生物化工工艺学--第1章--绪论

生物化工工艺学主讲：张军华副教授电话：[phone]E-mail：[e-mail]目录绪论第一章工业微生物基础第二章培养基第三章淀粉制糖工艺第四章培养基的灭菌第五章空气的灭菌第六章生物反应器第七章发酵过程的工艺控制第八章生物物质分离与纯化第九章生化生产工艺设计基础第十章生化生产工艺实例简介生物反应器第一章绪论生物技术的应用食品工业饲料工业医药工业农业环境保护1、目前能广泛接受的----国际合作及发展组织的定义生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。从这个定义中，可归纳出生物技术三个特点：1）生物技术的多学科性和综合性(边缘学科、交叉学科)2）微生物、动植物作为生物催化剂，有别于化学催化剂3）最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过程，即生物反应过程（Bioprocess）。一、生物技术2、生物技术的多学科性与生物技术相关的学科很多,有生物学(生物化学、分子生物学、微生物学、细胞学、遗传学)、化学、工程学（化学工程、机械工程、电子工程）、医学、药学、农学等。但从基础学科讲，主要是生物学、化学和工程学。生物学工程学化学1234生物技术与各学科的关系1生物化学2生物工程3化学工程4生物技术3、生物技术的上、中、下游过程生物反应器---作为生物反应过程的中心即中游加工---反应前与后的工序称为上游加工和下游加工l上游加工----最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂即应用常规选育、基因工程、细胞工程和酶工程手段获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等l下游加工-----从反应液中提取目的产物，加工精制成合格产品l中游加工-------生物反应器为中心生物化学工程------包括中下游两部分4、生物技术的发展简史（1）古老的生物技术4000-5000年前就出现了酿酒，此外还有酱油、泡菜的生产及面团发酵等均属古老的生物技术。特点：知其然而不知其所以然。（2）第一代（传统）生物技术的出现1676年，荷兰人Leenwenhoek制成了能放大170-300倍的显微镜，首先观察到了微生物。1857年，法国化学家Pastear证实发酵是由微生物引起的，并首先建立了纯种培养技术。上世纪20年代，工业生产中开始采用大规模纯种培养技术。特点：多为厌氧发酵产物，产物结构简单，对生产设备要求不高，规模一般不大。（3）第二代（近代）生物技术的发展上世纪40年代抗生素工业的兴起上世纪50年代氨基酸工业的出现上世纪60年代酶制剂工业的出现特点：1）产品类型多（氨基酸、酶制剂、有机酸、抗生素、多糖等）2）技术要求高（纯种培养，大多好氧发酵且需要无菌空气）3）规模巨大（通气发酵罐达500m3）4）技术发展速度快（菌种活力和性能，发酵设备）1953年美国Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式。1974年，美国波依Boyer和Cohen在实验室实现了基因转移，为基因工程打开通向现实的大门。特点：1）生物技术是当今国际上重点的高技术领域，大力发展生物技术，已成为世界各国的经济战略重点。2）现代生物技术包括基因工程（geneengineering）、细胞工程（cellengineering）、酶工程（enzymeengineering）和发酵工程（fermentationengineering）四大领域。（或包括蛋白质工程proteinengineering的五大领域）3）研究开发范围日益扩大，研究对象从微生物扩展到动植物，从陆地扩展到海洋空间，发展到与电子信息技术等其它尖端技术领域结合，成为人类解决农业、医疗、保健、环境保护诸多发展问题的主要手段。（4）第三代（现代）生物技术的发展5、生物技术的四项基本内容（1）基因工程其主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸（DNA）分离出来，在体外进行切割、拼接和重组，然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或人体，从而改变它们的遗传品性。（2）细胞工程以细胞为单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育动物和植物个体，以获得某种有用的物质的过程。它包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术（细胞杂交技术）、细胞器移植技术。（3）酶工程即利用酶、细胞器或细胞所具有的特异的催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。（4）发酵工程利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化学工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程。蛋白质工程在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生满足人类需要的新型蛋白质。1、生物反应过程示意图生物催化剂（酶、细胞、动植物）种子生化反应器提取精制无菌空气检测控制系统培养基制备与灭菌废弃物副产物产品二、生物反应过程2、生物反应过程的组成生化反应过程生化反应器：物料的混合与流动、传质与传热、氧和基质的传递、发酵动力学、酶催化反应动力学、发酵液的流变学性、反应器的设计与放大上游：生物催化剂的制备、原料的理化处理、热量传递、灭菌动力学、设备。下游：目的产物的提取与精制。3、生物反应过程的特点1综合性强生物学（生物化学、分子生物学、微生物学）、化学、工程学（化学工程、机械工程）的交叉综合。2采用生物催化剂速率快，选择性高、条件温和，但易失活、稳定性差、易受杂菌污染。3以再生资源为原料，但原料成分难以控制4生产设备简单、能耗低。但生产效率低