工业生物

和其他工业产品将来自工业生物技术。那颇具前景的工业生物技术发展方向和研发重点究竟何在？中国工程院院士、北京化工大学副校长谭天伟教授指出，过程强化和集成以及系统优化将是降低工业生物技术成本和减少排污的重要途径，基于多产物联产目标的全局调控将是未来的一个重要目标。　　谭天伟介绍，我国在细胞工程、基因工程等工业生物技术上游领域与世界先进水平差距较小，但在工业生物技术的过程科学基础研究方面与国外有较大的差距，尤其是过程放大原理和方法。　　“工业生物过程强化和集成以及系统优化已经成为降低成本和减少排污的重要发展方向。”谭天伟说，工业生物技术的成本与分离过程有关。将传统化工分离技术与生物产品分离技术有机结合已经得到了广泛应用。新分离工艺可以大幅度降低生产成本。例如在氨基酸生产中，采用离子交换层析方法取代传统的沉淀方法，可使产品收率由原来的不足70%提高到90%以上，而且产品质量也得到提高。　　谭天伟认为，工业生物过程的结果不但取决于各个单元的效率,还取决于系统内各单元的相互作用，因此过程集成和优化是非常关键的技术。采用过程集成将多步过程集成在一步中进行可大大降低能耗，提高收率。如美国杰能科（Genencor）公司用玉米淀粉生产乙醇的工艺，将传统的两步法淀粉糖化工艺集成在一步中，能耗降低30%以上，大大提高了发酵效率。　　谭天伟表示，相同的工业生物过程，操作条件不同，基本相同的投料量会得到完全不同的产量，有时会相差几十个百分点甚至数十倍，即工业生物过程存在系统优化问题。如美国ADM公司对玉米的综合利用进行了系统优化，除生产玉米淀粉外，还生产玉米油、胚芽蛋白和饲料，基本做到了将原料吃干榨尽。又如，国际著名的生物化学品公司DSM对原料的生物转化和分离及废物排放进行了系统优化，发现采用清液发酵生产大宗化学品最为合适。由于清液原料糖转化率高，而且后处理工艺简单，能耗可降低30%以上，废物产生量降低50%以上。　　另外，基于多产物联产目标的全局调控也是未来工业生物技术发展的一大方向。谭天伟认为，传统的工业生物过程一方面能耗和物耗较高，各单元之间的物质和能量利用往往不能高效匹配；另一方面，微生物细胞自身的代谢和生理需求又决定了生物转化体系副产物多、原料利用率低及环境污染相对严重。随着微生物基因组学、细胞生理学、现代仪器分析技术和过程工程科学的快速发展及多学科交叉与融合，对整个工业生物过程进行全局设计与调控将成为可能。　　因此，谭天伟认为，工业生物技术未来的研究重点之一将是对菌株的生产能力和环境耐受性进行调控，对高附加值的副产物进行多目标强化联产，实现生物炼制工艺，对各个反应/分离以及分离/分离单元进行单元内和单元间的设计、集成与全局优化，从细胞群、操作单元乃至生产过程上对工业生物技术进行全面突破与创新，最终实现工业生物过程的环境污染最小化、资源利用最大化和生产效益最大化的总体目标。

微生物本身或其代谢过程中产生众多的代谢产物，其中许多是对人类有应用价值的。人们工业化规模培养微生物生产商业性产品，称为微生物工业，或者以微生物为主体生产产品的工业，也称之为微生物工业。 微生物种类繁多，容易变异，因而微生物工业中菌种的选择和培育是生产之母；微生物代谢类型多，适应性强，所以微生物工业中的代谢调控是生产的关键；保持微生物工业产品的优质、高产和低耗，规模生产的设备和产物的各项处理是生产的重要组成。微生物工业化规模的生产，不同于实验室的试验，也不同于实验工厂的中间试验，它涉及的学科更多，除微生物学、生物化学、分子生物学、化工外，还涉及机械、工程、计算机、经营管理等。而且微生物工业产品众多，生产工艺各异，应用范围广泛，因此本章仅能就微生物工业中有关微生物学方面的问题择要叙述。 第一节　工业发酵的菌种和发酵特征微生物工业中，发酵术语指的是任何大规模过程，已成了习惯用语，不管微生物代谢有或没有外源最终电子受体的情况下发生的氧化作用。进行工业发酵的容器称为发酵罐(fermenter )，也可叫做生物反应器(bioreactor)。在微生物发酵过程中，有机物既是电子最终受体，又是被氧化的基质。通常这些氧化基质都是氧化不彻底，因此发酵的结果积累某些有机物，即产生多种多样的发酵产物。某些发酵产物可能在工、农、医、药、环保等领域应用，具有潜在的经济和社会效益，这些产物经发酵后的处理，通称后处理(downstream processing)，如：分离、纯化或再加工等，成为商业性的发酵产品。微生物的工业发酵，就是利用各种微生物的不同发酵特性，发酵生产众多有价值的发酵产品。微生物的工业发酵方式有多种多样，但发酵过程是很类似的，其基本步骤如图15-1所示，有的发酵过程更繁多，有的则可省去某些步骤。图15-1 微生物工业发酵的基本过程一、生产菌种的要求和来源1.生产菌种的要求　微生物工业发酵所用的微生物称为菌种。不是所有的微生物都可作为菌种，即使是同属于一个种(species)的不同株的微生物，也不是所有的株都能用来进行发酵生产。例如：发酵生产碱性蛋白酶(洗涤剂的重要用酶)的生产菌种地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)，就不是该种菌中所有菌株都能用来作为菌种，而是经过精心选育，达到生产菌种的要求的菌株才可作为菌种。对菌种一般有以下要求：首先菌种能在较短的发酵过程中高产有价值的发酵产品。菌种发酵产生所需的最终产品量，按所用发酵培养基的单位体积或重量所产生的数量计算，应该是高的，越高越好。高、低的标准是与当时同一产品发酵所得的水平相比，或用其商业价值或社会效益来衡量；第二，菌种的发酵培养基应价廉，来源充足，被转化为产品的效率高。如许多发酵工业都是用农副产品配制成发酵培养基，不仅能满足菌种发酵所要求的营养成分，转化率高，而且发酵原料易获得，价格低廉。从表15-1可见部分农副产品的营养成分，在制备发酵培养基时合理配制是能够满足许多菌种生长、繁殖、产生各 种各样的发酵产品。第三，菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害，还应注意潜在的、慢性的、长期的危害，要充分评估，严格防护。第四，菌种发酵后，所产不需要的代谢产物少，而且产品相对容易地与不需要的物质分离，下游技术能用于规模化生产。下游技术(downstream of biotechnology)一般是泛指从菌种的大规模培养、监测一直到产品的分离、纯化、质量分析等一系列单元操作技术，其中的产品分离纯化技术即后处理，是菌种实现产业化的关键。第五，菌种的遗传特性稳定，而且易于进行基因操作。这不仅可以保障发酵工业高产、稳产，而且为菌种的进一步改良，产品质和量的增加，成本的下降，应用基因工程技术创造了很好的条件。　表15-1　一些农副产品的营养成分表(%)名　　称水　分粗蛋白粗脂肪粗纤维无氮浸出物粗灰分钙磷玉米粉12.09.04.31.572.01.30.220.31甘薯粉13.0[colo

工业显微镜和生物显微镜的区别，但就字面意思上能了解到它们最大的区别，就是用途不同，这里主要从其物镜上来说明它们的不同之处：物镜的鉴别能力可分为平面和垂直鉴别能力。物镜(objectivelens)物镜是决定光学显微镜基本性能及功能的最重要的光学单元。因此，为了满足各种需求和应用，我们研制出了有着最佳光学性能和功能(这对光学显微镜而言也是最重要的性能和功能)的物镜，推出了能满足不同使用目的多种物镜产品。　光学显微镜的用途大致分为“生物用”和“工业用”两大类。物镜也可以按照这两种用途，划分为“生物物镜用”物镜和“工业用”物镜。在工业用途中，一般是在金属矿物切片、半导体晶圆和电子零部件等标本没有被遮盖的状态下进行观察的。所以，工业显微镜用物镜采用了物镜前端和标本之间没有盖玻片状态的最佳光学系统设计。然而在生物用途中，一般是将生物标本放置在载玻片上，并从上面用盖玻片遮盖固定。由于生物用物镜需要透过盖玻片观察样本，所以采用了考虑到盖玻片的厚度(一般为0.17mm)的光学系统设计。　　在这里说明生物显微镜和工业显微镜的物镜也是大有不同的，基本上物镜是按照用途、观察方法、倍率、性能(像差校正)等进行分类。其中，按照像差校正来分类的是显微镜物镜特有的分类方法。