生物过程工程—第一章绪论1

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1、生生 物物 过过 程程 工工 程程Bioprocess EngineeringBioprocess Engineering华中科技大学生命科学与技术学院第一章第一章 绪绪 论论1、生物过程工程概念的提出2、生物过程工程的研究内容及构成单元3、工程的概念第一节、生物过程工程的基本概念第一节、生物过程工程的基本概念为说明什么是生物过程工程，先看两个实例：1、发酵法生产核黄素生产流程；2、紫杉醇生产流程1、发酵法生产核黄素生产流程；2、紫杉醇生产流程完全不同的对象和工艺，却具有相同的特征：1、由若干个单元操作构成一个完整的生产流程；2、特定对象其生产流程并非是唯一的；3、放大生产必须考虑流程的最优化

2、；4、放大生产涉及设备的问题；5、排放及环保问题；生物技术研究成果放大生产都将遇到上述问题。一、生物技术及生物技术成果的产业化：1、生物技术的定义： 生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。国际合作及发展组织(1982年）定义一利用分子生物学、细胞生物学、生物化学、生物物理学、信息科学等手段，研究、设计、改造生命系统以改良生物乃至创造新的生物物种；或利用生物体系与工程学手段相结合以生产人类所需的产品和为人类提供服务的一类高新技术。它是源于分子生物学、细胞生物学等基础科学研究成果而发展起来的一门以生产应用为主的综合技术。 国家科技部生

3、物技术产业发展战略研究报告（1999年11月）定义二应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其中还包括改良有经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。美国政府技术顾问委员会（OAT）定义三虽然各种定义在文字叙述上有差异，但有一点是一致的，就是利用生物体的某些特性所进行的一种加工过程，最终获得产品（商品），为社会服务；因此仅局限于实验室的研究是无法实现这一目的的。2、生物技术的内容主要有：基因工程、细胞工程、发酵工程、基因工程、细胞工程、发酵工程、基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程、酶工程、蛋白质工程、酶工程、蛋白质工程、此外还包括：基因诊断与基因治疗、克隆技术、

4、生物材料、生物芯片、生物能源、以及利用生物降解环境中有毒有害化合物的相关技术。与生物技术相关联的学科主要有：对人类和社会生活影响最大的生物技术领域有：分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学等。农业生物技术、医药生物技术、环境生物技术、海洋生物技术。基因工程基因工程基因工程在分子水平上，根据分子生物学和遗传学原理，设计并实施把一个生物体中的遗传信息（DNA）转入到另一个生物体中，使后者获得新的所需要的遗传性状，或表达所需要的产物，最终实现该技术的商业价值。珍稀蛋白质药物的生产人生长激素、表皮生长因子、肿瘤坏死因子、干挠素、纤维素酶、抗血友病因子、红细胞生成素、尿激

5、酶原、白细胞介素2、乙肝疫苗等。针对某些遗传病、恶性肿瘤的基因治疗。基因工程应用领域基因工程应用领域基因工程应用领域基因工程应用领域基因工程应用领域基因工程应用领域农业、畜牧业、种植业转基因植物，如大豆、玉米、西红柿等；动物疫苗、动物生长激素；抗化学除草剂基因、固氮酶基因；为发酵工程菌种的选育和改造提供技术支持；细胞工程细胞工程细胞工程细胞工程是指通过细胞水平上的筛选和改造，获得有商业价值的细胞株和细胞系，再通过规模培养，获得特殊商品的技术和过程。细胞工程包括动物细胞工程和植物细胞工程，它们分别以动物细胞和植物细胞作为主要生产对象，以细胞培养为主要过程和内容。动物细胞培养动物细胞培养动物细胞培

6、养转瓶培养装置转瓶培养装置转瓶培养装置一些单细胞低等植物如单细胞藻类的大规模培养成为细胞工程的重要组成部分。获得蛋白质资源、营养食品、精细化工产品等。如营养食品螺旋藻的生产（如图）。单细胞藻类培养单细胞藻类培养单细胞藻类培养高等植物细胞具有全能性。从高等植物的根、茎、叶、花及果实等不同器官的组织中分离的单个细胞，经过特殊培养形成愈伤组织，并可进一步诱导生成完整的植株。植物细胞培养及试管苗植物细胞培养及试管苗植物细胞培养及试管苗植物细胞大规模培养生产代谢产物植物细胞大规模培养生产代谢产物植物细胞大规模培养生产代谢产物细胞融合是将不同种类的两种细胞经特殊处理后放在一起，在某些促融因子的作用下发生融

7、合，形成杂种细胞。细胞重组是将不同种类细胞的部件重新组合装配，包括核的移植、叶绿体移植、核糖体重建及线粒体装配等。杂交瘤技术是通过细胞融合产生特异杂交瘤细胞。细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术细胞融合、细胞重组、杂交瘤技术发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程是指利用微生物、包括利用DNA重组技术改造的微生物在全自动发酵罐或生物反应器中生产某种产品的技术。现代发酵工程微生物生长动力学、大型发酵罐及生物反应器研制、以及一系列化工单元操作密切结合和应用的结果。小型发酵罐小型发酵罐小型发酵罐发酵罐系统发酵罐系统发酵罐系统一般发酵工程包括以下基本步骤：一般发酵工程包括以下基本步骤：

8、一般发酵工程包括以下基本步骤：（1）菌种选育；（2）细胞大规模培养即发酵过程；（3）代谢过程的诱导与调控；（4）菌体及产物的收获；发酵工程的应用及产品领域非常广泛；从食品、医药产品、精细化工产品到许多化工原料生产、生物农药、生物可降解塑料等方面均有应用。酶工程酶工程酶工程酶工程就是将酶、微生物及动植物细胞等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。也有的将蛋白质工程归于酶工程一类。实际上 酶工

9、程与蛋白质工程既有联系又有区别。蛋白质工程是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等于段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型技术。蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程基因工程发酵工程微生物蛋白质工程 或酶工程细胞工程基因工程菌蛋白质或酶动、植物个体 或细胞优良动、植物品系产品生物技术各领域的相互关系生物技术各领域的相互关系生物技术各领域的相互关系生物技术各领域的相互关系上述五项技术并不是各自独立的，它们彼此之间是互相联系、互相渗透的。其中的基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展。比如通过基因工

10、程对细菌或细胞改造后获得的“工程菌”或“工程细胞”，都必须分别通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质；又如，通过基因工程技术对酶进行改造以增加酶的产量、酶的稳定性以及提高酶的催化效率等。3、生物技术成果的产业化：生物技术和生物产业在经济社会可持续发展过程中是具有先导性、战略性的产业。其发展有可能解决当今人类社会所面临的食品短缺、资源匮乏、能源危机、环境污染加剧、疑难病症的治疗等诸多问题。因此生物技术产业是支撑中华民族伟大复兴的战略产业；是我国加速贯彻和落实科学发展观，全面建设小康社会的必然选择；生物技术产业的快速发展是保障国家安全的战略措施。生物技术定义的不同版本，虽然文字表述上略有差异，但最

11、终都是以成为产品、商品，为人类服务为目的；因此生物技术的实验室成果最终实现产业化才是其真正的价值所在。我们从生物技术各领域相互关系的示意图中也可以看到，不管通过何种途径其终极目的还是产品。在从实验室到产品的过程中，还需要其他学科理论和技术的支持，需要相应的设备的支持，从而构成一个完整的程序或过程。什么是过程科学？什么是过程工程？过程科学的产生是科学发展到一定阶段的产物。各个学科所研究的对象都是客观存在；不同学科的差别不在于研究对象不同，而在于研究角度不同、研究侧面有所侧重。二、生物过程工程概念的提出：1、从过程科学到过程工程：如：研究对象人；学科临床医学、预防医学、运动医学、人体生理学、运动生

12、理学、关于 学科分类初级阶段依研究对象高级阶段依研究侧面、研究方法人们在科学研究过程中逐渐发现这样一个规律，即虽然表面上看似两个完全不相干的对象，但在研究思路、研究方法、研究程序或过程上有某种相似和联系；而一旦建立起了不同研究对象之间的联系及研究方法上的相似，则学科分类将重新划分。研究对象 A侧 面 2侧 面 1侧 面 3方 法1方 法2方 法3方 法1方 法2方 法3方 法1方 法2方 法3研究对象 B侧 面 2侧 面 1侧 面 3方 法1方 法2方 法3方 法1方 法2方 法3方 法1方 法2方 法3可以发现，对不同对象的不同侧面，方法相同；按“方法”分类。某项研究要用到方法1、方法2、方

13、法3 方法n，这些方法有序的连接起来就是“过程”。过程科学是如何形成的？过程科学源于工业生产实践。对于工业生产的分类，比较科学的是从生产方式、扩大生产的方法以及生产时物料所经过的主要变化来分类，将工业生产分为“过程工业”与“产品工业”。石油工业石油工业石油工业冶金工业冶金工业冶金工业化学工业化学工业化学工业制药工业制药工业制药工业建材工业建材工业建材工业能源工业能源工业能源工业食品工业食品工业食品工业机械工业机械工业机械工业汽车工业汽车工业汽车工业航空工业航空工业航空工业电子电器电子电器电子电器家电工业家电工业家电工业. . . . . . . . . . .工工 业业 生生 产产过过 程程

14、工工 业业产产 品品 工工 业业过程工业的特点过程工业的特点（1）使用的原料主要是自然资源；（2）生产过程是连续生产；（3）原料在生产过程中经过多次化学变化和物理变化；（4）扩大生产主要靠“放大生产规模”来实现；（5）其产品主要作为“产品工业”的原料；（6）此类工业对环境的污染较严重；产品工业的特点产品工业的特点（1）使用的原料大部分是“过程工业”生产的产品；（2）产品基本上是为人类直接使用；（3）生产过程基本上是不连续的；（4）生产过程中只对原料进行物理加工或机械加工；（5）扩大生产主要靠“增加生产线”来实现；生产是“离散”方式；（6）相对“过程工业”而言污染较轻；随着工业日趋分为“过程工业

15、”和“产品工业”两大类，过程工业迫切需要建立自己的技术理论基础，从原理上研究提高生产率、降低投资费用和操作成本等；需要从原理上研究开发新的工艺流程、设备的改进及新型设备的研发，并尽力消除对环境的影响和污染，使其符合可持续发展的基本原则。这就是过程科学产生并发展的社会需求。过程科学的产生过程科学的产生源于过程工业的社会需求过程科学的产生过程科学的产生脱胎与化学工程学的“三传一反”化学工程学是化学加工技术的科学基础，它以物质和能量转化与传递过程的共性规律作为主要研究内容，是将物质和能量转化与传递过程的实验室研究成果转化为现实生产力的强有力工具与杠杆。化学工程学的核心是“三传一反”，即三传：动量传递

16、过程；热量传递过程；质量传递过程；一反：化学反应过程；或四传一反由于“三传一反”理论体系的建立，使得化学工程学成为更为全面的一门工程学科。“三传”包含有若干个单元操作，这些单元操作不仅在化工生产过程中普遍使用，相应的在冶金、能源、建材等工业生产中也组成了单元操作过程；特别是近代生物化工的兴起，亦借助与化学工程学的理论及技术基础。 “三传一反”已成为其它“过程工业”的理论基础。其结果：过程科学应运而生过程科学应运而生过程科学的含义过程科学的含义过程被定义为将一组输入转化为输出的活动，而产品则是过程的结果。广义：以过程为研究对象的科学；与时间有关的科学；考察体系输入与输出之间本质因果关系的科学；狭义：以物质和能量转化与传递过程的共性规律作为主要研究内容，将物质、能量、信息转化与传递过程的实验室研究成果转化为现实生产力的科学；本质上还是一门技术（工程）科学。什么是过程工程？什么是过程工程？“过程工程”源于化学工程的发展与延续；化学工程在发展的过程中，其技术和方法不