微生物资源的开发和利用

微生物资源的开发和利用生物资源开发利用自从有了人类，天天与动植物打交道，利用动植物作为人类食物的主要来源；现代工业、农业更是大规模开发利用动植物为人类服务；由于过度或不合理开发，环境恶化，沙漠化加剧，动植物资源急剧减少，造成了长期的、甚至是难以弥补的损失；地球上动植物资源急剧减少已成为一个国际化问题；我们只有一个地球，“生物多样性公约”就是全世界近200个签字国保护生物多样性最高意志的体现，由此许多国家都把可持续性发展战略作为基本国策。生物资源开发利用放线菌生物资源开发利用霉菌生物

科学如何产业化？如何产业化？生物

科学生物科学与产业化*生物科学信息科学制药学电子技术化学农业材料科学与工程高分子分子设计医学环境保护采矿制药学

基因组的应用—药物设计信息

科学生物信息学—

Bioinformatics环境

保护生物修复Bioremediation清除核污染和重金属污染油污染的清除医学干细胞分化农业植物基因工程技术电子工业

与生物工程？后基因组工作：功能基因的寻找—生物芯片技术高效药物筛选—生物芯片技术生物芯片技术及其应用系统的建立！！—电子技术和微加工技术蛋白质组计划蛋白质组计划与电子工业和精密仪器的关系生物采矿—贫铜矿和贫铀矿微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第一，自从有了人类，事实上天天与微生物打交道，但人类发现微生物却很晚。微生物学“老祖宗”：巴斯德微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立微生物“无处不在”人体皮肤细菌微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立微生物“无处不在”牙齿上的细菌微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第二，人类最初发现的微生物还都是引起疾病的病原微生物，人类将微生物作为“敌人”。伤寒杆菌、梅毒螺旋体、肺炎球菌微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第二，人类最初发现的微生物还都是引起疾病的病原微生物，人类将微生物作为“敌人”。肝炎病毒微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第二，人类最初发现的微生物还都是引起疾病的病原微生物，人类将微生物作为“敌人”。破伤风杆菌微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第二，人类最初发现的微生物还都是引起疾病的病原微生物，人类将微生物作为“敌人”。冠状感冒病毒微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第三，微生物的形体极小，代谢类型极其多样化，生长繁殖速度惊人，在最适条件下，有的微生物20分钟就能繁殖一代；在动植物不可能生长的地方都有微生物分布和生长。微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第四，作为一类生物资源，微生物既能提供极为多样化的产品，又可适合在人工控制条件下进行大规模生产，而不受气候等因素的影响。微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第五，微生物的变异性大。比较高等动物植物而言，微生物的变异性要大的多，为人类改造他们提供了更大的可能性。从分子生物学观点来看，微生物的基因组较小，调控系统相对简单，进行基因操作比动植物要容易得多。例如，人们最初找到青霉素时，其产率不到0.01%，经过人们改造，今天达到了5%以上，产率提高了500多倍。青霉素的发明是人类的标志性的伟大成果英国生物学家弗莱明微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第六，微生物种源丰富，未知者众多。动植物有珍稀、濒危之说，而微生物无珍稀濒危之说。目前，很难用多少属、多少种、“特有种”、“蕴藏量”来估价微生物的资源量。全世界现已知的微生物种类不到实有数的2％，相对而言，已知的高等动植物所占的比例要大得多。微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立第七，对微生物资源的研究与开发比动植物晚许多，但已取得了极其辉煌的成就。微生物是种类繁多的可再生资源，是最丰富的遗传基因库。对微生物资源的开发，不存在“过度”问题，也不会因开发造成原产地微生物资源减少或绝灭的问题。微生物是一类天然资源

的公众意识远远没有建立生物资源的三大资源，即动物、植物、微生物，其中微生物是一类与动植物资源不同、生产性能优越、开发前景广阔的生物资源。微生物网构成整个食物链的基础

很多海洋学家目前确信，整个食物链是建立在微小的单细胞细菌和小海藻基础之上，细菌和小海藻又受小病毒的侵袭。这些病毒因为太小，以前未曾探测到，但几百万年以来一直是海洋生态系统中的一部分，已知对人类健康不构成任何威胁。

微生物网构成整个食物链的基础有关海洋食物链的传统理论认为，海洋中的小动物吃海藻为生，这些小动物又作为较大海洋动物的食物。这种理论没有考虑到占压倒多数的由病毒、细菌、海藻和原生动物组成的海洋生物量的作用。微生物网构成整个食物链的基础

科学家们不再认为存在简单的、直线的生物链，而是有一个复杂的实际上不可见的微生物网，构成整个食物链的基础。固氮根瘤菌微生物与能源开发

通过微生物发酵可以产生一些能够作为能源的东西。比如说，浸泡在水中的粮食如糯米，会发出酒糟味，这是因为在无氧条件下，厌气微生物酶发挥作用，将粮食中的碳水化合物分解为乙醇，也就是酒精。南方人喜欢吃的糯米酒糟，就是利用无氧发酵制成的美味食品。酒精不仅是重要的工业原料，而且可以作为燃料替代品，解决能源不足的矛盾。

微生物与能源开发

传统的发酵酒精生产是以玉米等粮食作为原料的，这无疑会使这项生产受到限制。于是人们热衷于寻找廉价的替代原料，过去，像农作物秸秆、杂草、树叶、果壳、蔗渣等一向被视为废弃物。现在这些“小人物”将被派上大用场。为什么这么说呢？

微生物与能源开发

我们知道，纤维素是葡萄糖分子聚合而成的多聚糖，如果能想办法把这些大分子降解的话，酒精、葡萄糖等有用的大分子将被源源不断地生产出来。这无疑是变废为宝的好途径。由于这条途径的诱人前景，世界上的许多国家都在加紧进行这方面的研究开发工作，期待着有一天，“绿色石油”——发酵酒精会源源不断地生产出来。

微生物与能源开发

在这方面，科学家们对发酵微生物，比如酵母菌寄予很大的希望。目前虽然还不能利用酵母菌一步实现从纤维素发酵酒精的过程，但科学家们正在构建这方面的“工程菌”，并取得了可喜的成绩，估计在不久的将来会取得突破性的进展。

微生物与能源开发

我们中的许多人大概都听说过沼气吧。它的学名是甲烷，同酒精一样，也是可燃烧的气体，并可由农作物废弃物等发酵产生。在我国广大农村，建起了数以万计的小型沼气发酵池，充分利用人畜粪便、农作物秸秆、杂草、树叶等有机垃圾生产沼气，既可解决农村用能源，又能改善生态环境、培肥庄稼、确实是一举多得的好事。在西方一些国家，则建起了大型沼气发酵厂，大量从废弃物中回收沼气这种廉价的可再生能源。

微生物与能源开发

除了发酵生产酒精和沼气之外，科学家们还发现了能帮助人类采集石油的微生物，能够产氢的微生物等等，它们都将会在新能源的开发上大显身手。

微生物与能源开发石油和天然气的燃烧会产生烟、酸雨和全球温室效应，而氢气燃烧只产生水。但氢气发动机对环境的影响并不像想象的那么好。现在的氢气发动机的泄漏导致10％以上的氢气未经燃烧就漏到大气中去。根据加州理工学院的研究人员的计算，如果使用氢气燃料电池代替所有的石油和天然气技术，人类向空气中释放的氢气是目前的4至8倍。氢气被氧化成为水，覆盖在大气层外面，它引起的冷却效应会增进破坏臭氧的化学反应。研究者认为阻止氢气渗漏，破坏臭氧的含氯氟烃的减少、氢气被泥土吸收等因素能减少臭氧液破坏。他们的报告发表于6月13日的Science上。生物催化合成的特点反应条件温和(30-40oC，常压，水相反应)反应选择性高反应产物纯度高（包括光学纯）反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃）反应收率主要取决于菌种的性能IndustrialMicrobiologyandFermentationTechnologyIndustrialMicrobiologyisthedisciplinethatusesmicroorganisms,usuallygrownonalargescale,toproducevaluablecommercialproductsorcarryoutimportantchemicaltransformations.FermentationTechnologyisthetechnologytogrowcellsinalargescalewithhighefficiency,italsoincludesproductrecoveryprocesses.FlowsheetfordevelopinganindustrialmicrobialfermentationprocessStrainselectionLaboratoryprocessdevelopmentPilotScaleupIndustrialScaleupDownstreamprocessdevelopmentProductpackagingtechniquesOthercommercialconsiderationExamplesStrainSelectionPurchasefromCultureCollectionsScreeningofnaturecircumstancesGeneticengineeringMutationsCellbiologytechniquesInternationalCultureCollectionsDomestically,strainscanbepurchasedfrom:CGMCCorChinaGeneralMicrobiologicalCultureCollectionCenter中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，北京中关村ScreeningofnaturecircumstancesGeneticEngineeringIncorporationintoartificialplasmidsofgenesfromawidevarietyofsourceshasmadepossiblethetransferofgeneticmaterialacrossvirtuallyanyspeciesbarrierVarioushighvalueaddedproductshavebeenproducedfromtheGeneticengineeringmethodsMutationViachemicalorphysical,andbiologicalmeansCellbiologytechniquesProtoplastfusionremovingthecellwallwithlyticenzymesinthepresenceofosmoticstabilizers.Inthepresenceoffusogenicagentsuchaspolyethyleneglycol(PEG),protoplastsareinducedtofuseandformtransienthybridsordiploids.Regenerationofviablecellsfromthefusedprotoplasts.StagesneededfortransferringanindustrialprocessfromthelaboratorytothecommercialfermentorShakeflashExperimentsLabscalefermentor(5-10L)Pilotscalefermentor(300-3000L)Commercialfermentor(10,000-500,000L)Laboratoryprocessdevelopment

ShakeFlaskExperimentsOptimizationofconditionsforcellgrowthandproductformationusingshakeflaskexperiments: 1.pH 2.Temperature 3.Dissolvedoxygen(DO) 4.Substratechoice 5.Maximalandoptimal substrateconcentration 6.OthersLaboratoryProcessDevelopment

FermentorAgitationCoolingandheatingAirinletandoutletpHcontrolNutrientadditionInoculationViewingportAseriesoffermentorsusedforlabscaleprocessdevelopmentLaboratoryprocessdevelopment

LabscalefermentorExperimentsBatchprocessFed-batchprocessContinuousprocessSemi-continuousprocessFermentationProcess:

BatchProcessAllthenutrientsneededforcellgrowthwillonlybeaddedonceatthebeginningoffermentation.Fermentationprocess:

Fed-batchprocessDuringthefermentation,additionalnutrientswillbeaddedinabatchwaytopromotethecellgrowthorproductformationandtoavoidnutrientdeficiency.Fermentationprocess:ContinuousprocessFermentationprocess:

Semi-continuousprocessSimilartocontinuousprocess,withtheadditionofnutrientsandoutflowoffermentationbrothinacontinuousandbatchway.ProcesscontrolandmonitoringProcessparameterstobemonitorsSugarconsumptionpHTemperatureFermentationtime(h)AgitationCellDryWeightProductComputersoftwareshavebeendevelopedtomonitorandchangetheprocessonlinePilotScaleUpScaleup:Thetransferofaprocessfromsmall-scalelaboratoryequipmenttolarge-scalecommercialequipmentPilotexperimentTotestthefeasibilityofthelabscalefermentationprocessinasemi-industrialscalePilotfermentorsnormallyhaveasizerangingfrom50Lto10,000L,dependingontheproductstobemassproducedlater.FermentorsizesforvariouspurposesProblemsemergingduringthescaleupAsthesizeoftheequipmentisincreased,thesurface-volumeratiochangesLargefermentorhasmuchmorevolumeforagivensurfacearea,itisobviouslymoredifficulttomixthebigtankthanthesmallflaskInscaleupstudiesonaerobicfermentations,oxygenrateinthefermentorisbestkeptconstantasthesizeofthefermentorisincreased.HowtokeepDOconstant?IncreasestirringrateIncreaseairpressureUsepureoxygenIncreaseairinletIndustrialScaleupTotransferthepilotscaleresultsintoacommerciallyfeasibleproductionsetting.Fermentorsizesrangefrom100Lto500,000L,dependingonproducts.IndustrialFermentationSettingDownstreamProcessDevelopmentChromatographyFilter(pressfilter)DownstreamProcessDevelopmentContinuouscentrifugesUnitOperationsinDownstreamSeparationMicrofiltersUltrafiltrationGelchromatographyReverseosmosisDialysisElectrodialysisIonexchangeDistillation/freezedrySolventextractionFoamandbubblefractionationUltracentrifugationCentrifugationLiquidcyclonesGravitysedimentationSizeDiffusivityIonexchangeVapourtemperature,pressureSolubilitySurfaceactivityDensityProcessingfermentationbrothFermentationDiluteslurryCentrifugationFiltrationSedimentationClarifiedliquorFiltrationBrightliquorConcentratedslurryDewateringDryingDryBiomassCentrifugation:ContinuouscentrifugationProductPackagingTechniquesSterilPackagingTechniquesforMedicalApplicationsandFoodPreservationPyrogenFreeandSterilPackagingforInjectionPurposeFreezeDryPackagingforFoodsorMedicinesDewateredPackaging(suchasDryYeast)NormalFoodPackaging(suchasNa-glutamate)SaltyPackagingPreservationChemicalsOrdinaryPackagingOtherCommercialConsideration

StrengthsandweaknessesofbiotechnologicalprocessesStrengthsRelianceonrenewablefeedstocksVersatilitywithdifferentfeedstocksFood,feedanddrugapplicationsFinechemicalstobulkchemicalapplicationsLowtemperatureOperationinaqueousmediaSeveralreactionsachievedinasinglefermentationstepHighlevelofautomationStereospecificityComplexmoleculesconvertedand/orproduced“Benign”effluentsproducedWeaknessesFeedstocksareoxidizedandunsuitableformanyapplicationsFeedstockcostsfluctuateSterilizationisamajorcostProductoftenindiluteaqueoussolutionsProductrecoverycostlyEquipmentcostshighReactionsslowleadingtopoorvolumetricproductivityComplicatedreactionconditionsMainlybatchoperationHighcell(catalyst)regenerationcostsHighBODwastesOtherCommercialConsideration

CostEvaluationOutlineoftotalcapitalinvestmentFixedcapitalDirectcosts(Land,sitedevelopment,buildings,processing,services)Indirectcosts(Engineering,construction,Conting