生物生產與環(huán)境保護

1、2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室第4章生物生產與環(huán)境保護4.1 生物生產的特點4.1.1 生化反應及其過程 4.1.2 生物生產的特點4.2 生物反應器 4.2.1 生物反應器概念 4.2.2 生物反應器分類 4.2.3 固定化酶（細胞）生物反應器 4.2.4 生物反應器生態(tài)系統(tǒng)的動力學概論4.3 生物絮凝劑的生產與應用 4.3.1 生物絮凝劑及其意義 4.3.2 生物絮凝劑發(fā)展歷史 4.3.3 生物絮凝劑產生菌及篩選 4.3.4 生物絮凝劑的結構及絮凝機理(j l) 4.3.5 影響生物絮凝劑絮凝效果的因素 4.3.6 生物絮凝劑的遺傳學研究 4.3.7 生

2、物絮凝劑的發(fā)酵生產 4.3.8 生物絮凝劑的應 4.3.9 發(fā)展與展望 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室第4章生物生產與環(huán)境保護4.4 寡果糖的生產4.4.1 寡果糖及其作用4.4.2 寡果糖的生物合成機制4.4.3 寡果糖的工業(yè)化生產4.4.4 提高發(fā)酵液中寡果糖含量的研究4.4.5 利用廢糖蜜生產寡果糖4.5 甲殼素和殼聚糖的生產4.5.1 蝦蟹殼制備甲殼素與殼聚糖4.5.2 微生物法生產甲殼素與殼聚糖4.6 微生物生產單細胞蛋白4.6.1 單細胞蛋白簡介4.6.2 生產單細胞蛋白的微生物4.6.3 可用于生產單細胞蛋白的原料4.6.4 單細胞

3、蛋白的生產工藝4.6.5 發(fā)展(fzhn)單細胞蛋白需注意的問題共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7 微生物肥料(filio)4.7.1 微生物肥料的定義及作用4.7.2 微生物肥料的作用機理4.7.3 微生物肥料簡介4.8微生物農藥4.8.1 生物農藥的概念4.8.2 植物性農藥研究與應用簡介4.8.3 微生物農藥4.9 微生物生產可降解塑料4.9.1 可降解塑料概述4.9.2 PHAs的結構及理化性質4.9.3 PHAs的生物合成4.9.4 PHB的提取技術4.9.5 PHB的生物降解4.9.6 PHB生產存在的問題及解決辦法共一百零五頁20

4、22/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室第4章生物(shngw)生產與環(huán)境保護4.1 生物生產的特點4.1.1 生化反應及其過程4.1.2 生物生產的特點 利用生物體（包括微生物、動物、植物）或其組成部分（酶、細胞器等）進行的反應過程，可以叫做生化反應過程，即：利用生物催化劑從事生物制品生產的過程。 利用生化反應過程可以生產各類產品，而生產所用的原料大多是生物質物質，生產過程能耗較低。因此生物生產是一種極具環(huán)境友好性質的生產技術，在保護環(huán)境、造福人類方面具有極大的價值。利用微生物還可以生產一些易生物降解的材料和制品，一般可以叫做綠色微生物制品。 共一百零五頁2022/7/

5、30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室 4.1.2 生物生產的特點利用生物進行有用產品的生產的生物反應過程(guchng)具有下列特點： 由于采用生物催化劑，反應過程在常溫常壓下進行; 采用可再生資源（renewable resources），如碳水化合物、蛋白質等; 與化工生產相比，生產設備較為簡單，能量消耗一般也較少，但由于過高的底物或產物濃度常導致酶的抑制或細胞不能耐受如此高的滲透壓而失活; 酶反應過程的專一性強，轉化率高，發(fā)酵過程成本低，應用廣，但反應機理復雜，較難控制，反應液中雜質較多，給提取

6、純化帶來困難。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.2 生物反應器4.2.1 生物反應器概念 所謂生物反應器是指通過(tnggu)酶、微生物、動植物細胞等的固定化，進行物質轉換的反應器。它是固定了微生物和動植物細胞的生化反應器，催化物質轉換反應的實際上是酶。生物反應器是用于完成生物催化反應的核心設備。生物反應器中的物質轉換是生化反應，即酶促反應，故在常溫常壓下進行。因為反應是在自然條件進行的，故其費用一般是很低廉的。進一步來講，此種轉換是酶促反應，故特異性很高，對于作用物能有選擇地轉換。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w

7、hu n)實驗室 4.2.2 生物反應器分類生物反應器可分為細胞反應器和酶反應器兩類。通常(tngchng)用于微生物細胞培養(yǎng)的生物反應器的體積為10200m3，大的生物反應器可以達到1500m3，甚至1900m3。一般來說，生物反應器的容積越大，其生產效率就越高。目前，生物反應器主要包括以下幾種基本類型。 攪拌釜反應器（stirred tank reactor，STR） 含內置攪拌裝置。 泡柱式反應器（bubble column） 攪拌主要依賴于以噴霧的形式引入的空氣或其他氣體。 氣升式生物反應器（airlift reactor） 含有內置或外置的循環(huán)管道。由于引入的氣體（通常是空氣）的運動

8、，導致了反應器內不同位置密度不同，使培養(yǎng)液能夠進行混合，并保持循環(huán)流動。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室 4.2.3 固定化酶（細胞）生物反應器當利用不生長的死亡菌體，即分離出來的酶進行(jnxng)生物生產時，為了反復利用酶進行(jnxng)連續(xù)的生物生產，常常將酶固定化，固定化酶或固定化細胞統(tǒng)稱為固定化生物催化劑。已有大量的工業(yè)化應用的固定化生物催化劑，見表4-1。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室根據(gnj)其進料和出料的方式，固定化酶（細胞）反應器可分為兩種基本類型（見圖4-2）。共一百零五頁2

9、022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室 4.2.4 生物反應器生態(tài)系統(tǒng)(shn ti x tn)的動力學概論 一般而言，生物反應器系統(tǒng)具有動態(tài)性，這一點在很大程度上決定了系統(tǒng)的演化。因此，研究系統(tǒng)的演化就必須研究系統(tǒng)的動力學。在生化反應過程中，從啟動到系統(tǒng)的成熟，從受沖擊負荷到恢復穩(wěn)態(tài)，整個反應器的狀態(tài)是十分復雜的，其動態(tài)性及過程控制最優(yōu)化均需要考慮動力學行為與模型化。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.2.4.1 生物反應器的三種(sn zhn)動力學行為4.2.4.2 生物反應動力學的模型化 4.2.4.3 生物反應

10、器動力學研究的意義共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3 生物絮凝劑的生產與應用4.3.1 生物絮凝劑及其意義4.3.1.1 生物絮凝劑及分類微生物絮凝劑是一類由微生物產生的代謝產物，主要成分有糖蛋白、多糖、蛋白質、纖維素和DNA等。它是利用微生物技術，通過細菌、真菌(zhnjn)等微生物發(fā)酵、提取、精制而得到的，具有生物分解性和安全性的新型、高效、無毒、無二次污染的水處理劑。根據絮凝劑物質組成的不同，微生物絮凝劑可分為三類。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.1.2 生物絮凝劑的功能開發(fā)一種安全無

11、毒、絮凝活性高、無二次污染的新型絮凝劑對物質產品的生產工藝改進、人類的健康和環(huán)境保護都有很重要的現實意義。20世紀80年代后期，伴隨生物技術的發(fā)展，第三類絮凝劑生物絮凝劑（bioflocuculant）應運而生。它是一類由微生物產生的可使液體中不易降解的固體懸浮顆粒(kl)、菌體細胞及膠體離子等凝集、沉淀的特殊高分子代謝產物。生物絮凝劑具有許多獨特的性質和優(yōu)點。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.2 生物絮凝劑發(fā)展歷史盡管在20世紀50年代，人們就發(fā)現了能產生絮凝作用(zuyng)的細菌培養(yǎng)液，但真正深入的研究卻始于1976年，J.Nakam

12、ura等對能產生絮凝效果的微生物進行了研究。從霉菌、酵母菌、細菌、放線菌等214種菌株中篩選出19種具有絮凝能力的微生物，其中霉菌8種，酵母菌1種，細菌5種，放線菌5種，研究較為深入的是Aspergillus Sojae AJ7002產生的絮凝劑，由此掀起了微生物絮凝劑的研究熱潮。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室絮凝活性的測定可以按以下方法進行(jnxng)。在1000ml量筒中加入0.5g高嶺土，5ml CaCl2，2ml發(fā)酵液，然后加水至100ml，調pH=7.0，搖均后靜置3min，同時以不加發(fā)酵液的高嶺土懸浮液加照，721分光光度計在55

13、0nm處測定其透光率。用絮凝率來表示絮凝活性。 絮凝率=（A-B）/Al00式中 A對照上清液的透光率； B樣品上清液的透光率。絮凝活性的測定共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-2 已經報道(bodo)的生物絮凝劑產生菌革蘭陽性菌R.erythropolis(陽平紅球菌)Nocardia restriea(椿象蟲諾卡菌)Nocardia rhodnii(紅色諾卡菌)Corynebacterium(棒狀桿菌)真菌Aspergillus sojae(醬油曲酶)Paecilomyces sp.(擬青霉屬)White rot fungi(白腐真菌)革蘭陰

14、性菌Alcaligenes latus(協(xié)腹產堿桿菌)Alcaligenes cupidus其他Agrobacterium sp.(土壤桿菌屬)Oerskwvia sp.(厄式菌屬)Pseudomonas(假單胞菌屬)Acinetobacter sp.(不動細菌屬)Dematium sp.(暗色孢屬)4.3.3 生物絮凝劑產生菌及篩選 目前已獲得的生物絮凝劑產生菌很多，包括：細菌、放線菌、霉菌等。主要見表4-2。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.4 生物絮凝劑的結構及絮凝機理4.3.4.1 生物絮凝劑的化學本質關于微生物絮凝劑化學本質的研究大

15、致有三種方法：因子破壞法；化學分析法；再形成法。實際研究中應將三種方法結合起來，以獲得確鑿而具體的結論(jiln)。4.3.4.2 微生物絮凝劑的微觀結構已知的絮凝劑微觀立體結構有兩種。 （1）纖維狀 （2）球狀4.3.4.3 生物絮凝劑的絮凝機理共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室用于生產(shngchn)MFH絮凝劑的菌種如圖4-3和圖4-4。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.4 生物絮凝劑的結構及絮凝機理4.3.4.1

16、 生物絮凝劑的化學本質關于(guny)微生物絮凝劑化學本質的研究大致有三種方法：因子破壞法；化學分析法；再形成法。實際研究中應將三種方法結合起來，以獲得確鑿而具體的結論。4.3.4.2 微生物絮凝劑的微觀結構已知的絮凝劑微觀立體結構有兩種。 （1）纖維狀 （2）球狀共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.4.3 生物絮凝劑的絮凝機理 絮凝的機理主要有三種(sn zhn)：橋連作用、中和作用和卷掃作用。微生物絮凝劑是帶有電荷的生物大分子，這三種(sn zhn)機理都可能存在。但主要是前兩種，這只是與無機鹽絮凝劑相比較而言所得的結論。 共一百零五頁20

17、22/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.5 影響生物絮凝劑絮凝效果的因素4.3.5.1 底物種類對絮凝效果的影響有些研究者認為，正是因為一些微生物絮凝劑是通過化學(huxu)橋聯(lián)作用將被絮凝物質集聚在一起，所以其絮凝作用通常是廣譜的，不易受微生物個體和顆粒表面特性的影響。 4.3.5.2 絮凝劑濃度及相對分子質量對絮凝活性的影響4.3.5.3 絮凝條件對絮凝活性的影響除了被絮凝物質和絮凝劑本身的濃度和分子量外，影響微生物絮凝劑絮凝能力的因素還包括溫度、pH值、無機金屬離子等工藝條件。 （1）溫度 （2）pH值 （3）金屬離子與其他無機離子 共一百零五頁2022/7

18、/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.6 生物絮凝劑的遺傳學研究 絮凝劑產生的基因調控是一個復雜的過程，涉及定位(dngwi)基因與抑制基因的相互作用、定位(dngwi)基因的表達、絮凝基因的合成和分泌等。利用啤酒酵母菌株為實驗材料，人們發(fā)現了三個決定絮凝特性的顯性基因（FL01，FL02，FL04）及一個半顯性基因（FL03），FL01基因可被位于其他染色體上的一些基因抑制而失去表達能力。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.7 生物(shngw)絮凝劑的發(fā)酵生產生物絮凝劑的生產包括微生物的培養(yǎng)、發(fā)酵生產及調控、產品分離

19、等。4.3.7.1 微生物培養(yǎng)條件產絮凝劑的微生物分布廣泛，因此，不同的微生物培養(yǎng)條件有很大的差異，主要影響因素有：培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)溫度、初始pH值、培養(yǎng)液內溶解氧等（如表4-3）。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-3 幾種絮凝性微生物培養(yǎng)(piyng)條件因素氣單胞菌GC24醬油曲霉擬青霉菌紅半紅球菌培養(yǎng)基主要成分/gL-1葡萄糖 20脲 0.5酵母膏 0.5酵母膏20葡萄糖 20干酪酸 3葡萄糖 20酵母膏 0.5溫度/30302530初始pH值8.06.07.08.5時間/h6570120100160共一百零五頁2022/7/30化工學院

20、 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.7.2 微生物絮凝劑的合成（1）生物合成絮凝劑的階段 （2）絮凝劑在微生物培養(yǎng)液中的分布 （3）影響微生物絮凝劑合成的因素 4.3.7.3 絮凝劑分離純化（1）凝膠電泳 （2）溶劑(rngj)提取 （3）堿提取 4.3.8 生物絮凝劑的應用共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-4 一些生物(shngw)絮凝劑的生產菌種及條件生物絮凝劑絮凝劑產生菌應用范圍NOC-1PF101R.erythropolis S-1Asp. Sp. JS-42Asp. Sojoe AJ 7002Alcaligenes lat

21、us B-16Paecilomyces sp. I-1微生物細胞、活性污泥、泥漿水、河底沉積物、電廠煤灰水、活性炭粉水等微生物細胞、纖維素分、硅膠、活性炭、氧化鋁、河底污泥等啤酒酵母、活性污泥鋼廠廢水除濁、造紙廠廢水脫色、油濁液除油等微生物細胞、血紅細胞、活性污泥、纖維素粉、羧甲基纖維素、活性炭、硅藻土、氧化鋁等MF-6MF-8MF-24NATSporolactobacillus GC3Arthrobacter SB6Pseudomonas SB8Aeromonas GC24C-62果汁、血細胞懸液、菌懸液、泥漿水、屠宰廢水、碳素墨水、染液等的脫色染料脫色豬糞尿廢水、紅豆加工廠廢水等共一百零五

22、頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.3.9 發(fā)展與展望從目前最好的微生物絮凝劑NOC-1問世，至今已有近20年的時間了，而絮凝劑的研究一直未取得(qd)突破性的進展。究其原因有二：第一，工作開展的范圍太窄，只停留在了菌種篩選和絮凝劑性能的研究上；第二，思路沒放開，研究重點只放在了微生物絮凝劑本身的開發(fā)上，并未進行復合型微生物絮凝劑的研究，從而未實現大規(guī)模的工業(yè)生產和應用。據此，今后工作的開展，重點應放于開發(fā)廉價的復合型的微生物絮凝劑。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.4 寡果糖的生產4.4.1 寡果糖及其作用

23、隨著人們對健康的重視，保健性食品越來越受到人類的青睞。其中新型低聚糖的出現和發(fā)展便是其中一例。所謂低聚糖，一般是指24個單糖以糖苷鍵連接起來的糖類的總稱。人們熟悉的蔗糖也屬此列，蔗糖無論在甜味性質還是在食品加工的品質特性方面，都可以說是最好的甜味劑。然而近來越來越多的研究表明，蔗糖的攝人與齲齒、腸胃病、便秘和膽固醇等脂質代謝及大腸癌的發(fā)生有極大的關聯(lián)，這就促使(csh)人們將眼光轉向既具有良好的物理與化學特性，又具有良好的生理學功能的新型低聚糖，所以目前新型低聚糖類食品正具有迅速增長的趨勢和背景。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室寡果糖（fruct

24、ooligosaccharides，簡稱FOS）又稱低聚果糖或蔗果三糖族低聚糖，分子式為GFFn（n=13,G為葡萄糖，F為果糖），它是由蔗糖和13個果糖基通過-1，2鍵與蔗糖中的果糖基結合而成的蔗果三糖（GF2），蔗果四糖（GF3），蔗果五糖（GF4）及其混合物。其分子式如圖4-5。寡果糖的甜度為蔗糖的0.20.4倍，其黏度、水分活度、保濕性與蔗糖程度相同，中性條件下的熱穩(wěn)定性也與蔗糖相當，pH=34的酸性條件下加熱(ji r)易分解。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室寡

25、果糖作為一種對人、對生物具有特殊生理作用的功能性低聚糖，具有如下生理作用特點：增殖體內的雙歧桿菌，提高人體的免疫能力；寡果糖類似于水溶性植物纖維，能降低血脂，降低血液中膽固醇和甘油三酯的含量，改善脂質代謝；寡果糖很難被人體消化道唾液酶和小腸消化酶水解，發(fā)熱低（小于6.27J/g），它很少轉化為脂肪，不會使人發(fā)胖；寡果糖不能被引起齲齒的主要微生物（變異鏈球菌）所利用，對牙齒(ych)無不良影響；寡果糖不易使血糖升高，可供糖尿病人食用；將寡果糖加到化妝品中使用，可抑制面部及皮膚表面有害菌的生長；寡果糖對家畜，家禽具有相同功能，是功能性飼料添加劑，在國外被稱為原生質。共一百零五頁2022/7/30化

26、工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.4.2 寡果糖(gutng)的生物合成機制生物合成寡果糖的機理是以蔗糖為原料，利用生物產生的果糖基轉移酶的催化作用，進行分子間果糖轉移反應而生成FOS。Fischer等人認為酶的催化反應分兩步進行：第一步形成酶一果糖復合物，釋放出葡萄糖；第二步該復合物將果糖基轉移給水或蔗糖。生成果糖或三糖，其反應過程如圖46所示。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室

27、4.4.3 寡果糖(gutng)的工業(yè)化生產在國外，人們對集“營養(yǎng)、保健”于一體的低聚糖類產品需求旺盛。據悉，日本年需求低聚糖4.7萬噸，價值100億日元，其商業(yè)產品在日本稱為Meioligo（明治寡糖），在美國采用的英文名稱為Neosuagar。目前Neosuagar的商品產品有兩種：一為非精制的糖漿產品Neosuagar G；一為精制的白色粉末狀產品Neosuagar P。寡果糖在西歐各國年需求20萬噸，價值25億美元。荷蘭、比利時和英國等國的許多大學、研究機構都競相開展有關寡果糖的研究，并且寡果糖已被作為控制膽固醇水平的功能性甜味劑而被廣泛應用于許多食品產品中。 共一百零五頁2022/7

28、/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.4.3.1 菊糖水解生產寡果糖菊苣和洋薊的塊根中均含有大量的果聚糖，聚合度大于30的果聚糖易于從溶液中結晶出來，稱為菊粉或菊糖，菊粉經內切菊粉酶部分酶解后即可制得寡果糖FOS（GFn）和菊粉低聚糖IOS（Fm）的混合物，再經精制處理即得FOS和I0S產品，比利時的兩家公司(n s)分別用此法以菊苣和洋薊為原料，開發(fā)出了商品名為Raftilose和Fibruline的寡果糖，產品的聚合度為29。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.4.3.2 微生物酶轉化生產FOS目前國內外絕大多數都是利用真

29、菌產生的果糖基轉移酶來進行FOS的工業(yè)化生產，發(fā)酵生產果糖基轉移酶所常用的菌種有黑曲霉、出芽短桿酶和米曲霉等。這些菌種所產生的果糖基轉移酶都是胞內酶。生產FOS的第一步是通過(tnggu)液態(tài)深層發(fā)酵來生產含酶量高的菌絲體，在獲得含果糖基轉移酶的菌體之后，理論上可采用以下工藝來生產FOS。 （1）微生物發(fā)酵法（2）酶法生產FOS共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.4.4 提高發(fā)酵液中寡果糖(gutng)含量的研究4.4.4.1 雙酶法生產FOS4.4.4.2 共固定化生產高純度FOS 4.4.5 利用廢糖蜜生產寡果糖共一百零五頁2022/7/30化

30、工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.5 甲殼素和殼聚糖的生產甲殼素（chitin）又名甲殼質、殼多糖、聚乙酰氨基葡萄糖、幾丁質、殼蛋白，其化學名為-（14）-2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，是由N-乙酰氨基葡萄糖通過-（14）糖苷鍵縮合而成的。甲殼素是一種天然有機(yuj)高分子多糖，年生物合成量估計可達100億噸，是自然界中產量僅次于纖維素的第二大天然有機化合物，還是世界上數量最大的含氮有機化合物。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.5.1 蝦蟹殼制備甲殼素與殼聚糖 目前(mqin)我國制備甲殼素的主要工業(yè)原料是水產加工廠的固

31、體廢棄物蟹殼和蝦殼。由于蝦殼和蟹殼主要是由甲殼素、蛋白質和碳酸鈣組成，因而傳統(tǒng)的用蝦蟹殼制備殼聚糖的過程實質就是脫碳酸鈣、脫蛋白質和脫乙?；摹叭摗边^程。傳統(tǒng)工藝流程如圖4-8所示。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.5.2 微生物法生產甲殼素與殼聚糖 生產甲殼素與殼聚糖的原料主要以蝦蟹殼為主，也有以蠅蛹殼、寬跗隴馬陸和蟬為原料生產甲殼素與殼聚糖的報道。但由于目前的以蝦蟹殼為原料生產甲殼素和殼聚糖存在生產工藝復雜、成本高和產生的廢水(fishu)對環(huán)境污染大等缺點，因

32、此人們開始研究用微生物法生產甲殼素與殼聚糖。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室 以真菌為原料生產甲殼素與殼聚糖時， 以真菌為原料生產甲殼素和殼聚糖擴大了生產原料的來源， 以菌絲體為原料生產出來的產品性能更加優(yōu)良。 與利用蝦蟹殼為原料生產甲殼素與殼聚糖一樣(yyng)，真菌均來源于工業(yè)生產中產生廢渣， 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.5.2.1 黑曲霉轉化(zhunhu)生產甲殼素或殼聚糖表4-5 實驗提取的殼聚糖部分質量指標質量指標游離氨基/%黏均相對分子質量104水分/%得率/%黑曲霉猴頭菇平菇93

33、.7674.4377.58.2757.8167.8589.169.0912.412.104.818.41共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.5.2.2 用絲狀真菌(zhnjn)生產甲殼素或殼聚糖表4-6 各菌種生產殼聚糖情況比較霉菌種類500ml培養(yǎng)液生產殼聚糖物質干重/g產量/（干重/L培養(yǎng)液）魯氏毛霉犁頭霉雅致放射毛霉五通橋毛霉華根霉米根霉高大毛霉米曲霉1.810-31.910-31.710-31.310-32.310-34.310-36.410-36.210-30.3610-20.3810-20.3410-20.2610-20.4610-20

34、.8610-21.2810-21.2410-2共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.5.2.2 用絲狀真菌生產甲殼素或殼聚糖絲狀真菌細胞中存在著甲殼素合成酶和甲殼素脫乙酰酶，具有自身的催化作用，可以(ky)把細胞內容物UDP（尿苷二磷酸）-N-乙酰葡萄糖胺轉變成殼聚糖，其生物合成過程如圖4-10所示。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室婁永江等提出了一套從檸檬酸廠廢棄菌絲體中提取(tq)殼聚糖的工藝流程，見圖4-9。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2

35、022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-7 各菌種最佳生產(shngchn)情況霉菌種類最佳培養(yǎng)溫度/最佳培養(yǎng)時間/h最高產量/（干重g/L 培養(yǎng)液）魯氏毛霉犁頭霉雅致放射毛霉五通橋毛霉華根霉米根霉高大毛霉米曲霉2528222822282228293022242228222844604545506060601.3010-20.2610-21.2610-21.0710-21.4410-20.8610-21.2810-21.2410-2實驗得出了各菌種生產殼聚糖的情況（見表4-6）和各菌種的最佳值（見表4-7）。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn

36、 w hu n)實驗室表4-8 溫度(wnd)對殼聚糖產率的影響溫度/產率/%溫度/產率/%2224262810.5313.5114.2915.6830323414.3214.3013.80共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-9 搖床轉速(zhun s)對殼聚糖產率的影響搖床轉速/rmin-1產率/%搖床轉速/rmin-1產率/%15017520022513.2114.5515.0915.1825027530015.6815.6815.67共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-10 不同培養(yǎng)(piyn

37、g)時間下殼聚糖的產率培養(yǎng)時間/h產率/%培養(yǎng)時間/h產率/%35404510.3214.3915.68556015.6712.17共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-11 培養(yǎng)(piyng)時間對殼聚糖產量及菌體生物量的影響培養(yǎng)時間/h殼聚糖產量/g細胞壁產量/g菌體生物/g4872961201441.551.951.801.751.645.505.655.525.505.4316.4719.3118.5018.1917.21共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-12 生物素對殼聚糖產量(chnli

38、ng)及菌體生物量的影響生物素量/mg殼聚糖產量/g菌體生物量/g生物素量/mg殼聚糖產量/g菌體生物量/g0.01.01.952.0519.3119.802.03.02.202.3020.2020.50共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.6 微生物生產單細胞蛋白4.6.1 單細胞蛋白簡介4.6.1.1 單細胞蛋白的概念和分類單細胞蛋白（single cell protein,簡稱SCP）是指用各種基質(j zh)大規(guī)模培養(yǎng)細菌、酵母菌、霉菌、藻類和擔子菌獲得的微生物蛋白（或菌體蛋白），是食品工業(yè)和飼料工業(yè)的重要蛋白質來源。單細胞微生物可以利用各種

39、基質(j zh)，如碳水化合物、碳氫化合物、石油副產品、氫氣以及有機廢水等在適宜的條件下生產單細胞蛋白。“單細胞蛋白”一詞由美國麻省理工學院的Carroll Wilson教授于1996年首先提出，于1967年在麻省理工學院召開的第一屆世界單細胞蛋白會議上，將微生物菌體蛋白統(tǒng)稱為單細胞蛋白，同時明確指出單細胞蛋白可以作為人類生產和生活中的新的蛋白資源。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.6.1.2 單細胞蛋白的營養(yǎng)單細胞蛋白的營養(yǎng)價值相當(xingdng)高。其生產過程便于準確規(guī)劃和實現高水平的自動化，不與農作物競爭耕地，不依賴于氣候以及季節(jié)條件，生

40、產原料十分廣泛。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室表4-13 單細胞生物體與傳統(tǒng)食品的各種營養(yǎng)成分含量(hnling)比較/%成分品種水分粗蛋白粗脂肪可消化碳水化合物粗纖維灰分BP正烷酵母BP柴油酵母BP石油酵母蘇聯(lián)石油酵母ESSO細菌氫細菌紙漿酵母螺旋藻小球藻大米小麥大豆4.55.14.56.013.713.411.1954.168.554.150556273747846.0626840508.139.636.997.81.52.81210152.32310301.291.217.7623.915.027.112201035.41820102575

41、.572.824.853.62.13.64.60.880.94.77.17.97.16106125.71.062.14.6共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.6.2 生產單細胞蛋白的微生物 已被應用于生產單細胞蛋白的微生物包括細菌、酵母菌、絲狀真菌(zhnjn)、藻類及放線菌等。生產單細胞蛋白的微生物根據其利用的原料不同可以分為以下七類：共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn

42、w hu n)實驗室以碳水化合物為原料發(fā)酵生產單細胞蛋白，如利用葡萄糖、蔗糖等為碳源的釀酒酵母，利用纖維素為碳源的木霉及青霉等；以碳氫化合物為原料生產單細胞蛋白，以假絲酵母屬的酵母菌的產率為最高；以二氧化碳為碳源，氫為能源生產單細胞蛋白，屬于氫單胞菌（Hydrogenomonas）；以甲烷為原料生產單細胞蛋白，以細菌為主，如甲烷假單胞菌及嗜甲烷單胞菌等；以甲醇(ji chn)為原料生產單細胞蛋白，以細菌為主，如甲烷單胞菌屬、甲基球菌屬及假單胞菌等；以乙醇為原料生產單細胞蛋白，以酵母菌如假絲酵母為主，其次為霉菌和細菌；利用光能生產單細胞蛋白，有單細胞壁不易為人體所消化，而且藻類還會富集重金屬 。

43、共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.6.3 可用于生產單細胞蛋白的原料 由于可生產單細胞蛋白的微生物種類很多，包括細菌、酵母菌、霉菌、藻類和擔子菌等，因此(ync)能用于生產單細胞蛋白的原料也多種多樣。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.6.4 單細胞蛋白(dnbi)的生產工藝 生產單細胞蛋白的一般工藝過程如圖4-11所示。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.6.4.1 利用酒糟

44、生產單細胞蛋白 前蘇聯(lián)是一個嚴重(ynzhng)缺乏蛋白質飼料的國家，因此他們很重視利用食品工業(yè)廢水生產飼料酵母。圖4-12是前蘇聯(lián)淀粉質原料酒糟生產干飼料酵母的工藝流程。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.6.5 發(fā)展單細胞蛋白需注意的問題單細胞蛋白如果要廣泛的使用必須要注意以下幾點： 單細胞蛋白的核酸含量高，若是人食用的單細胞蛋白必須要除去核酸； 單細胞蛋白可能會富集一些重金屬之類的有毒物(特別是當生產單細胞蛋白的原料為工業(yè)廢水時)，而且可能微生物會產生一些毒素； 盡

45、可能地降低(jingd)單細胞蛋白的生產成本。研究表明，人攝人藻類的每日允許量是3040g，這類蛋白質含有豐富的-胡蘿卜素、維生素，但其可消化性不好，而且口感不太好。在藻類、酵母、酶菌和細菌中，都含有比較多的和酸，人每日攝人酵母核酸的最大允許量為2g，超過3g就會有引起腎結石等病的危險。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7 微生物肥料 肥料是作物的“糧食”、“營養(yǎng)”，直接關系到作物的產量和產品的質量。我國當前由于過量施用化肥已經對環(huán)境造成了嚴重(ynzhng)的污染。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室

46、 1998年11月，在北京召開的“跨世紀土壤(trng)環(huán)境保護戰(zhàn)略”研究會上，專家們一致認為：目前，全國有1/5的耕地受到重金屬的污染，土壤的重金屬污染、有機污染、農用化學藥品污染等已導致農產品的品質和產量下降，每年至少造成數百億的直接經濟損失，土壤污染已對我國的環(huán)境質量、食物安全和公眾健康構成嚴重威脅；不合理的施肥、污水灌溉等農業(yè)活動對土壤環(huán)境質量和食物品質的影響已不容忽視，在不少地區(qū)已經導致嚴重的湖泊富營養(yǎng)化、地下水污染和蔬菜污染等問題。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.6.4.2 利用亞硫酸鹽紙漿廢液生產單細胞蛋白 亞硫酸鹽紙漿廢液組成

47、中有機物含量達到87%90%，其中糖占22%28%，其余為礦物質。有機質中除木質素難以被生物所氧化外，其余物質一般(ybn)都可以被微生物所轉化?，F在一般(ybn)采用的都是Pekilo工藝，其流程如圖4-13所示。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.1 微生物肥料的定義及作用(zuyng) 微生物肥料在國內外至今尚無確切定義。按照我國著名土壤微生物學家陳華癸院士的觀點，微生物肥料是指一類含有活微生物的特定制品，應用于農業(yè)生產中，作物能夠獲得特定的肥料效應，在這種效應

48、的產生中，制品中活微生物的生命活動起關鍵作用。因此，微生物肥料具有兩個基本特征：含有活的微生物特定制品；通過其微生物的生命活動而產生肥效和或促進農作物生長。按目前微生物肥量的制品和種類來分析，可以分為兩類。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.2 微生物肥料的作用機理4.7.2.1 活化(huhu)并促進植物對營養(yǎng)元素的吸收 根瘤菌類、自生和聯(lián)合固氮菌類微生物肥料可以固定空氣中的氮素，增加植物的氮素營養(yǎng)。根瘤菌與豆科植物形成固氮的器官根瘤，豆科植物宿主有氨同化系統(tǒng)和氧屏障系統(tǒng)，能夠把根瘤固定的氮素不停地轉化，不停地運輸，根瘤系統(tǒng)內的氨濃度始終很

49、低，不會造成對固氮酶系統(tǒng)的毒害，所以根瘤在形成后到破潰前可以一直不停地進行固氮，固定的氮元素量也十分可觀。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.2.2 產生生物活性物質調節(jié)植物生長 研究表明活的微生物活動產生的植物激素、酸性物質以及維生素都能不同程度地刺激調節(jié)植物的生長。 4.7.2.3 抑制病蟲害間接促進植物生長 微生物肥料（主要是PGPR）中的微生物通過與其他微生物相比更能在根部有效的定植、對有害微生物的抗生作用、在根圍的營養(yǎng)競爭中處于優(yōu)勢、能誘導(yudo)植物產生系統(tǒng)抗性和分泌降解病原微生物的酶等來實現對植物的防病促生。共一百零五頁202

50、2/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.3.1 固氮菌肥料 固氮菌肥料是特指由能夠自由(zyu)生活的固氮細菌或與一些和本植物進行聯(lián)合固氮的細菌為菌種生產出來的固氮菌類肥料。表4-18列舉了一些已經使用或可能被作為菌種生產固氮菌肥料的微生物。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.3.2 根瘤菌類肥料 豆科植物根瘤菌共生體系是自然界存在的最重要的生物固氮( dn)體系之一，也是農業(yè)生產中應用最廣泛、經濟效益和社會效益最好的一方面。在一般情況下

51、應對豆科植物進行接種。接種就是在豆科植物種子之前將有效的根瘤菌拌人種子（或土壤）以促進共生固氮( dn)的過程。接種用的根瘤菌制品通常為根瘤菌接種劑或稱根瘤菌肥。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.3.3 解磷微生物肥料 解磷微生物包括巨大芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、氧化硫硫桿菌、解磷真菌、假單胞菌等。解磷微生物肥料的研究歷史不短，但推向生產或進入市場則差距(chj)較大，這要求我們在以后的研究中應著重在以下幾方面進行：研究解磷微生物的解磷機理；研究其解磷條件，研究土壤類型、肥力水平、作物種類對其解磷的影。向；研究生產工藝和條件，既

52、要考慮活菌數量，又要注意其活性以及對不良環(huán)境的抵抗能力。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.3.4 硅酸鹽細菌 基于目前國內外對硅酸鹽細菌的研究現狀，既要發(fā)揮硅酸鹽細菌在生產實踐中的重要作用，又要體現其在科學理論研究和資源保護等方面的價值，應加強對其進行以下幾方面的研究和探索。解鉀機理的研究，目前對解甲(ji ji)機理還存在很多的爭論，需要通過研究將其機理徹底搞清楚才能更好地將它應用于實際。硅酸鹽細菌資源調查及其多樣性的研究，目前我國的鉀肥的消耗贊遠大于其產量。共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.

53、7.3.4 硅酸鹽細菌 基于目前國內外對硅酸鹽細菌的研究現狀，既要發(fā)揮硅酸鹽細菌在生產實踐中的重要作用，又要體現其在科學理論研究和資源保護等方面的價值，應加強對其進行以下幾方面的研究和探索。解鉀機理的研究，目前對解甲機理還存在很多的爭論，需要通過研究將其機理徹底搞清楚才能(cinng)更好地將它應用于實際。硅酸鹽細菌資源調查及其多樣性的研究，目前我國的鉀肥的消耗贊遠大于其產量。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.3.5 光合細菌肥料 光合細菌有固氮能力，與其他(qt)固氮菌共存時，可大大提高土壤肥力，作為底肥、追肥或葉面肥，可使農作物增產，改

54、善土壤鹽化、板結，有利于根系發(fā)育。光合細菌作肥料能使農作物增產質量提高，主要由于光合細菌能利用硫化物、氨態(tài)氮和小分子有機物進行光合作用，將有害污染物（如化肥和農藥等）變?yōu)闋I養(yǎng)物質或無害物質，作為植物的養(yǎng)分。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.7.3.6 其他微生物肥料類（1）芽孢桿菌制劑 常用的菌種有枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和多黏類芽孢桿菌。（2）分解作物秸稈制劑 微生物秸稈腐熟劑的組成大致為：細菌類（纖維分解菌、芽孢桿菌）；放線菌類（高溫放線菌）；真菌類（如木霉等）。 （3）復合微生物肥料 復合微生物肥料除了含有效微生物外，還有一些營養(yǎng)物質。

55、 （4）PGPR類制劑 PGPR已有的研究成果表明它們在農業(yè)上有良好的應用(yngyng)前景，尤其是這類微生物可以單獨使用，更可以與微生物肥料復合使用，使促生作用、肥效更好地結合起來，以提高和加強應用(yngyng)效果。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.8微生物農藥(nngyo) 目前，人類對應用有毒化學品導致的直接或間接的潛在危險和危害非常重視，而農藥的使用是其中一大問題，環(huán)保、健康、持續(xù)發(fā)展理念的高效、低毒、低殘留、與環(huán)境相容的農藥開發(fā)自然成為了當今農藥發(fā)展的主題，因而也極大推進了生物農藥的發(fā)展。4.8.1 生物農藥的概念所謂生物農藥，

56、就是直接利用生物產生的活性物質或生物活體，具有防治病、蟲害和雜草等功能的一大類物質的總稱，作為農藥使用，具有與人工合成的或天然化合物相同的結構，包括微生物農藥、轉基因農藥、天敵生物農藥等。應用生物農藥對病蟲害進行防治稱為生物防治。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.8.2 植物性農藥研究與應用簡介（1）光活化農藥 近年來，人們發(fā)現一些植物的次生物質對害蟲具有毒性，且在光照條件下的毒效可提高幾倍、幾十倍甚至上千倍，顯示出光活化特性。4.8.3 微生物農藥微生物農藥是能夠用來殺蟲、滅菌、除草以及調節(jié)植物生長等的微生物的活體(hu t)及其代謝產物。包

57、括農用抗生素和活體(hu t)微生物農藥，主要種類有昆蟲病原細菌、昆蟲病原真菌、昆蟲病原病毒、昆蟲病原原生動物、昆蟲病原線蟲、昆蟲病原立克次體。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.8.3.1 病毒殺蟲劑 在自然狀態(tài)下，昆蟲受病原微生物的感染而死亡是一種很常見(chn jin)的現象，已發(fā)現的病原微生物有1000種以上，主要有病毒、細菌、真菌、原生動物等。其中病毒、細菌、真菌的殺蟲效果最好。目前已發(fā)現的昆蟲病毒大約有1200種，我國已分離出的昆種病毒近200種。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零

58、五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.8.3.2 細菌殺蟲劑 目前已知的昆蟲病原細菌有90多種，主要是芽孢桿菌屬、腸桿菌屬、假單胞桿菌屬。其中(qzhng)較為重要的是芽孢桿菌屬的蘇云金桿菌和乳狀病芽孢桿菌。蘇云金桿菌最早被發(fā)現是在1902年，但直至1951年人們才逐步發(fā)現它的商業(yè)價值，經幾十年的研究，目前蘇云桿菌已成為一些國家防治樅色卷蛾的主要手段，例如在加拿大，近90的森林噴灑殺蟲劑中都用了蘇云桿菌。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.8.3.3 真菌殺蟲劑 真菌是種類最多的昆蟲病原微生物，占69以上，數量

59、(shling)達750種之多。昆蟲病原真菌的孢子可在昆蟲的體表或食道進入昆蟲體內，浸染昆蟲。目前已知的致病真菌主要分布在接合菌亞門的蟲霉目和半知菌亞門的絲孢目，這兩類菌的侵染方式略有不同，因而其致病機理也有所不同。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.8.3.4 動物殺蟲劑 許多原生動物和線蟲都是昆蟲的病原體，都可以作為(zuwi)殺蟲劑使用。但由于其殺蟲力較弱，因而能夠真正應用的并不多。其主要的作用是降低昆蟲的繁殖能力，縮短昆蟲的壽命，他們的應用尚處于起步階段。從分類學上講，能作為(zuwi)昆蟲病原體的原生動物多數屬于肉鞭毛蟲綱、孢子綱、微孢

60、子蟲綱等。其中微孢子綱是使用最廣泛的原生動物殺蟲劑。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室4.9 微生物生產可降解塑料4.9.1 可降解塑料概述 塑料工業(yè)的崛起，促進了科學技術和工農業(yè)的高速發(fā)展，1992年世界塑料(slio)產量達1億噸年，各種塑料制品的需求量與日俱增，但同時也帶來廢舊塑料“白色污染”的公害，廢棄塑料大約4000萬噸年，且數量正以驚人的速度增長。生物可降解塑料的分類如圖4-14所示。 共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實驗室共一百零五頁2022/7/30化工學院 生物化工(shn w hu n)實