生物化工產品
正文
是一大類為數眾多的由各種生物反應過程，即包括發酵過程、酶反應過程或動植物細胞大量培養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，通過生物催化劑的作用，在生物反應器中形成，並通過生化分離工程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，如乙醇、丙酮、正丁醇、甘油等，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，如青黴素、澱粉酶、維生素B12、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。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，如各種抗生素、多種甾體激素和維生素、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,即通過重組DNA技術和細胞融合技術等方法生產的產品，如干擾素、單克隆抗體、新型疫苗等。
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石油化工方法生產，但丙-丁發酵仍占相當比例。
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）。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CO2、H2等氣體1.7t,其質量比氫氣占2.7％,CO2占97.3％，因原料、菌種不同，溶劑比和廢氣比有所變化。
生物化工產品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(NH4)2SO4、K2HPO4、MgSO4·7H2O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 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發酵過程及酶反應過程生產。胺基酸主要用於醫藥、食品添加劑、人造皮革、化妝品等方面。（見彩圖）
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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。以甲醇、乙醇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 形成於沼澤底部的可燃性氣體。主要成分是甲烷占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）：
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/m3，可作煤氣使用;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）。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α－干擾素用於治療多種白血病。
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。
參考書目
陳聲著：《近代工業微生物學》，上、下冊，上海科學技術出版社，上海，1979、1982。
H.-J.Rehm and G.Reed ed.,Biotechnology,Vol.3～8,Verlag Chemie GmbH,Weinheim,1983～1986.
M.Moo－Young ed.,Comprehensive Biotechnology，Vol.3～4.Pergamon Press, Oxford,1985.
