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1、1 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 一 绪一 绪 论论 1 1 生物技术与生物化学工程生物技术与生物化学工程 1 2 生物技术的发展生物技术的发展简史简史 1 3 生物技术的应用生物技术的应用 1 4 生物技术新进展生物技术新进展 1 5 生物化学工程的基本生物化学工程的基本内容内容 2 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 1 生物技术与生物化学工程生物技术与生物化学工程 生物技术是用自然科学和工程学的原理 依靠生物技术是用自然科学和工程学的原
2、理 依靠生物催化剂生物催化剂作用 对物料进行加工作用 对物料进行加工 以提供产品或社会服务 定义 以提供产品或社会服务 定义 生物技术是工业规模生物技术是工业规模开发生物细胞及其组分潜在用途开发生物细胞及其组分潜在用途的技术 内容 的技术 内容 生物技术是应用生命科学及某些工程原理生物技术是应用生命科学及某些工程原理操纵生命及活性物质操纵生命及活性物质的一门综合性技术的一门综合性技术 学科 学科 方法方法 生物技术是以生物化学 生物学 微生物学和化学工程学应用于生产过程及环境生物技术是以生物化学 生物学 微生物学和化学工程学应用于生产过程及环境 保护的技术 特点 交叉 保护的技术 特点 交叉
3、包括医药卫生 能源和资源 环境及农业的产品的技术 领域 包括医药卫生 能源和资源 环境及农业的产品的技术 领域 3 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 基本特点归纳基本特点归纳 1 1 是一门多学科 综合性的科学技术 是一门边缘是一门多学科 综合性的科学技术 是一门边缘交交 叉学科叉学科 2 2 过程需要过程需要生物催化剂生物催化剂的参与 的参与 3 3 最终目的是建立工业生产过程 最终目的是建立工业生产过程 提供物质产品或社提供物质产品或社 会服务 会服务 4 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础
4、Biochemical Engineering 生物技术的四大支柱生物技术的四大支柱 基因工程 细胞工程酶工程发酵工程 生物技术生物技术 生物工程 5 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 生物化学工程生物化学工程 Biochemical Engineering Biochemical Engineering 简称简称 生物化工生物化工 或或 生化工程生化工程 生物化学工程生物化学工程是为生物技术服务的化学工程 它研是为生物技术服务的化学工程 它研 究的是生物反应过程中有普遍意义的特殊的工程技术究的是生物反应过程中有普遍意义
5、的特殊的工程技术 问题 是化学工程的一个问题 是化学工程的一个分支分支 生物化学工程生物化学工程是生物技术的一个是生物技术的一个组成部分组成部分 生物化学工程生物化学工程是生物学特别是工业微生物学和生物是生物学特别是工业微生物学和生物 化学与化学工程相结合的化学与化学工程相结合的交叉学科交叉学科 6 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 2 生物技术的发展简史生物技术的发展简史 1 2 1 1 2 1 传统生物技术的追溯 传统生物技术的追溯 18631863年之前年之前 1 2 2 1 2 2 巴斯德时期 巴斯德时期 1
6、8631863 19401940 1 2 3 1 2 3 抗生素时期 抗生素时期 19411941 19601960 1 2 4 1 2 4 抗生素后时期 抗生素后时期 19611961 19751975 1 2 5 1 2 5 现代生物技术时期 现代生物技术时期 19751975年以后 年以后 7 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 2 1 传统生物技术的追溯传统生物技术的追溯 1863年之前年之前 产品 酿酒 酱油 醋 面包 奶酪等 产品 酿酒 酱油 醋 面包 奶酪等 特点 地方性 经验性 偶然性特点 地方性 经验
7、性 偶然性 知其然 不知其所以然知其然 不知其所以然 8 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 2 2 巴斯德时期巴斯德时期 1863 1940 18571857年法国人巴斯德 年法国人巴斯德 PasteuerPasteuer 发现酒精生成与酵母有关 发现酒精生成与酵母有关 18971897年德国人毕希纳 年德国人毕希纳 BuchnerBuchner 发现发酵直接与 发现发酵直接与 酶酶 有有 关关 产品 乳酸 酒精 丙酮 丁醇 产品 乳酸 酒精 丙酮 丁醇 特点 产品分子结构简单 为初级代谢产物特点 产品分子结构简单
8、为初级代谢产物 厌氧发酵 表面培养厌氧发酵 表面培养 9 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 2 3 抗生素时期抗生素时期 1941 1960 19281928年年 FlenmingFlenming发现青霉素 发现青霉素 19401940年年 二次大战爆发 战争需要大量消炎药 二次大战爆发 战争需要大量消炎药 19411941年年 英美合作开发青霉素 英美合作开发青霉素 19431943年年 开发青霉素成功 纯种培养 深层培养 无菌 开发青霉素成功 纯种培养 深层培养 无菌 通气和搅拌发酵罐成功 通气和搅拌发酵罐成功
9、新的交叉学科新的交叉学科 生物化学工程诞生 生物化学工程诞生 产产 品 抗生素等 品 抗生素等 特特 点 二次代谢产物 分子结构复杂 纯种深层培养 点 二次代谢产物 分子结构复杂 纯种深层培养 10 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 表面培养法表面培养法 1 1升扁瓶升扁瓶 发酵液 发酵液200ml200ml 麦麸为培养基 青霉素发酵的效 麦麸为培养基 青霉素发酵的效 价单位约为价单位约为40u ml40u ml 约约0 31250 3125微克微克 u u 生产生产1kg1kg产品需产品需400 000400 000个
10、扁瓶 折个扁瓶 折1 61 6万美元万美元 1kg 1kg 即 即1010万万 u 1u 1美元美元 当时年代当时年代 现在国产青霉素约为每现在国产青霉素约为每4040万单位万单位0 60 6元人民币 元人民币 11 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 深层深层液体液体培养培养 机械机械搅拌 通无菌空气搅拌 通无菌空气 设备 设备 50005000升发酵罐升发酵罐 结果 结果 200u ml200u ml 生产纯度 生产纯度60 60 的产品的产品0 74kg0 74kg 12 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生
11、物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 2 4 抗生素后时期抗生素后时期 1961 1975 产品 氨基酸 酶制剂 单细胞蛋白产品 氨基酸 酶制剂 单细胞蛋白 SCP SCP 高果糖 高果糖 浆 细菌多糖浆 细菌多糖 黄原胶黄原胶 等 等 服务 废水生物处理 服务 废水生物处理 特点 代谢调控的利用特点 代谢调控的利用 2000M2000M3 3规模气升式反应器 通常规模气升式反应器 通常100100 300M300M3 3 抗生素发酵单位大幅度提高 抗生素发酵单位大幅度提高 1010 1212万万u mlu ml 13 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生
12、物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 2 5 现代生物技术时期现代生物技术时期 1975年以后 年以后 19531953年年 美国美国Watson Watson 和和CrickCrick发现发现DNADNA双螺旋结构双螺旋结构 19691969年年 日本人发明日本人发明固定化技术固定化技术 用于 用于DLDL 氨基酸的拆分氨基酸的拆分 19741974年年 美国美国BoyerBoyer和和CohenCohen首次在实验室实现首次在实验室实现基因转移基因转移 19751975年年 英国英国KohlerKohler等发明等发明杂交瘤技术杂交瘤技术 在体外产生单抗 在体
13、外产生单抗 MabMab 19781978年年 获得鼠胰岛素获得鼠胰岛素克隆克隆 几年后生产第一个基因工程产品 几年后生产第一个基因工程产品 人胰岛素人胰岛素 19971997年年 克隆动物多利羊 克隆动物多利羊 14 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 基因工程产品如 基因工程产品如 干扰素 胰岛素 白细胞介素 生长激素 干扰素 胰岛素 白细胞介素 生长激素 乙肝疫苗 促红细胞生长素乙肝疫苗 促红细胞生长素EPOEPO 表皮生长因子表皮生长因子EGFEGF 单克隆抗体 单克隆抗体 DNADNA探针探针 利用基因工程菌利用
14、基因工程菌生产抗生素 氨基酸和维生素等 生产抗生素 氨基酸和维生素等 15 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 3 生物技术的应用生物技术的应用 1 3 1 1 3 1 在医药工业中的应用在医药工业中的应用 1 3 2 1 3 2 在食品工业中的应用在食品工业中的应用 1 3 3 1 3 3 在轻工业中的应用在轻工业中的应用 1 3 4 1 3 4 在农业中的应用在农业中的应用 1 3 5 1 3 5 在化学工业中的应用在化学工业中的应用 1 3 6 1 3 6 在能源工业中的应用在能源工业中的应用 1 3 7 1 3
15、 7 在环境保护中的应用在环境保护中的应用 十二五期间 生物产业产值的年平均增长率保持在20 以上 到2015年将实现总产值接近4万亿元 目标3万亿 16 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 3 1 在医药工业中的应用在医药工业中的应用 抗生素抗生素 青霉素类 头孢菌素类青霉素类 头孢菌素类 氨基酸氨基酸 维生素维生素 VC VC 胡罗卜素胡罗卜素 VB2 VB2 麦角甾醇麦角甾醇 VB12 VB12 甾体激素甾体激素 氢化可的松 氢化波尼松 肤氢松氢化可的松 氢化波尼松 肤氢松 生物制品生物制品 疫苗 菌苗疫苗 菌苗
16、 蛋白和多肽药物 胰岛素 干扰素 白细胞介素 抗体 蛋白和多肽药物 胰岛素 干扰素 白细胞介素 抗体 核酸类药物 核苷酸 基因疫苗 核酸类药物 核苷酸 基因疫苗 微生态制剂微生态制剂 酵母片 乳酸菌片 酵母片 乳酸菌片 保健菌 保健菌 17 李强 化工系生化所 抗体与生物催化实验室 生物化学工程基础 Biochemical Engineering 1 3 2 在食品工业中的在食品工业中的应用 应用 含含醇醇饮料 传统调味品 发酵食品 饮料 传统调味品 发酵食品 食品添加剂食品添加剂 天苯二肽 海藻糖 氨基酸 发酵乳制品 天苯二肽 海藻糖 氨基酸 发酵乳制品 食品原料 果葡糖 食用食品原料 果葡糖 食用氨基酸氨基酸 1 3 3 在轻工业中的在轻工业中的应用 应用 各种酶制剂各种酶制剂 蛋白酶 蛋白酶 脂肪酶 果胶酶 凝乳酶 脂肪酶 果胶酶 凝乳酶 各种各种寡糖 寡糖 多糖多糖 1 3 4 在农业中的在农业中的应用 应用 生物生物农药 生物农药 生物微微肥 肥 植物植物细胞的微繁殖 种苗的无性快速繁殖细胞的微繁殖 种苗的无性快速繁殖 人工种子 人工种子 生物固氮 食用生物固氮 食用和药用真
