第－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），一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可有三个特点：需具备的条件: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l—lA: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。D: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。1.3.微生物工程的一般反应过程通常的生物反应过程有四个组成部分。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（也称营养基质，指用于发酵过程中供给细胞生长和产物形成所需要的各种基本物质和必要的微量物质）和底物（酶反应过程中的反应物）的配制和灭菌等。B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。在采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（指胞外产物）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：物理方法——研磨、高压匀桨（以上用于细胞破碎）、过滤、离心、蒸发、干燥等；物理化学方法——冻溶（用于细胞破碎）、透析、超滤反渗析、絮凝、萃取、吸附、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐析、结晶等；化学方法——离子交换、化学沉淀等；生物方法——亲和层析、免疫层析等。1.3.2微生物工程要解决的·问题1.4生物技术的发展简史(五个历史阶段)l.4.1传统（古老）的发酵技术—天然发酵商周的青铜酒器───爵夏二里头文化时期的铜制酒器在河北的中山王墓里头（约公元前327—公元前313年），出土过战国时期的酒.特点:只知其然,不知其所以然.没有理论指导,全凭经验生产.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（Leenwenhoek）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。并发明了巴氏灭菌法1897年德国的科赫（R.Koch）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l9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1.4.3深层通气培养技术的建立是微生物发