生化工程课件1章节

生 化 工 程,西南民族大学生命科学与技术学院 伍 红,目录,第一章 绪论 第二章 工业微生物概论 第三章 酶及酶工程基础 第四章 基因工程概要 第五章 生化反应器 第六章 生化工程产品分离技术 第七章 生物化工产品,第一章 绪论,第一节 生化工程的定义及与其他学科的关系 第二节 生化工程的起源及发展概况 第三节 生化工程研究的主要内容 第四节 生化工程在国民经济中的重要作用 本课程参考书,第一节 生化工程的定义及与其他学科的关系,一、生化工程的定义 二、生化工程与其他学科的关系,一、生化工程的定义,生化工程全称是生物化学工程（Biochemical Engineering)，是为生物技术服务的化学工程。它是利用化学工程原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科，是生物化学与工程学相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学这一实践技术，以生物体细胞（包括微生物细胞、动物细胞、植物细胞）作为研究的主角、生物化学作为理论基础，从动态、定量、微观的角度，广泛而深刻地揭示了生物工业的过程。所以生化工程是化学工程的一个分支，也是生物工程的一个重要组成部分。,生物技术,应用自然科学及工程学原理，依靠生物催化剂作用将物料进行加工，以提供产品为社会服务的技术。 特点：多学科综合性的科学技术 过程中需要生物催化剂的参与 其最终目的是建立工业生产过程或为社会服务。,现代生物技术,以20世纪70年代DNA重组技术问世为标志 包括：基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程，其中基因工程处于主导地位。,生化工程全称是生物化学工程（Biochemical Engineering)，是为生物技术服务的化学工程。它是利用化学工程原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科，是生物化学与工程学相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学这一实践技术，以生物体细胞（包括微生物细胞、动物细胞、植物细胞）作为研究的主角、生物化学作为理论基础，从动态、定量、微观的角度，广泛而深刻地揭示了生物工业的过程。所以生化工程是化学工程的一个分支，也是生物工程的一个重要组成部分。,生化工程是融入现代生物技术包括的四大工程之中的，即在每一项生物技术的研究结果要转变为产品，为社会服务的过程中，都有一些生化工程的问题要解决。,二、生化工程与其他学科的关系,生物学,化学,工程学,生物化学,生化工程,化学工程,生物工程,生物学,生物技术,化学工程,化学,生物工程,工程学,生物化学,生化工程是化学工程的一个前沿分支，它应用化学工程的原理和方法，研究解决有生物体或生物活性物质参与的生产过程即生物反应过程中的基础理论及工程技术问题。它作为生物化学、微生物学及化学工程学之间的边缘学科，是生物技术中将近代生物学的成就转变成生产力所必不可少的重要组成部分。,第二节 生化工程的起源及发展概况,一、生化工程的起源 二、生化工程的形成及发展,一、生化工程的起源,生化工程的雏形- 可以追溯到几千年前，人类开始有意识的利用生命体的生物活动，制备生活所需的产品。,酿酒,面团发酵,酿酒,酿酒：谷物酿酒的两个先决条件是酿酒原料和酿酒容器。以下几个典型的新石器文化时期的情况对酿酒的起源有一定的参考作用。 1.裴李岗文化时期（公元前5000-6000年）,2. 河姆渡文化时期（公元前5000-3000年）,上述两个文化时期,均有陶器和农作物遗存，均具备酿酒的物质条件。,3.磁山文化时期 磁山文化时期距今7355-7235年，有发达的农业经济。据有关专家统计:在遗址中发现的“粮食堆积为100m3，折合重量5万公斤”还发现了一些形制类似于后世酒器的陶器。有人认为磁山文化时期，谷物酿酒的可能性是很大的。,4.三星堆遗址 该遗址地处四川省广汉，埋藏物为公元前4800年至公元前2870年之间的遗物。该遗址中出土了大量的陶器和青铜酒器，其器形有杯，觚，壶等。其形状之大也为史前文物所少见。,5.山东莒县陵阴河大汶口文化墓葬 1979年，考古工作者在山东莒县陵阴河大汶口文化墓葬中发掘到大量的酒器。其中有一组合酒器，包括酿造发酵所用的大陶尊，滤酒所用的漏缸，贮酒所用的陶瓮，用于煮熟物料所用的炊具陶鼎。还有各种类型的饮酒器具100多件。据考古人员分析，墓主生前可能是一职业酿酒者。在发掘到的陶缸壁上还发现刻有一幅图，据分析是滤酒图。,6. 龙山文化时期 在龙山文化时期，酒器就更多了。国内学者普遍认为龙山文化时期酿酒是较为发达的行业。以上考古得到的资料都证实了古代传说中的黄帝时期，夏禹时代确实存在着酿酒这一行业。,面团发酵,埃及人是发酵面包的发明者，在距今4600年前的古埃及金字塔中，发现了类似面包的遗迹。 并且在大约公元前3000年，埃及人开发出能够研磨的小麦，做成能够从酵母中分离出二氧化碳的面团。作为引子的酵母经常是残余的发酵面团或酸面团，这是乳酸发酵的另一个例证。,最初的发酵方法可能是偶然发现的：和好的面团在温暖处放久了，受到空气中酵母菌的侵入，导致发酵、膨胀、变酸，再经烤制便得到了远比 “烤饼”松软的一种新面食，这便是世界上最早的面包。 古埃及的面包师起初是用酸面团发酵，后来改进为使用经过培养的酵母。现今发现的世界上最早的面包坊诞生于公元前2500多年前的古埃及。,古埃及的面包,将水浸泡过的大麦堆积在平整的石板上，使其发芽，几天后让太阳晒干或用柴草烘干。把干麦捣成粉末，放入木桶中，加适量温水，人在木桶中将麦芽粉踩踏成面团。空气中的酵母菌使面团发酵膨胀后，人工再将它捏成面包状进行烘烤，使淀粉胶结、蛋白质凝固。然后再捣碎，并掺入热水混合，用筛子或无花果叶过滤，得到麦芽汁。将麦芽汁倒入陶罐中再进行发酵，两天后便成为可口的啤酒。饮用时可用麦杆吸，也可倒在碗里喝。 这种陶罐啤酒在古埃及常常作为供奉神灵的祭品，也用作殉葬品。,古埃及麦芽发酵制得啤酒,二、生化工程的形成及发展,1857年法国科学家L.巴斯德首先证明由活的酵母发酵可以得到酒精（乙醇），其他不同发酵产物是由不同的微生物的作用引起的。,第一代生物化工产品,从19世纪80年代起到20世纪30年代末为止，不少发酵产品，如乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮、正丁醇、柠檬酸等相继投入生产。这些都是属于第一代的生物化工产品。,这一时期的特点：工业生产是实验室规模的简单放大，人们着重于工艺的研究，而尚未形成严格的工程学科。,第二代的生物化工产品,是在上世纪40年代随着抗生素工业的兴起而出现的。第二次世界大战爆发时，急需一种高效治疗剂以控制战伤及其继发感染。由英、美两国联合,加速对青霉素的研究和生产。当时参加研究的除有生物、化学的科学家外，还有一批化学工程师。,1943年，出现了在具有通气搅拌装置的发酵罐中大量培养青霉素产生菌的方法，代替了原来用上万个瓶子进行表面培养的生产方法。 1944年，发现链霉素，并投于生产。 1946年，发现氯霉素等，并都相继顺利地投产。,这一时期主要的工作及进展,化学工程师成功地解决了好气性微生物的大规模培养中的氧的供应、培养基和空气的灭菌以及产品提取中的关键技术和设备问题。 建立了发酵过程中的搅拌通气、培养基和空气灭菌等单元操作，为生物化学工程的建立奠定了初步的理论基础。 1947年 7月美国麦克公司被授予“生物化学工程的专题研究”的麦格劳希尔化学工程成就奖。生物化学工程 由此得名并沿用至今。,这一时期主要的工作及进展,1974年以后，生物学出现了以重组DNA技术和细胞融合技术为代表的一系列新的成就，从而出现了第三代的生物化工产品。,第三代的生物化工产品,用DNA重组体菌种生产的胰岛素、干扰素、疫苗以及用杂交瘤技术生产的单克隆抗体等。,用DNA重组体菌种生产的胰岛素,杂交瘤技术生产的单克隆抗体,第三代生物化工产品的生产过程具有许多新的特点： DNA重组菌体的易于退化 大量细胞需要培养等,促进生物化学工程开拓新的生物反应器以及新的单元操作。极大丰富了原始的化学工程的内容。,第三节 生化工程研究的主要内容,一、生物反应过程及其特点 二、生化工程研究的主要内容,一、生物反应过程及其特点,生物反应过程是利用生物催化剂，即游离或固定化的活细胞或酶以从事生物化工产品的生产过程。,生物催化剂,原材料,检测控制系统,生物反应器,空气,除菌,机械能、热能,副产品,产品,废弃物,当采用活细胞催化剂(主要是整体的微生物细胞)时，称为发酵过程。而利用从细胞中提取得到的酶为催化剂时，则称为酶反应过程。,动植物细胞大量培养也属于生物反应过程。,生物反应过程的特点和规律的研究是生物化学工程主要内容之一。,生物反应过程的特点,1.稳定性较差 由于采用生物催化剂，可在常温常压下进行反应，且可运用重组DNA技术及细胞融合技术改造生物催化剂，但生物催化剂易于失活，易受环境影响和污染，一般采用分批操作。,2.污染小 可采用再生性的生物资源为原料，来源丰富，价格较低，过程中产生的废料危害性较小，但往往形成原料成分不易控制，对生产控制和产品质量带来影响。,3.设备简单，能耗小 生物反应过程的生产设备较为简单，能量消耗较少，但由于过高的底物和产物会给酶带来抑制作用和微生物细胞不能耐受外界溶液过高的渗透压，反应液的底物和产物浓度不能太高，造成反应器体积很大；,4.反应机理复杂，产物提取困难 酶反应的专一性强，转化率高，但成本较高；发酵过程应用面广，成本较低，但反应机理复杂，难以进行控制，产物中常含有杂质，给提取带来困难。,二、生化工程研究的主要内容,遗传育种、代谢控制、培养基平衡等,胞内控制,胞外控制,固定化技术、搅拌通气技术、动力学与反应器设计、过程放大和优化、产品分离和纯化等,以生物反应器为中心，生化工程的内容可分为上、中、下游技术。,上游技术：提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂,中游技术：生物反应器的设计、放大与条件优化,下游技术：将目标产物从反应液中提取、精制，以达到规定的质量要求,具体的研究内容,1. 原料预处理 即底物（酶催化反应中的作用物）或培养基(发酵过程中的底物及营养物，也称营养基质)的制备过程，包括原料的物理、化学加工和灭菌过程。,2. 生物催化剂的制备 生物催化剂是指游离或固定化的活细胞或酶，微生物是最常用的活细胞催化剂，酶催化剂则从细胞中提取出来。,菌种分离、筛选、选育是生物催化剂制备的关键。,重组DNA技术及细胞融合技术改造或构建新的生物催化剂。,固定化酶或固定化细胞的出现，使生物催化剂能较长时期地反复使用。,3. 生物反应的主体设备 即生物反应器，凡反应中采用整体微生物细胞时，反应器则称发酵罐；凡采用酶催化剂时，则称为酶反应器。另还有适用于动植物细胞大量培养的装置。,为了设计生物反应器并确定其操作方式和操作条件，在发酵动力学、酶动力学以及传递过程原理的基础上形成了生化反应工程。,4. 生物化工产品的分离和精制 这一部分常称下游加工，是生化分离工程的主要内容。 主要探讨生化工业中生物制品分离和纯化的工程技术，以及生化分离过程中一些主要的分离单元操作和分离工程领域的新技术,第四节 生化工程在国民经济中的重要作用,一、生化工程在医药工业中的作用 二、生化工程在食品工业中的作用 三、生化工程在化工及冶金工业中的作用 四、生化工程在能源及环保中的作用,一、生化工程在医药工业中的作用,激素（胰岛素、人生长激素） 抗生素（青霉素、四环素、链霉素、阿霉素） 干扰素（抑制病毒及肿瘤细胞生长） 维生素 其他有特效的药物（TPA纤维蛋白溶解剂、果糖-1，6-二磷酸三钠盐FDP),生产人及动物体内调节生理作用的药物,二、生化工程在食品工业中的作用,生产传统的调味及发酵食品 各种醇类饮料 有机酸、氨基酸、单细胞蛋白、甜味剂（甜味肽、果葡糖浆）、鲜味剂 保健食品,三、生化工程在化工及冶金工业中的作用,化工： 利用微生物发酵生产多种化工原料，如甲醇、乙醇、丁二醇、异丙醇、乙酸、乳酸、苹果酸等。 利用微生物合成高分子化