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第8章生物化工 生物化工的特点与发展概况生物化工的应用领域生物化工的生产工艺技术典型生物化工生产化工产品举例生物化工发展趋势 8 1生物化工的特点与发展概况 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 定义 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 世界生物化工行业的现状生物化工发展至今已经历了半个多世纪 最早主要是生产抗生素 随后 是为氨基酸发酵 舀体激素的生物转化 维生素的生物法生产 单细胞蛋白生产及淀粉糖生产等工业化服务 随着生物化工上游技术 生物工程技术的进步以及化学工程 信息技术 IT 和生物信息学等学科技术的发展 生物化工将迎来又一个崭新的发展时期 9O年代中期 美国生物化工企业有 2000多家 西欧有580多家 日本有300多家 世界大公司正把注意力向生命科学部分转移 生物化工的发展 我国生物化工行业的现状及存在的问题生物化工产品也涉及医药 保健 农药 食品与饲料 有机酸等各个方面 但是与发达国家相比 我国生物化工行业存在着许多问题 一是我国的生物化工产业主要以医药 轻工 食品业为主 二是产品结构不合理 品种单一 低档次产品重复生产 不能适应需求 在我国高档的医药生化产品如激素 生长因子 干扰素 药用多肽等 有的产量很小 有的没有生产 因此每年都需进口 三是在生产技术上 工艺 设备不配套 上下游技术不配套 产物的收得率低 我国虽然某些产品如柠檬酸 乳酸等发酵水平较高 但大多数产品的收率都低于国外 酶制剂的活力也明显低于国外 生化反应器和分离纯化技术更是落后国外15 20年 每年都要花费大量资金从国外进口生物反应器 细胞破碎机 分离纯化设备及分离介质 生物传感器和计算机监控设备 四是有些产品投入产出比达15以上 造成严重的资源浪费和环境污染 五是基础研究薄弱 技术创新能力不强 企业的技术开发 技术吸收能力差 生产发展多数依靠传统的夕蜒型 粗放型扩大投资的增长模式 效益低 市场竞争力低 8 2生物化工的应用领域 把生物工程技术应用到药物制造的过程称之为生物制药 生物药品是以微生物 寄生虫 动物毒素 生物组织为原材料 采用生物学工艺和分离 纯化技术 并以生物学的分析技术控制中间产物和成品质量制成的生物活化制剂 包括菌苗 疫苗 毒素 类毒素 血清 血液制品 免疫制剂 细胞因子 抗原 单克隆抗体及基因工程产品等 现代生物制药 基本制造方法 现代生物制药 生化制药的六个阶段原料的选择和预处理原料的粉碎提取纯化浓缩制剂 现代生物制药 基因工程是在体外对生物的遗传物质基因进行剪切 拼接 重新组合 与适宜的载体连接 构成完整的基因表达系统 然后导入宿主生物细胞内 与原有遗传物质整合或以质粒形式单独在细胞中繁殖 编码产生人类所需的物质或创造新的物种 也可对疾病进行基因治疗 基因工程 现代生物制药 1973年重组DNA技术的建立为标志 是科学技术史上的里程碑 应用于农业 医药 轻工 化工 环境等领域 成为人类解决粮食 能源 环境 制药的主要手段 1976年世界上第一家基因工程技术开发药物的公司 Genentech公司 建立 开始了现代生物技术产业发展的新纪元 1982年世界上第一个基因工程药物重组人胰岛素获得FDA批准 由EliLilly公司正式生产 推向市场 基因工程技术首先在医药领域实现产业化 到现在仍有60 80 集中在医药领域 占主要地位的是基因工程药物的研究和商品化 研究开发的治疗药物是癌症 心脑血管疾病 艾滋病 遗传病等重大病而用常规方法又难以获得的药物 基因工程主要包括三大类 基因工程药物 生物疫苗和生物诊断试剂 这些药品在诊断 预防 控制及消灭传染病 保护人类健康 延长寿命中发挥着越来越重要的作用 国外生物制药 全世界生物技术公司3600多家 主要集中在欧美 美国1450家 欧洲700家 加拿大330家 日本也有几百家 年产值超过10亿美元的生物技术公司有20余家 美国是现代生物技术的发源地 又是应用现代生物技术研制新型药物的第一个国家 多数基因工程药物都首创于美国 年研究经费70亿美元以上 1980年美国的生物技术产品的销额还是零增长 1991 59亿USD 1996 101亿USD 基因工程药物为80亿USD 1997 130亿USD 2001 270亿USD 生物药物批准情况 国内生物制药 20世纪80年代是我国生物制药的起步阶段 1983年成立生物工程开发中心 七五 期间投资成立了基因工程药物 生物制品 疫苗三个研究开发中心 项目主要集中在肝炎 疫苗 血液制品等产品 企业数目极少 1986年我国生物技术尚处于研发初期 仅有单克隆抗体诊断试剂盒 微生物农药等少数 少量产品 医药产品产值约为0 2亿元 占生物技术产品销售额的8 20世纪90年代 企事业单位齐头并进 大发展 国外主要的基因工程药物及疫苗 都能生产 我国生产的生物药品主要是基因乙肝疫苗 干扰素 白细胞介素 2 增白细胞 重组链激酶 重组表皮生长因子等15种基因工程药物 已进入市场 重组凝乳酶等40多种基因工程新药正在进行研究 单克隆抗体的研制已由实验进入临床 B型血友病基因治疗初步获得临床疗效 组织溶纤原激活剂 白介素 3 重组人工胰岛素 尿激酶等十几种多肽药品在临床实验中 我国正在研制的创新性基因工程药物肿瘤坏死因子 TNF 神经营养因子激素酶其他基因重组蛋白质 多肽重组毒素及蛇毒成分单克隆抗体及受体重组基因融合蛋白 生物制药发展的几大重点领域 诊断与检测试剂 新型基因工程疫苗 基因工程活性肽和蛋白质 治疗功能基因药物 转基因动植物反应器 生物制药发展方向 生物技术在农作物中已有广泛的应用 最初通过遗传工程获得而进入市场的作物是 玉米 大豆和棉花 它们经转基因后具有抗除草剂和棉铃虫的能力 利用Bt细菌获得经遗传改良的作物的商业潜力是相当大的 例如 美国有200万m2的Bt棉花 澳大利亚有40万m2 两者各相当于2 5亿美元价值 如果将Bt玉米引种在美国1000万m2的土地上 只要增产5 就意味着能增加3 5亿美元收入 农业生物技术与生物农药 8 2生物化工的应用领域 农业生物技术应用国际服务组织 ISAAA 生物技术在畜牧业上应用所获得的益处与在农作物上相似 一方面 生物技术有助于提高畜禽的生命力以及消灭竞争者 如利用鼠类基因 该基因能促进角蛋白的形成 获得了经遗传改良的绵羊 这种绵羊比普通棉羊产毛量能提高6 左右 另一方面 生物技术在提高农作物产量 质量的同时 有助于提高畜牧业的生产力发展水平 例如 通过控制饲料作物体内碳水化合物含量可提高畜牧业生产力 利用基因调控技术可以提高包括豆科作物在内一些作物的蛋白质含量 减少饲料作物中难消化的木质素含量等 农业生物技术与生物农药 农业生物技术与生物农药 我国的两系法杂交水稻育种研究已深入到基因层的研究 跃居世界领先水平 在水稻无融合生殖育种新技术研究上取得了重大突破 成功地培育出无融合杂交水稻 经过数千亩大田的试验示范 表现出丰产 米质量佳 抗性强 适应性广等优点 克服了杂交水稻需要年年制种和杂种只能用一次的缺点 为水稻育种开辟了新途径 我国进行了动物胚胎的工程研究 掌握了实用化的胚胎分割和移植技术 获得了一批胚胎移植良种牛 并已建立了良种奶牛的胚胎移植和繁殖中心 在动物细胞工程研究上 也已成功地选育出 四倍体复合银鲫鱼 和 人工复合三倍体鲤鱼 经大面积饲养试验 显示了快速生长的特性 农业生物技术与生物农药 我国在抗病抗虫方面的转基因植物的研究取得了实质性进展 目前已经获得了抗病毒的转基因烟草 番茄 马铃薯 小麦 玉米等植物 并成功地竟苏云金芽抱杆菌杀虫基因导入棉花和水稻种 获得了抗虫棉和抗虫水稻 抗烟草花叶病毒 黄瓜花叶病毒的转基因烟草 在大田试验表现了较强的抗病性 农业生物技术与生物农药 生物农药是利用微生物本身或代谢物防治虫 草等的制剂 包括农用抗生素 细菌农药 真菌农药和病毒农药 具有选择性高 易于降解 用量少 污染小 对人畜毒性小 保护环境 病虫害不易产生抗性等优点 因而发展生物农药 减少化学合成农药的使用 已成为全球农药产业发展的新趋势 农业生物技术与生物农药 生物技术可能引发的问题 人们利用生物技术生产出抗旱 耐盐 抗病虫害作物同时 也导致生物多样性遭受严重破坏 甚至导致一些物种灭绝 转基因植物 动物 微生物脱离当地农业生态系统所造成的危害 可能引起如下危害 转基因作物使自生作物成为严重的杂草问题 转基因作物通过杂交后产生杂种 转基因作物影响食物安全 精细化工中的生物技术 生物有机酸的应用采用发酵法生产的有机酸已在食品 医药 塑料 香料等行业得到应用 柠檬酸用途很广 其中用于食品和饮料行业的为50 医药行业为20 化学工业为20 化妆品为2 其他8 柠檬酸是我国最大的出口发酵产品 L 苹果酸主要用于食品业 保健品 化妆品及饮料的酸味剂和防腐剂 酶制剂的应用酶是细胞原生质合成的一种高活性的生物催化剂 由许多氨基酸组成 其催化性能具有高效和专一性 酶普遍存在于动物 植物 微生物中 通过采取适当的理化方法 将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来 加工成具有一定纯度标准的生化制品 成为酶制剂 酶制剂主要有 淀粉酶 葡萄糖淀粉酶 纤维素酶 碱性蛋白酶和中性蛋白酶等 精细化工中的生物技术 生物催化在精细化工中的应用实例 由DL 氨基己内酰胺生产L 赖氨酸的过程如下 采用青霉素酰化酶的基因工程菌合成6 氨基青霉烷酸即6 APA 生物石油化工 石油微生物炼制 1 石油脱蜡 利用解脂假丝酵母 拟圆酵母 粉孢霉菌 诺卡氏菌等进行发酵法脱蜡可出去石油及其馏分产物的蜡质 获得高质量 低凝固点的航空汽油 高级柴油 变压器油和多种机油 2 石油脱硫 许多地区的原油中含硫量高 这些硫化物腐蚀设备 影响产品质量 而且石油产品燃烧时 还生成SOX污染环境 因此石油脱硫十分重要 3 石油脱氮 利用土壤中培养出的微生物 通过环羟基化和断裂机理 使吡啶降解成NH3 CO2和H2O 这些微生物能对含氮杂环化合物分子的氧化有专一性 并能把油中的含氮杂环化合物氧化 生物石油化工 8 3 1原料选择与预处理 原料选择的基本准则 在大量的信息资料和实践经验的基础上 选择目标原料选择有效成分含量高的新鲜材料 来源丰富易得 制造工艺简单易行 成本比较低 原料的采集不破坏生态环境 选择对环境友好的原材料资源 防止生物入侵 8 3生物化工品的生产工艺技术 预处理方法 动物组织先要剔除结缔组织 脂肪组织等非活性部分 植物种子去壳除脂 微生物要进行菌体与发酵液分离等基本操作 便于贮存和运输 冷冻法预处理以抑制微生物和酶的作用 有机溶剂除去部分水分 原料的粉碎 动物脏器组织 常用绞肉机机械法粉碎 植物肉质组织 常用磨碎法 微生物 常用自溶 冷热交替 加砂研磨 超声 加压等处理方法 1 机械法 组织捣碎机 匀浆器 研钵 球磨机 万能粉碎机 绞肉机 击碎机 刨片机 动物组织多在冰冻状态绞碎 溶浆 2 物理法 A 反复冻融法B 冷热交替法C 超声波处理法D 加压破碎法3 生化及化学法 A 自溶法B 溶菌酶处理法C 表面活性剂处理法 8 3 2工业用微生物的培养 1 细菌 醋杆菌属的醋化醋杆菌 弱氧化醋杆菌等不生孢子的需氧菌 乳杆菌属的德氏乳杆菌 链球菌属 片球菌属 串珠菌属等 芽孢。