生物工程幻灯片

1、生 物 化 工,生物化工定义,生物技术是在生物学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等基础上发展起来的，是由基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大先进技术组成的新技术群。生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科，它以生物来源的物质为原料，通过生物活性物质为催化剂使其转化，或用其他生物技术进行制备、纯化，从而得到我们预期的产品。,生物技术 包括：发酵工程 酶工程 细胞工程 基因工程 等等 生物化工利用生物技术生产化学品或提供社会服务，是一门由化学、工程、生物等学科密切结合的新学科。 生物化工包括：生化反应工程 生化分离工程 生化控制工程 生化系统工程 等等 生物技术(上游) 生物化工(下游),生物化工特点,（1）以生物为对象，常以有生命的活细胞或酶为催化剂，创造必要的生化反应条件，不依靠地球上的有限资源，着眼于再生资源的利用。 （2）由于细菌不耐高温，需在常温常压下连续化生产，工艺简单，并可节约能源，减少环境污染。 （3）定向地按人们的需要创造新物种、新产品和有经济价值的生命类物质，开辟了生产高纯度、优质、安全可靠的生物制品的新途径。 （4）生物化工为生物技术提供了高效率的反

2、应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术，扩大了生物技术的应用范围。,生化产品举例,（古代）酒、醋、酱 等等 （20世纪初）抗生素、氨基酸、多糖、有机酸 等等 （现代）药用多肽等药品、蛋白、疫苗、干扰素、 等等 （酶法合成）类固醇、甾醇、类萜、生物碱 等等 农药、除草剂、作物生长刺激素 人体保健品、生化新药）生物药品、诊断试剂、疫苗、氨基酸、药用多肽 手性药物 用于临床的碳水化合物,化学工业的特点是以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然气等）为原料，以化学催化剂为手段，实现物质转化。在l920世纪以不可再生的化石资源为经济基础的近代工业文明取得了辉煌的成就，而进入21世纪，面对化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面，人类面临着前所未有的生存与发展的危机。 因此，目前化学工业的一些生产模式必然要进行彻底的变革，转向以生物可再生资源为原料，生物可再生能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式，其核心技术是工业生物技术。,工业生物,工业生物技术是指在工业规模的生产过程中使用或部分使用的生物技术，是生物技术和工业工程技术的融合。 目前，工业生物技术主要应用领域是各种轻工业发酵

3、产品的制造，同时，近年来通过工业生物催化过程已经并正在生产出大量的新产品，如生物材料和生物能源等。 预计在未来的20到50年中，工业生物技术将大大改变工业制造业的面貌。 应用生物催化技术可以在未来的20年中减少传统化学工业原材料、水和能源消耗的30%，并减少30%的污染物排放。这将使得整个工业生产的面貌得到彻底改观。,我国发展状况,中国生物化工起步于20世纪70年代，已经发展了30余年，生物化工产业得到了大力发展。在有机酸中，柠檬酸的产量居世界前列，工艺和技术都属世界先进水平，乳酸、苹果酸新工艺也已开发成功；在氨基酸中，赖氨酸和谷氨酸生产工艺和产量在世界上都有一定的优势；微生物法生产丙烯酰胺已实现了工业化生产，已形成几万吨级的工业化生产规模；农用抗生素已有赤霉素、井冈霉素、金核霉素以及农畜两用的7051杀虫素等；甘油发酵水平不断提高，后提取工艺也有很大进展；黄原胶生产在发酵设备、分离及产业化方面也已取得了突破性的进展；酶制剂、果葡糖浆、单细胞蛋白、纤维素酶、胡萝卜素等产品的生产开发也日益成熟。,我国生物化工的问题,中国生物化工产业发展也存在着诸多问题，如生产上发酵周期长、分离提纯技术落

4、后、产品收率低、产品成本和单耗高，生产厂经济效益不佳等，更重要的是对生物技术产业缺乏足够的认识，尤其是对生物化学工程重视不够。突出问题是：产业化程度低，许多科研成果尚未转化为生产力；生物化工产品开发周期长、速度慢；生物化工技术及装备水平还有待于进一步提高；缺少一支强大的生物化工技术企业队伍；对生物化工产品的开发投资不够，且投资渠道单一，缺乏应有的经济支撑。,以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术是生物技术革命的第三个浪潮，是“21世纪化学工业的基本工具”。 1982年重组人胰岛素上市，标志着医药生物技术（red biotechnology）的巨大成就； 1996年转基因大豆、玉米、油菜相继上市，标志着农业生物技术（green biotechnology）的巨大成就； 2000年聚乳酸上市，标志着工业生物技术（white biotechnology）的巨大成就。 需要特别指出的是，微生物物种巨大的多样性及其基因改造的巨大潜力，将其与精妙现代工程技术结合，为人类提供了新的巨大机遇，工业生物技术的发展前景十分诱人。,一、工业生物发展现状 工业生物技术的新崛起有两个巨大的推动力，即社会强烈需

5、求和生物技术的进步。 人类社会发展迫切需要解决的问题是资源、能源、人口、环境问题。随着生物技术突破性进展，使得人类可以设计和构建新一代的工业生物技术，可高效快速地将各类可再生生物质资源转化为新的资源和能源。 工业生物技术在生物能源、生物材料以及生物质资源化方面发挥着重要作用。,1、国外工业生物技术产业现状 目前,世界各国如美国、日本、英国等发达国家都建立了独立的政府机构，并制定了近期及长远的发展规划，在政策上、资金上给予了大量的支持。西方各国许多较大的化工企业，如美国杜邦、道化学、孟山都公司，英国ICI，德国拜尔、赫斯特公司等都在投入巨资和庞大的科技力量进行工业生物技术的研究。 通过大力开发已取得了许多重大的科技成果，如微生物法生产丙烯酰胺、脂肪酸、己二酸等已达一定的工业规模；在能源方面，纤维素发酵连续制乙醇已开发成功；在农药方面，许多新型的生物农药不断问世；利用高效分离精制技术、高选择性精制技术、超临界气体萃取技术和高效双水相分离技术开发高纯度生物化学品制造技术不断完善；反应器的研究向多样化、大型化、高度自动化发展。,2、我国工业生物技术产业的现状及开发状况 虽然我国现代生物技术的研

6、究开发起步较晚，但我国在传统的发酵工业方面是有一定基础的。随着现代生物技术的不断发展，近年来，我国工业生物技术产品生产得到了大力发展。 有机酸中，柠檬酸的产量居世界前列，乳酸、苹果酸的新工艺也已开发成功； 氨基酸中赖氨酸和谷氨酸的生产工艺和产量在世界上都有一定的优势； 微生物法生产丙烯酰胺已建设万吨级的工业化生产装置； 农用抗生素的生产有赤霉素、井岗霉素、浏阳霉素、金核霉素等； 发酵法甘油生产发酵水平不断提高； 黄原胶生产在发酵设备、分离及成本等已取得了突破性的进展。,但是，在已生产的工业生物技术产品中，不少产品生产存在着发酵周期长、分离提纯技术落后、产品收率低、产品成本和单耗高等问题。近年来，国家通过攻关，在生物反应器、分离技术的设备、生物传感器、计算机在线控制等方面取得了一系列成果，使工业生物技术产业一些主要产品的发酵水平有较大幅度的提高，明显缩小了与国际先进水平的差距。 国内一些大学先后成立了工业生物技术研究机构。国内大批科研院所也先后开展了工业生物技术的开发工作。国家计委支持筹建了中科院过程工程所生化实验室、华东理工大学生物反应器室、山东大学发酵工程室这三个生物技术下游国家重点

7、实验室。国家科委组建成了南京工业大学生物反应器、华东理工大学生物反应工程和中科院过程工程所生物化工装备这三个国家研究开发中心。,3、 我国工业生物技术发展前景 目前，我国已成为世界第一资源加工消费大国和第二能源耗用大国。 预计在未来20年内，生物能源、生物材料和生物质资源化技术将得到实际应用。预计工业生物技术在我国国民经济GDP中的贡献达到2.2万亿元年（2020年）。目前正在开发的多聚乳酸、多聚氨基酸、多羟基烷酸、燃料乙醇以及各种功能寡糖等可视为这个碳水化合物经济时代来临的前奏。到2020年，预计将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料。 基于微生物和酶的工业生物技术具有生物安全性相对较好、研发投入较少、周期较短的优势，且中国已形成良好的产业基础，是参与生物技术国际竞争的一个良好的机遇和难得的切入点，应成为我国生物技术应用研究的一个战略重点。,1、生物化学品正向专业化、高科技含量、高附加值方向发展。许多公司为了追求较高利润，都将低附加值的产品剥离，传统低价位产品受到冷落，而高价位产品如生化药物、保健品、生化催化剂等则备受青睐。 2、企业间的合作将加大，行业与行业间的划分将日趋模糊。

8、目前，许多从事医药、农业、环境、能源等方面生产的企业，正在从事工业生物技术生产。 3、新技术在生物化学品生产中得到了极大应用。利用超临界CO2取代有机溶剂进行酶反应，具有极大的发展潜力。又比如，微胶囊技术已被广泛用于动物细胞的大规模培养、细胞和酶的固定化以及蛋白质等物质的分离方面。,二、工业生物技术突出表现,4、上游技术广泛应用于下游生产。利用基因工程，使多种淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、氨基酸合成途径的关键酶得到改造、克隆，使酶的催化活性、稳定性得到提高。 5、发酵工业蓬勃发展。现代生物技术的进展推动了发酵工业的发展，发酵工业的收率和纯度都比过去有了极大的提高。 6、酶工程技术有了长足的进步。酶工程技术包括酶源开发、酶制剂生产、酶分离提纯和固定化技术、酶反应器与酶的应用。预计到2010年将增长到30亿美元，每年以65的速率增长。 7、分离与纯化技术也有很大进步。寻求经济适用的分离纯化技术，已成为工业生物技术领域的热点。影响生化产品价格的因素，首当其冲的是分离与纯化过程，其费用通常占生产成本的5070，有的甚至高达90。,三、工业生物技术的关键问题 1、微生物资源库和微生物功能基因组学技术

9、 微生物菌种或酶是工业生物技术的基础。从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物技术的主要特点，大部分成功的高产工业化菌株是从自然界筛选得到的野生型菌株。 2、生物催化剂快速定向改造新技术 近年来发展起来的定向进化技术，大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。蛋白质定向进化技术可以使蛋白质（酶）在自然界需要几百万年才能完成的进化过程缩短到几年甚至几个月。 3、重要工业微生物的代谢工程 通过基因重组技术改变微生物的代谢途径，生产出传统发酵工业无法获得的新产品。例如美国利用基因工程手段，将五碳糖产乙醇和六碳糖产乙醇的代谢途径整合到一个微生物中，能同时发酵利用五碳糖和六碳糖产乙醇。,四、主要的工业生物技术产品 1、醇类 （1）总溶剂：总溶剂生产是我国历史最悠久的发酵生产，近些年由于我国原油价格便宜，相反粮食价格成倍上涨，导致合成法生产丙酮、丁醇的成本低于发酵法，加之近几年国内几家引进的合成生产丙酮、丁醇装置相继投产，发酵总溶剂产品市场遭到了剧烈冲击。 （2）酒精：我国需从筛选优良菌种，降低能耗，玉米原料综合利用，减轻污染来入手，加速传统酒精工艺的改进，向低温蒸煮和无蒸煮快速发酵方面发展。 （3）甘油：发酵法生产丙三醇是继皂化法、化学合成法之后的第三种丙三醇生产方法，具有安全性好，原料易得等优点。今后重点应生产食品级和医药级丙三醇。,2、有机酸 （1）柠檬酸：柠檬酸是世界上用发酵法生产的产量最大的有机酸，近年来我国柠檬酸生产量和出口量迅速增长，成为世界柠檬酸生产和出口第一大国。我国柠檬酸行业应着眼于通过技术创新和规模经营，降低生产成本，增强竞争能力，扩大柠檬酸新的应用领域。 （2）乳酸：我国乳酸生产已有数十年历史，主要有DL-乳酸和L-乳酸两种。近年来人们利用L-乳酸聚合生产可生物降解塑料、绿色包装材料及农用薄膜等，来解决日益严重的环境污染问题，引起了世界范围的广泛关注。 （3）衣康酸：衣康酸是一种重要的化工原料，主要用于腈纶化纤、树脂、橡胶、涂料、造纸、医药、农药、轻工、食品、丝绸等领域。可与多种物质进行加成、聚合反应，广泛应用于有机化工行业。,（4）苹果酸：苹果酸主要用作食品酸味剂，同时L-苹果酸的在某些特殊行业如医药大输液、手性药物的合成中具有极其重要的作用。 （5）曲酸：

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