生物工艺学幻灯片

生物工艺学,教材 俞俊棠编新编生物工艺学，化学工业出版社，2002 教学参考书 1 贺小贤编.生物工艺原理, 化学工业出版社，2003 2 姚汝华主编. 微生物工程工艺原理,华南理工大学出版社,1996 3 熊宗贵发酵工艺原理,中国医药科学技术出版社,2000 4 梅乐和生化生产工艺学，科学出版社，2001 李艳 编著发酵概论，轻工出版社，1999 瞿礼嘉现代生物技术导论,高等教育出版社，1998 吴庆余. 基础生命科学，高等教育出版社，2002 8 宋思扬等编生物技术概论,科学技术出版社,2000,1 绪 论 1.1 生物工艺学的定义和特点 生物工艺学（biotechnology）一门既有悠久历史又有崭新内容的科学技术和生产工艺。 生物工艺学（biotechnology) （生物技术，生物工程） 应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂（biocatalyst)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。,生物技术是带动世纪经济发展的关键技术之一，它在化工、医药卫生、农林牧渔、轻工食品、能源和环境等领域都将发挥重要作用。它促进了传统产业的改造和新兴产业的形成，将对人类社会产生深远的影响。21世纪是生物技术世纪；科学家预言： 21世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破； 经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。 在世界各国普遍重视高科技发展的今天，生物技术对经济建设和社会进步的深远影响，已越来越被人们认识。有关部门领导在思考着如何用生物技术去振兴部门、地区或国家的经济；工农业、企事业单位在估量着如何用生物技术去调整产业结构，提高产品质量与企业效益；科技人员在探索着如何从生物机能中获得发展生物技术的启发，又如何将生物技术的研究成果转化为生产力；社会公众在关注着生物技术可能给全社会同时带来的福利、问题和灾难。,但是，应该承认生物技术又是一种较难准确掌 握的知识。因为生物技术所涉及的学科和行业实在 太多。它是一个高度跨学科与跨行业的领域。从不 同的学科和行业去理解生物技术时，总难免带有不 同侧重点。所以强调准确理解生物技术就显得十分 必要。,1.2 一般生物反应过程 生物反应过程的实质是利用生物催化剂从事生物产品的生产过程。 酶（enzyme） 游离酶/固定化酶-酶反应过程 生物催化剂 细胞（cell）固定化细胞/游离细胞-发酵过程 动、植物细胞（组织）培养过程 污水生化处理过程 生物反应过程 从天然物质中应用生物技术提取 有效成分,细胞(cell) 酶 (enzyme) 除菌 检测 空气 控制 生物催化剂 热能(heat) (biocatalyst) (bioreactor) 产品(product) 生物反应器 提取 副产品(by product) (raw material) (extract) 残渣(lee/residue) 原材料 底物 (substrate) 灭菌 (sterilizing) 营养物 (nutrient) 经加工的 培养基(medium) 原材料(processed material) 一般生物反应过程示意图,一般生物反应过程可分为四个部分： 发酵原料的预处理： 发酵原料是很丰富的，如薯类、谷类等，但许多工业微生物都不能直接利用这些发酵原料，通常需要将它们进行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供给微生物利用。还可以利用废糖蜜、工农业的下脚料。 发酵过程的准备： 发酵前必须进行种子制备与无菌消毒。无菌消毒是种子制备与发酵的必要条件，一般在发酵前将发酵原料装入发酵罐中，通入98千帕的蒸汽高温灭菌，冷却后，在无菌条件下接入菌种。在发酵过程中要绝对保证无杂菌的污染，即没有目标微生物以外的微生物存在，这是发酵成功与否的关键，对于好氧性发酵，还需要通入无菌空气。, 生物反应器及反应条件的选择： 由于使用的微生物不同，其代谢规律不一样，因而有厌氧发酵和好氧发酵两种方法。厌氧发酵亦称静置发酵，如酒精(alcohol)、啤酒(beer)、丙酮(acetone)丁醇(butanol)及乳酸(lactic acid)等均为厌氧发酵产品，其发酵设备不需供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。好氧发酵，顾名思义，就是微生物发酵过程中需要消耗大量的氧气，以供代谢需要。味精、赤霉素、土霉素等的生产都属此类。 产品的分离与纯化（下游技术) 分离与纯化是从发酵液中制取符合质量指标的制品。 首先，将发酵液进行过滤、离心以除去固体杂质，然后采用吸附法、溶煤萃取法、离子交换法、沉淀法或蒸馏法等，对发酵液中的产品进行进一步的提炼，以得到符合要求的目标产品。,生物反应过程的特点: 1. 原料以碳水化合物为主，不含有毒物质，并加入少量有机和无机氮源。 2. 生物反应过程是以生命体的自动调节方式进行的，多个反应象一个反应一样，在单一设备中进行。 3. 能容易进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学活性体。 4. 生产过程通常在常温下进行，操作温和，不考虑防爆问题，可能使一种设备有多种用途。 5. 能够高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团的导入等。 6. 生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白质、酶等；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物造成危害。 7. 生产过程中需要注意防止杂菌以及噬菌体的污染。,培养基原料 培养基配制 培养基灭菌 储备菌种 摇瓶（种子培养） 种子罐培养 发酵罐培养 空气 空气处理系统 无菌空气 (胞内产品)细胞等固型物 固液分离 培养液 (胞外产品)无细胞清液 产品抽提 产品精制 产品包装 典型发酵过程示意图,1.3 微生物发酵及范围 1.3. 微生物发酵及范围 1.3.1 微生物菌体的发酵 传统的菌体发酵工业： 面包制作 酵母 菌体蛋白(人类或动物)食品 藻类,新的菌体发酵： 药用真菌（香菇类，冬虫夏草，与天麻共生的密环菌，以及从多孔菌科的茯苓菌获得的名贵中药茯苓和担子菌的灵芝等药用菌） 生物防治剂（如苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，其细胞中的伴孢晶体可毒杀鳞翅目和双翅目的害虫。丝状真菌的白僵菌，绿僵菌可防治松毛虫。 特点：细胞的生长与产物的积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。,1.3.2 微生物酶发酵 酶普遍存在于动物、植物和微生物中。最初都是从动植物组织或器官中提取酶，但目前工业应用的大多来自微生物发酵，因为微生物种类多、产酶种类多、生产容易和成本低等特点。 微生物酶制剂有广泛的用途，多用于食品和轻工业中，如淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖，氨基酰化酶用于DL氨基酸的光学拆分等。酶也用于医药生产和医疗检测中。如胆固醇氧化酶用于检测血清中胆固醇的含量，葡萄糖氧化酶用于检测血中葡萄糖的含量等等。 amylase ， sacchariflying enzyme， sucrase ，cellulase，proteinase, pectinase，lipase， catalase，pharmaceuticals enzyme。 胞内酶 endoenzyme 胞外酶 exoenzyme,1.3.3 微生物代谢产物发酵 微生物代谢产物为产品是发酵工业中种类最多，产量最大，也是最重要的部分。 菌体在对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、 蛋白质、 核酸等，是菌体生长繁殖所必须的。这些产物叫做初级代谢产物（primary metabolite ），受许多调节机制的控制。许多初级代谢产物在经济上具有相当的重要性，分别形成了各种不同的发酵工业。 在生长的稳定期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子（plant growth factor）等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物（secondary metabolite ），它也受许多调节机制的控制，如诱导调节、分解代谢物的阻遏和反馈调节等。,次级代谢产物其化学结构类型多种多样，据不完全统计多达47类，其中抗生素的结构类型，按相似性来分，也有14类。 由于抗生素不仅具有广泛的抗菌作用，而且还有抗病毒、抗癌和其他生理活性，因而得到了大力发展，已成为发酵工业的重要支柱。 微生物代谢产物的类型：致酸剂、生物碱、氨基酸、动物植物生长促进剂、抗生素、驱虫剂、抗代谢剂、抗氧剂、抗肿瘤剂、辅酶、乳化剂、酶、酶抑制剂、脂肪酸、鲜味增强剂、除草剂、杀虫剂、脂类、核酸、核苷酸、有机酸、药理活性物质、色素、多糖类、蛋白质、溶媒、发酵剂、糖、表面活性剂、维生素。,1.3.4 微生物的生物转化 微生物的生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位（基团），使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物的生化反应。 生物转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物某一特定部位，进行化学反应而形成。 细胞的作用仅仅相当于生物催化剂 ，反应最显著的特点是特异性强（反应特异性、结构位置特异性和立体特异性)。 能进行生物转化的生物： 生长细胞 静止的营养细胞 孢子 干细胞*,固定化细胞或固定化酶进行生物转化，可提高转化效率，降低成本。 最古老的生物转化，就是利用菌体将乙醇转化 成乙酸的醋酸发酵。 生物转化还可用于将甘油转化成二羟基丙酮、葡萄糖转化成葡萄糖酸，将山梨醇转化成L-山梨糖等。此外，微生物转化发酵还包括甾体转化和抗生素的生物转化。,1.3.2 微生物特殊机能的利用,医药与食品：生产抗生素、维生素、人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素，微生物蛋白、氨基酸、饮料、酒、添加剂等。 能源与化学：微生物采油、生产酒精或沼气,化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）和一些表面活性剂。 冶金：黄金开采和金属浸提。 农牧业：生物固氮、杀虫剂。 净化环境：利用微生物消除环境污染. 利用基因工程菌株开发发酵工程新 领域,1.4 生物工艺发展简史 1.4.1经验生物技术时期(人类出现19世纪中期) 在石器时代后期，我国人民利用谷物酿酒，公元10世纪,我国就有了预防天花的活疫苗（vaccine)。 公元前6000年，西方就已开始酿啤酒(beer)。 公元前4000年埃及人开始制面包(bread)。 在公元前221年（周代后期），作豆腐(bean curd)、酱(sauce)和醋(vinegar)，另外还有泡菜(pickled vegetables)、奶酒(milk liquor)、干酪(cheese)等制作以及面团发酵(dough fermentation )、粪便(excrement and urine)和秸杆(straw)的沤制等。,1.4.2近代生物技术建立时期（19世纪50年代20世纪40 年代） 1680年，荷兰人（leeuwenhoek）制成显微镜，首先观察到了微生物(Microbe)。 19世纪60年代，法国科学家L.Pasteur首先证实酒精发酵是由酵母菌引起的，其他不同的发酵产物是由形态上不同的微生物作用而形成的，接着建立了纯种培养技术。 1897年，德国的毕希纳（Buchner）进一步发现磨碎了酵