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1、一、生化工程的形成和发展一、生化工程的形成和发展1.生化工程的诞生在生物技术尚处于懵懂时期，人们凭借实践中积累的经验，制作某些原始 的发酵产品。在工业微生物的起始阶段，人们虽已懂得不同的发酵产品是由不 同的微生物所形成的道理，但取得产品一般都属初级代谢产物，即产物的分子 结构均较基质为简单。发酵一般为厌气培养过程，加上对纯种培养的要求不高， 因此采用一般的化学工程原理、方法和设备已能应付，尚不需解决更多的特殊 的工程技术问题，也就是说，还不具备建立生化工程这一新学科的必要性和条 件。本世纪 40 年代初，第二次世界大战爆发。战争造成为数众多的伤员和受伤 的居民，医生们急需有一种比磺胺类药物更为
2、有效而毒副作用更小的抗细菌感 染的药物。于是人们对 1928 年由英国人弗莱明（Fleming）发现而在 1940 年由 弗洛里（Florey）及钱恩（Chain）等所提取并经临床证实具有卓越疗效和低毒 的青霉素抱有极大的希望。1941 年美国和英国合作，一方面在美国用表面培养 法小规模生产青霉素，但纯度仅 20左右，收率约 35，而且花费极大的劳力 和空间，因此当时的青霉素价格非常昂贵（每 10 万单位即 60mg 为 1 美元，而 今国产青霉素每 40 万单位约为人民币 1 元）。另一方面，两国科学家与工程师 通力合作，在 1943 年终于产生了崭新的青霉素沉浸培养工艺过程，加速产业化 的
3、进程，使青霉素的产量和质量大幅度提高，纯度为 60，收率为 75。青霉素从实验室成果转向产业化的过程，同时酿成了新的交叉学科的建立。 生化工程就是环绕青霉素及随后其他抗生素这新一代生物技术产品的投产过程 中诞生的。2.生化工程的服务对象生物生产过程生物技术以其应用范围分类，约可分为工业生物技术、农业生物技术和医 学生物技术三大方面。以生化工程而言，主要是为工业生物技术服务的。工业 生物技术主要是指利用生物催化剂（游离或固定化的细胞或酶）将原料转化为 产物（包括医药、化工、轻工、食品等产品）的生产过程生物生产过程 （Bioprocess）或用于环保和能源的过程。生物生产过程一般可用图 5-1 表
4、示。当过程采用游离的整体活微生物细胞 时，一般称为发酵过程（特定情况下也称微生物培养或微生物转化过程等）， 而当生物催化剂为游离或固定化酶时，此过程则称酶（或酶促）反应过程。此 外，尚有动植物细胞（组织）的培养过程和污水处理过程等。生物生产过程可 分为三大部分。(1)上游加工过程主要包括两个方面。一是原材料的预处理，包括原材料的 选择、必要的物理、化学加工，培养基或底物溶液（指用于酶反应过程中的反 应物和必要的缓冲液）的配制和灭菌等。二是生物催化剂的制备。在发酵过程 中，先应选择菌种，经多次扩大培养后接种至发酵罐。在酶反应过程中，若采 用固定化酶或固定化细胞时，应事先通过合适的固定化技术将酶或
5、细胞加以固 定，并装入酶反应器。图图 5-15-1 生物生产过程示意图(2)生化反应过程这一工序是整个生产过程中的关键工序，它是在生物反应 器中完成的。所谓生物反应器是指一个能为活细胞或酶提供适宜的反应环境条 件，以达到细胞增长和产物形成为目的的设备。对发酵过程，一般采用釜式反 应器（发酵罐），实行分批或流加一分批发酵；个别情况（菌种稳定性高、杂 菌污染影响小）下，也有用多罐串联形式进行连续操作，对酶反应过程，可采 用的反应器类型较多，可以根据反应特性决定是采用连续釜式还是连续管式反 应器。至于动植物细胞培养用反应器一般都是间歇操作，在要求高密度培养时 则可进行灌注培养，即连续注入新鲜培养基排
6、出废液而将细胞留在罐内，反应 条件对反应过程的影响是不言而喻的，为此应加强生化反应工程的研究、完善 有关参数检测和控制系统的配置。(3)下游加工过程这一工序也称产物分离或提取精制工序，包括用适当的方 法和手段将含量甚低的目标产物从反应滤液（指胞外产物）或细胞（指胞内产 物）中进行初步的提取，并作进一步的精制使之达到最后产品的要求。用于提 取、精制的手段很多，除了在化学工业中常用的单元操作外，尚有一些独特的 分离纯化方法，如高压匀浆、冻溶、透析、絮凝、双水相萃取、电泳、亲和层 析、免疫层析等。生物生产过程还具有下列特点：由于生物催化剂易于失活，易受环境的 影响和杂菌的污染，一般不能长时间使用，因
7、此以分批方式生产为主。以采 用可再生资源中的天然生物物质为主要初始原料，来源丰富，价格低廉，过程 中的废物危害较小，但原料成分往往难以控制，给生产控制和产品质量带来一 定困难和影响。与化学反应相比，生产设备较为简单，能量消耗一般也较少， 但过高的底物（基质）或产物浓度常导致酶的抑制或细胞失活；所用的反应器 体积很大；要求在无杂菌污染情况下进行操作。酶反应过程的专一性强，转 化率高，但酶的成本较高；发酵过程的成本低、应用广，但反应周期长，较难 控制，反应液中杂质多，给分离纯化带来困难。3.生化工程的基本内容及其发展趋势按工程学的定义而言，它是将自然科学的原理应用于社会生产的某一具体 方面，并研究
8、该生产领域中带有共性的技术规律的学科。生化工程既是为生物 生产过程服务的学科，就有必要先对其共性的技术有一个概括的了解。在上游加工中最重要的是提供和制备高产、优质和足够数量的生物催化剂。 其中带有共性的技术有大规模的种子培养、酶或细胞的固定化、如何将所制备 的种子或固定化生物催化剂在无菌情况下移入生物反应器等问题。另一类是涉 及粗原材料的加工，其中有关共性技术是加工后作为基质或培养基的标准化问 题，以及基质或培养基的灭菌和空气除菌问题。在生物反应过程中，有关共性技术问题有适用于大规模细胞培养及产物形 成的反应器的选型、设计，操作方式及条件的确定，过程及反应器的放大，过 程的参数检测和控制等。由
9、上述问题又延伸出生物反应动力学、生物反应工程、 生物反应器工程、生物过程检测和控制技术、生物过程模型化技术等生化工程 的分支学科或专门研究领域。在下游加工中，主要是研究和开发各种适用于生物反应产品，特别是作为 诊断和治疗用的活性蛋白质、多肽或其他活性物质的提取、精制手段和装备， 这些都属生物分离工程的研究内容。在生产药品和食品的过程中，还应注意符合“优质生产规范”的要求。这些带有共性的技术问题的出现，是随着新生物生产过程的不断发展的需 要而提出的，或在原有基础上不断增加其深度。如果说，早期的生化工程曾为 发酵和酶反应过程，如四十年代的抗生素工业、五十年代的氨基酸工业、六十 年代的酶制品等工业以
10、及果葡糖浆等酶反应产品的迅速发展作出过贡献；八十 年代以后的生化工程则应为基因工程、杂交瘤技术等现代生物技术产品的顺利 投产谱新曲、立新功。对今后生化工程的重点研究方向大致可概括成下列四个方面。(1)新型生物反应器的研究开发及相应培养、发酵技术的研究面对着节约能 源以及基因工程、杂交瘤技术和酶工程的产品投产，急需研究开发一些大型节 能的发酵罐、适用于重组菌、动植物细胞培养和复杂酶反应的生物反应器。为 了使分批培养（发酵）中获得更多的细胞（产物），应积极开展流加、半连续、 灌注等培养（发酵）技术的研究和应用。此外，还应努力开展有关生物反应器 合理设计和放大的研究。(2)新型分离方法和设备的研究开
11、发为了适应现代生物技术产品的生产，应 加强对蛋白质、多肽产品的提取、纯化的研究开发。目前用于上述产品的提取、 纯化方法虽不少，但有的不够有效，有的只能用于实验室规模，对有关提取、 纯化的原理还研究得不太深入，影响有关设备的设计放大。为此，在生物分离 工程中尚有不少研究课题和发展余地。(3)各种描述生物反应过程的数学模型的建立对有关数学模型的建立，将有 利于过程的优化控制和计算机的应用。数学模型的基础应是深入的动力学研究， 但也可以结合实际经验或生产数据的回归得到半经验的数学模型。鉴于一些关 键参数如细胞浓度、产物浓度、甚至是基质浓度目前尚难以在生产过程中进行 在线检测，因此某些以经典动力学形式
12、表示的数学模型难以直接用于生产实际。 为此可先寻找这些不可在线检测参数与某些可在线检测参数之间的关系，然后 获得可实际应用的数学模型。(4)生产过程在线检测和控制手段的完善在线检测主要是解决能及时反映生 物反应器内关键参数变化的传感器的研制。控制手段是指计算机控制系统的硬 件（检测信息的条件化和显示系统、调节器、计算机、人-机对话系统、执行系 统等）及软件（动态自适应控制系统、模糊控制系统、专家控制系统等）的建 立和完善。最后还应强调的是生化工程工作者与生物、化学等科学家之间的相互合作 问题。在青霉素工业建立的过程中，工程技术人员与科学家之间的密切合作可 称是成功合作的典范。这种精神还值得加以
13、宣扬和发展，因为它对迅速发展生 物技术有利。美国的 Humphrey 教授是一位生化工程的前辈，他当年参与过早期 的抗生素工业的大合作。他在 1992 年的一次国际会议上呼吁：“让生化工程工 作者一开始或尽早参加生物生产过程的研究开发，不要等待在生物科学家完成 了包括通过临床试验的研究后，再让生化工程师去进行开发”，否则将可能会 发生“滚瓶机器人”的奇怪生产工艺。这里说的“滚瓶”是在实验室中培养 贴壁型动物细胞的玻璃瓶，其容积最大不超过 5 升，其中培养液仅约为 1 升， 因此生产中要动用大量滚瓶和消耗大量劳动力，为此只能请机器人来代劳，以 显示工艺的“现代化”。以下各节将对生物生产过程中的一些重要工程技术作较深入的介绍。
