目前生產的酶製劑已有30多種。酶製劑的具體生產過程有多種，因微生物種類多，產生的酶系不同而有所差別，這些過程可分成兩大類：液體深層發酵法和半固體培養法(圖2[深層發酵和半固體培養流程示意]深層發酵和半固體培養流程示意)。目前多採用前者,半固體培養法是傳統的生產澱粉酶和蛋白酶的方法。酶分為胞內酶和胞外酶兩種，胞內酶須先進行菌體破碎再抽提,胞外酶則可直接從發酵液中提取。經離心或過濾,低溫真空蒸發濃縮至一定濃度，濃縮液可直接作為商品。經濃縮後的濃縮液也可進行沉澱、過濾、乾燥後製成酶粉。在實際使用中隨著目的的不同，酶成品的劑型和純度要求也不同，大多數酶製劑是以自然製取的混合物作為商品,混合物中次要成分在套用上也起著重要作用,可加鹽、澱粉等惰性物質把酶的含量調節到所需濃度。

疫苗

用細菌、病毒、立克次體和衣原體等病原體製備的生物化工產品。在中國把由細菌製成的疫苗稱作菌苗。用弱化毒性或減毒的活病原體製成的為活疫苗，如牛痘、麻疹疫苗等；用化學或物理方法殺死的病原體製成的是死疫苗，如乙型腦炎、狂犬病疫苗等。

中國在16世紀（明隆慶年間）即有以輕症天花病人的痘疹接種於鼻內作預防的方法。到17世紀已相當風行，並先後傳至俄羅斯、朝鮮、日本及歐洲各國。後來 E.詹納發明了牛痘疫苗,即被廣泛用來代替鼻苗。19世紀,L.巴斯德發明以弱毒菌為菌苗，使疫苗的製備獲得進一步的發展。菌苗一般均可在嚴格的環境和設備條件下，用微生物培養方法進行生產，而疫苗的生產必須通過動物或人體細胞的培養才能獲得，技術複雜，生產規模也受到限制。若採用重組DNA技術獲得的工程菌生產疫苗,則可用類似微生物培養的技術進行。例如B型肝炎表面抗原 (HBsAg)在大腸桿菌、酵母或哺乳動物細胞中得到表達,通過酵母表達來生產的HBsAg，美國已於1986年獲準使用。

單細胞蛋白

微生物菌體內含有豐富的蛋白質，大多數用於生產的微生物是從單一的或者絲狀的個體形式生長的，由此得名，簡稱SCP,可用作動物飼料,生產SCP的微生物除了麵包酵母、啤酒酵母、產朊圓酵母、熱帶假絲酵母等常被選為生產菌種外，也可用絲狀真菌或細菌。在工業生產條件下，單細胞蛋白中蛋白質的含量約為50%（乾基）。常以製糖廠的廢料糖蜜，某些制酒廠、造紙廠的廢液，農、林下腳料中可獲得的諸如糖、澱粉和纖維素等有機物作為原料。所以，減少環境的污染是研究和開發這類原料生產 SCP的一個動力。以、等石油化工產品為原料，生產單細胞蛋白在商業上已引起廣泛的興趣，若干規模宏大的生產過程已在進行。

大多數SCP生產過程是在無菌條件下進行的,成品必須不受其他微生物，尤其是人體病原體的污染。由於設備投資大，運行動力消耗多，為獲得經濟效益，工廠須至少擁有年產萬噸級的規模，儘量採用連續培養技術提高生產率。同時，要求提供價格低廉，供應方便的原料。

沼氣

介紹

形成於沼澤底部的可燃性氣體。主要成分是占60%～70%(體積)，其次為二氧化碳及少量氮氣。其成因是沉積在沼澤底部的植物殘體，在隔絕空氣的情況下，由於嫌氣性微生物（包括甲烷化細菌）的作用腐敗分解所致。其簡單的反應過程是（以纖維素為例）：人畜糞便、動植物碎料、污水和垃圾等有機物，在嫌氣細菌和隔絕空氣條件下經漚化（發酵），也能產生沼氣。

發酵制氣

農村製造沼氣需要建造不漏氣的發酵池，並設有加料、貯氣和清渣裝置。發酵制氣時須掌握下列條件：①溫度25～35℃；②pH6.8～7.2；③含水量約90%；④常壓並經常攪拌；⑤發酵時間10～20天；⑥適當施加含磷、氮等營養料以助嫌氣細菌的繁殖。

沼氣熱值約為19.6～29.4MJ/m，可作使用;產量大的制氣裝置，氣體經淨化脫二氧化碳、硫化氫後可作動力燃料；還可使用沼氣點燈照明。

沼氣池內經發酵後的殘渣，其氮、磷、鉀等相對含量比新鮮物為高，且其中大量的害蟲卵、雜草籽在發酵過程中被無害化，是很好的農肥。

沼氣與空氣混合,甲烷含量在5%～15%(體積)時形成爆炸性氣體，遇明火即爆炸，故生產、貯運和使用時要防止泄漏，注意安全。

干擾素

在人體細胞經受病毒攻擊誘導後可產生一種對抗病毒的人干擾素，大多數脊椎動物細胞的干擾素是細胞分泌的一類功能性蛋白質，它不僅具有抗病毒的活性，還具有參與機體的自然免疫作用。干擾素曾試用於治療多種病毒病和腫瘤，因此引起人們極大的興趣。可供生產人干擾素的細胞有三種（表2[ 三種可供大量生產人干擾素的細胞] 三種可供大量生產人干擾素的細胞）。目前，生產上大量獲得干擾素有兩個主要途徑;一是通過動物細胞大量培養;二是利用重組DNA技術。1986年8月,美國食物與藥品管理局(FDA)已批准將重組DNA技術生產的－干擾素用於治療多種白血病。

單克隆抗體

利用免疫動物（指外源抗原物質侵入機體後已產生免疫力的動物）的脾臟細胞 （B淋巴細胞，能產生識別、破壞和排斥外來抗原的抗體），與具有酶缺陷的骨髓瘤細胞，經細胞融合技術處理後形成的雜交瘤所產生的一種生物化工產品。

單克隆抗體由於特異性強，靈敏度高，因此主要用於臨床化學試劑作有關病毒及微生物等病源體的診斷。若將藥物、毒素或同位素與單克隆抗體相結合，有可能形成有選擇性殺傷某些病害細胞的治療劑。

單克隆抗體的生產除了可將雜交瘤接種於小鼠、白兔等腹腔中進行繁殖外，也可採用動物細胞培養設備進行懸浮培養，由於單克隆抗體能從雜交瘤細胞中分泌到培養液中，對產品的提取帶來有利條件，它的精製主要採用層析分離法。