生物工艺学第一章 绪论

1生物工艺学™任课教师：刘占英™考核方式：Z平时成绩：10％Z论文：20%Z考试：70％™积极思考、多交流。参考书™《新编生物工艺学》（上、下册），俞俊棠、唐孝宣等主编，化学工业出版社，2007年第一版。™《生物工艺学》，俞俊棠主编，华东理工大学出版社出版，1991。™《微生物工程工艺原理》，姚汝华主编，华南理工大学出版社，1996。™《生化生产工艺学》，梅乐和等编著，科学出版社，2000。™《生物技术导论》（第二版）（影印版），ColinRatledge，BjφrnKristiansen，科学出版社，2002。参考书™《发酵过程优化原理与实践》，陈坚，李寅著，化学工业出版社,2002年第一版。™《生物工艺学》，邱树毅主编，化学工业出版社，2009年5月第一版。™《生物工程设备》，段开红主编，北京：科学出版社，2008年第一版。™《生物工艺学》，李维平主编，北京：科学出版社。2010年第一版。生产生物工程产品的一般过程™原材料(主要是培养基)；™催化剂(微生物和酶）；™反应条件的选择；™反应器的选择和发酵过程动力学；™下游加工（产物的分离纯化）。本课程的主要内容（一）™概论（2学时）；™微生物的代谢调节及其在工业生产中的应用（4学时）；™菌种选育（4学时）；™培养基（4学时）；™灭菌（2学时）；™种子扩大培养（1学时）；本课程的主要内容（二）™发酵工艺过程（操作方式、设备、工艺过程的控制）（12学时）；™工业发酵染菌的防治（2学时）；™动物细胞培养（3学时）；™生物工程产品分离纯化（1学时）；™产品生产举例（4学时）；™复习串讲（1学时）。论文提纲™所获代谢产物的介绍（性质、应用等）；™菌种（分离筛选、选育、保藏的方法）；™培养基（组成、配比、天然培养基的预处理）；™培养基、设备的灭菌；™种子的扩大培养、发酵反应的级数；™代谢的调节控制（所采用的提高产量的方法）；™发酵方式；™发酵所用仪器设备简介；™发酵过程相关参数的检测［菌生长量、主要基质的消耗、产物生成（效价）、温度、pH、溶解氧、滤速、罐压、液位］；™反应条件的控制（温度、pH、溶解氧、泡沫、中间补料等参数的控制）；™染菌的防治和染菌后的处理方法；9™产物提取、纯化、鉴别所用方法；™发酵终点的判断；™该产品生产过程中所用的新技术、新方法；™前景展望，你的建议和见解。™要求：将学生4－6人分成一组，每组选择一种生物工程产品，通过查阅资料和讨论后撰写该产品生产的详细过程，学期结束时以小论文和PPT讲义的形式提交，并推选本组学生演讲。在此过程中，教师通过QQ群和公共信箱指导学生。10生物工艺学的特点™多学科、综合性：生物学、化学、工程学™需要生物催化剂：游离¾细胞（微、动、植）固定化活细胞灭活细胞¾酶游离固定化™优点：常温、常压、速率大、作用专一、价低；™缺点：稳定性差、温度、pH等参数对反应相当敏感。生物技术的定义和性质™1919年，匈牙利农业经济学家艾里基（K.Ereky）提出的概念太广；™20世纪80年代初由于分子生物学、DNA重组技术和某些基因工程产品的问世提出的“生物技术”太狭；™1982年IECDO（Internationaleconomycooperationanddevelopmentorganization）提出的定义：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务的技术。生物技术和生物工程™技术：面更广，带有较强的自然科学的探索性和首创性，属理科范畴。™工程：面较小，重视过程的可实施性和经济上的合理性，在学科归属中属工科范筹。™在我国，除高校中的理科和工科之分外，其他场合，二者当同义词看待，译为biotechnology。™生物技术（CNKI工具书中的定义）：又称生物工程。以生命科学为基础,利用生物体系和工程原理生产生物制品和进行遗传改良的综合科学技术,主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四个领域。遗传学微生物学生物化学分子生物学细胞生物学化学工程现代生物技术农业生物技术医药生物技术生物技术疫苗生物技术诊断家畜生物技术海洋生物技术现代生物技术的基础学科和分支生物技术的发展及应用概况（一）经验生物技术时期（从人类出现到19世纪中期）™酿酒™大豆制酱™发霉的豆腐可治外伤™接种牛痘™堆肥（二）近代生物技术建立时期（19世纪50年代至20世纪40年代）™这一时期的诞生与显微镜的诞生和微生物的发现以及微生物学的问世密切相关；16列文虎克绘制的显微镜下微生物的形态17™在此过渡时期有关生物技术发展的大事及学术争议：¾1748年尼达姆：“微生物自行发生论”；¾1838年施莱登和施旺共同阐明：细胞是动、植物的基本单位；¾1858年，托劳贝提出：发酵是靠酶作用的概念；¾1859年，达尔文的《物种起源》指出：生命的基础是物质。1866年，微生物学的奠基人，被称为“微生物学之父”的法国人巴斯德以试验结果摧毁了微生物的“自行发生论”，并建立了巴氏消毒法；1880年，用减毒的病原菌制成疫苗。近代生物技术的正式建立的时期是19世纪50年代，在这一时期人们证实酶是一类蛋白质，并且发现了青霉素，并提出了微生物转化的方法。这一时期所生产的发酵产物都属微生物形成的初级代谢产物，产品以厌氧发酵的居多，主要出现的产品为某些有机溶剂、有机酸、多元醇、酶制品以及疫苗等。™本时期是微生物学通过对微生物形态和生理的观察研究后建立的时期，出现不少新产品和新成就。™本时期还出现了一些与微生物学相关的分支学科如细菌学、工业微生物、农业微生物、医学微生物等。（三）近代生物技术的全盛时期（20世纪40年代初到20世纪70年代末）22™二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产；™1928年由Fleming发现青霉素；™1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基───40u/ml；™1943年沉浸培养：5m3───200u/ml™当今：100m3─200m3───5-7万u/ml链霉素、金霉素、新霉索、红霉素23这一时期的起始标志是青霉素的工业开发获得成功，因为它带动了一批微生物次级代谢和新的初级代谢产物和产品的开发，并激发了原有生物技术产业的技术改造。诞生一个新的交叉学科——生物化学工程。24主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础25™此阶段的重要工业微生物产品的开发状况：¾抗生素；¾用于农业和畜牧的生物活性物质；¾氨基酸：第一个开发的AA是Glu（日本木下祝郎，1955）；¾核苷酸：最早的产品是助鲜剂肌苷酸，鸟苷酸；¾维生素：最早用发酵法生产的是B2；¾多糖：主要用于增黏剂。¾新的多元醇；¾新的有机酸；¾新的酶制剂；¾用于医疗（助消化的酶，抗炎和清创用的酶，用于心血管疾病的酶，用于肿瘤治疗的酶）和诊断的酶（如测定血清葡萄糖的葡萄糖氧化酶，测定胆固醇的酶，测定甘油三酯的酶）等；¾核酸酶。™生物转化：生产过程中直接用产生相关酶的微生物细胞作催化剂，即把底物直接投入生产酶的细胞培养液中或将底物溶液通过装有固定化细胞的柱中进行培养。应用：VC，激素。™单细胞蛋白的生产：“Symba”工艺是以淀粉为原料,以两种共生特性良好的产朊假丝酵母和Endongcopsisfibuliger作为发酵菌种，最终得到以产朊假丝酵母为主的生物量。（四）现代生物技术建立和发展时期（从20世纪70年代末开始）™现代生物技术时期是以分子生物学的理论为先导，基因工程技术的应用开始算起的，主要包括以下成果：¾基因工程；¾单克隆抗体的发现和应用；¾动植物细胞培养技术及应用；¾杂交技术在动植物生产中的应用；¾转基因植物和动物的研究和开发；¾克隆动物。单克隆抗体的发现和应用™1975年英国的耶那、德国的科勒和阿根廷的米尔斯坦发明了杂交瘤技术，得到单克隆抗体，三人于1994年获得了诺贝尔奖金；动植物细胞培养技术的应用干细胞的培养是近年来细胞工程中的一个热点。干细胞是人和哺乳类动物在胚胎发育初期出现的全能性的尚未发育分化的原始细胞。杂交技术在动植物生产中的应用™1973年袁隆平发明的杂交水稻（三系）；™“两系法杂交稻”。转基因植物和动物的研究和开发™转基因植物将外源基因导入植株的一般方法：¾采用由农杆菌（Agrobacterium）介导的根瘤质粒（Ti质粒）或发根质粒（Ri质粒）；¾通过物理方法，采用基因枪或电击法将沾有外源基因的子弹射入受体植物体中；¾通过植物病毒的转染；¾用电场法或原生质体融合进行转化。33转基因鼠克隆动物1996年7月在苏格兰出生的克隆羊“多莉”生物技术的发展趋势（一）开展后人类基因组学的研究人类基因组计划™HGP(HumanGenomeProject)是1990年10月在国际人类基因组组织的统一协调下正式启动的，美、英、德、法、日、中。™完成图约要绘制下列四种图谱：¾遗传图（连锁图）；¾物理图；¾序列图；¾转录图。后基因组学™后基因组学的任务：¾将完成图的碱基对序列中把所有的基因识别出来；¾鉴别每一个基因的生物化学结构和性质；¾搞清所有基因与人类生、老、病、死的关系。™根据研究领域的不同分成若干分支，主要有：结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、疾病、肿瘤基因组学等分支后基因组学。（二）基因诊断™基因诊断：通过基因工程手段对生物体的基因组DNA片段及其转录产物进行定性和定量分析，进而诊断出疾病；™目前使用基因诊断较成熟的疾病有：™贫血症，白血病，尿毒症，糖尿病，乙脑病毒（HBV）、丙肝病毒（HCV）、人巨细胞病毒（HMCV）、AIDS（HIV）、结核杆菌、疟原虫等。（二）基因治疗™基因治疗策略主要有三种：¾以正常的基因取代已病变的基因；¾使致病基因丧失表达能力；¾使机体产生免疫基因。™具体治疗方法：主要是通过骨髓细胞导入新细胞或通过输血输入所需要的基因。。（三）生物技术新药物™重组激素；™重组细胞因子；™重组溶血栓物质；™治疗性抗体：¾与致病性抗原进行特异性结合，并促使白细胞的吞噬作用以消除抗原或使微生物失去致病性的物质。除了上述四类较成熟的药物外，开发如下方面的新生物技术药物。™反义寡核苷酸药物（antisenseoligonucleotidedrugs,AsONDs）：¾传统药物：¾反义药物：目前已有20种左右的以治疗艾滋病和多种癌症为主的反义寡核苷酸药物进入临床试验，个别的已被批准使用。药物致病蛋白药物致病蛋白的基因™基因药物（DNA药物）定义：把具有治疗意义的基因转移至真核表达载体中并将其直接转入到人体细胞内以表达具有治疗作用的多肽或蛋白质“药物”。™可作为重组基因载体的有：反转录病毒、腺病毒、腺相关病毒、脂质体及受体介导物。™基因工程病毒疫苗、菌苗、寄生虫疫苗和治疗性疫苗指一类用分子生物学、分子免疫学、蛋白质化学等原理和手段制成的一类高纯度、高效率、高专一性的小分子菌苗、疫苗或具有特殊作用的免疫产品，如肿瘤疫苗、避孕疫苗等来对付非传染性疾病的疫苗或菌苗。（四）人类干细胞培养或胚胎工程；（五）通过转基因动物建立“动物药厂”（六）转基因植物使农作物优质丰产；（七）生物技术用于环境保护。（八）海洋生物技术™目前在海洋生物技术研究中取得的成果：¾几丁聚糖（甲壳中提取）能增强人体免疫力；¾由石房蛤、海兔、海葵等产生的毒素具有强心、降压作用；¾藻酸脂、螺旋藻等具有降压、抗血栓作用；¾海蚕产生的一种毒素是一种强力杀虫剂，但对人类无害；¾某些海洋藻类(蓝藻、衣藻、鱼腥藻等)可作为宿主表达外源基因获得药用蛋白。™生物化学工程：将化学工程中的单元操作的概念和方法用诸于发酵工业。™生物医学工程：在医学和生命科学领域中应用相应的工程技术从事研究开发工作。™生物信息学：由计算机科学和分子生物学信息组合的。生物技术产业化的分支学科46大型发酵罐搅拌装置47180M