生物反应工程2010

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1、生物工程反应,姜 梅 2010.9,联系方式： M 84396989(O),绪 论,本章重点：生物反应工程生物工程概念与内容； 本章难点：生物反应过程与生物反应工程的区别。,1.1生物反应过程概述,1.1.1生物反应过程(bioprocess) 定义： 将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。 实质：利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。 青霉素的生产。,抗生素青霉素,罗伯茨（W. Roberts，1874)首次报道微生物的颉颃（xie hang）现象（antagonism）灰绿青霉生长旺盛的液体会使人工感染细菌困难 廷德尔（J.Tyndall,1876）青霉菌

2、与细菌液体培养中有颉颃现象 巴斯德和朱伯特（J.F.Joubert，1877)用炭疽芽孢杆菌培养物感染动物 巴比斯和科尼尔（V.Babes & A.V.Cornil,1885)细菌之间 ,青霉素的生产,1928.9 英国 Fleming 发现青霉素 1938 英国 Flory和Chain 重复（实验室） 少量 败血病 失败 第二次世界大战 美国 D.Elder 液体深层发酵 0.001g/L 1945 青霉素高产菌株产黄青霉 （Penicillium chrysogenum) 育种技术 培养基设计技术搅拌通气发酵罐为反应器（六叶平板桨）氧的传递技术等等,化学家钱恩（E.Chain）获得精制品，

3、1940在美国产业化,当前水平6000080000U/ml(150m3),空气净化工艺流程,生物技术 biotechnology 侧重技术方法应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。 生物科学 bioscience ：侧重机理研究生命现象和生命活动规律的科学 生物工程bioengineering ：侧重工程,（一）描述性生物学 119世纪30年代，德国植物学家施莱登、动物学家施旺提出细胞学说。 21859年，英国生物学家达尔文出版物种起源。 （二）实验生物学阶段： （孟德尔遗传规律重新提出1900年） （三）分子生物学阶段： 11944年，美

4、国生物学家艾弗里首次证明DNA是遗传物质。 21953年，美国沃森，英国克里克提出DNA双螺旋结构模型。,生物科学发展,生物工程专业本科授予工学学士学位，生物科学和生物技术专业本科授予理学学士学位。 以清华大学为例，生物科学与技术系是培养在生物科技领域从事科学研究、教学和应用开发工作的高水平人才的专门系科。现设有生物科学和生物技术两个本科专业，为了拓宽人才培养口径，招生时按生物科学一个专业招生。虽然分为两个专业，但课程安排和教学内容上并没有什么区别，只是在写毕业论文时各有侧重。生物科学专业主要涉及生物化学、分子生物学、生物物理学、结构生物学和细胞发育生物学等学科领域。生物技术专业主要包括生物芯

5、片技术、微生物发酵工程、藻类技术、细胞工程及酶工程和生态环境工程。为使学生适应未来生物科技发展的需要，培养学生不仅注重生物学知识的学习和实验技术的训练，而且重视学生在数、理、化、计算机等方面的培养和训练，还需学习无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、普通生物学、生物化学、细胞生物学、微生物学、遗传学、分子生物学、动物生理学、生物物理学及电工与电子技术、计算机软硬件技术基础课程。另有神经生物学、发育生物学、免疫学和生物工程学等一系列课程可选修。以上海交大为例，生物技术专业旨在培养具有扎实的现代生命科学理论基础和熟练的操作技能与工程基础知识、掌握计算机以及外语的高级专业人才。研究方向为生物大分子

6、的结构与功能、基因分子生物学、人类与动物分子遗传学、微生物代谢与调控以及植物基因工程等。该专业主要学习与基因工程、蛋白质工程等相关的基础理论和操作技能。主要课程有：普通生物学、生物化学、神经生物学、微生物学、微生物原理、基因工程原理与方法、细胞工程、生化工程、酶与酶工程、发酵工程、计算机在生命科学中的应用、生命科学信息与情报、生命科学基础讲座等。,示意图,细胞 酶 (游离或固定化)空气 能量提取精制 产品 生物催化剂 副产品 灭菌 废物 原料 基质或培养基,生 物 反 应 器,检 测 控 制 系 统,组 成,原料的预处理选择、加工（物理或化学）、培养基的配制和灭菌； 生物催化剂的制备菌种的选择

7、、扩大培养和接种，酶的纯化和固定化等；（核心） 生物反应器及反应条件的选择与监控反应器的结构、操作方式、操作条件；反应 参数的检测与控制； 产物的分离纯化去除杂质，提高浓度。,以生物反应器为核心，之前反应上游加工；之后反应下游加工,1.1.2 生物反应过程的特点,一门综合学科生物学：生物化学、分子生 物学、微生物学化学：无机、有机、分析、物理工程学：化学工程、机械工程； 采用生物催化剂酶 Enzyme； 采用再生资源为原料丰富、低廉，危害性小；难控制，质量不稳定； 设备简单，能耗低。,1.1.3生物反应过程的分类,(1) 酶反应过程游离、固定化酶 (2) 细胞反应过程微生物和动植物反应 (3)

8、 废水的生物处理过程,废水的生物处理过程特点：,是由细菌等菌类、原生动物等各种微生物构成的混合培养系统； 几乎全都采用连续操作； 微生物所处的环境条件波动大； 反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢产物和微生物细胞本身； 不计成本。,1.2生物工程,1.2. 1生物工程的定义 人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。,1.2.2. 生物工程的分类：,基因工程(Gene engineering) 细胞工程(Cell engineering) 酶工程(Enzyme engineering)

9、 发酵工程(Fermentation engineering) 蛋白质工程(Protein engineering),细胞工程,微生物,工程菌,发酵工程,产品,蛋白质或酶,蛋白质或酶工程,基因工程,优良动、植物品系,动、植物个体或细胞,基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程之间的相互关系,1.2.3.生物工程涉及的学科,学科众多。分子生物学、微生物生理学、生物化学、免疫生物学等等。 使用现代化器和设备技术手段。广阔的应用前景；医药 林业环境保护 能源采矿冶金 农业材料 畜牧业 化工,表1-1重要的现代生物技术仪器和设备,图生物技术树,1.2.4生物工程的研究的内容 运用化学工程的原理

10、与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科。既为生物技术服务的化学工程。,化学工程的原理与方法化学反应、原料的处理和产物的分离、能量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列工程技术问题。 化学工程传递工程、分离工程、反应工程、化工热力学、化工过程系统工程工程分类生物（生化）反应工程和生物分离工程,1.3生物反应工程,1.3.1定义：研究生物反应动力学，反应器的结构、设计、放大以及反应器优化的一个重要学科。 实质：生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。,如何从生物现象中抽象出共性的内容,从宏观看以获得生物量为目的：生物合成速率影响因素（生物体、基质、环境因素、操作条件等）

11、以获得目的产物为目的：从微观看转录与转译速率=（基因量、.等) 调控速率=（表达速率、酶活力、等）,1.3.2反应器生物反应过程的关键设备。 操作方式 产品的质量 操作条件 产量 结构 能耗,原因物料的混合与流动传质与传热 三传一反氧和基质的供养和传递等等,1.3.3内容：,以生物反应动力学为基础，通过运用传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学的方法，进行生物反应过程的工程分析与开发，以及生物反应器的设计、放、操作和控制等。 1971 英国 阿特金逊 B.Atkinson 采用生化反应工程 术语 1974 编写生化反应器 1979 日本 山根恒夫 编生物反应工程 1985

12、 德国 许盖尔特Schugerl 专著生物反应工程,A. 生物反应动力学 动力学研究工业生产中生物反应速率问题；影响生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果。 本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力系学）,B. 生物反应器传递特性传质、传热和动量传递设计与放大选型、操作方式、计算优化与控制优化操作与优化设计、反应参数测定与控制。,表 生物反应过程特征的比较,1.3.4发展历史,a 酿酒、生产酱油和醋容器 最简单、最原始的生物反应器 b. 1857 Pasteur 酵母发酵生产酒控制发酵罐 c. 第一次世界大战 深层培养技术、无菌空气制备技术分批、连续与流加操作 d. 60年代

13、固定化技术新概念生物反应器e.70年代基因工程特殊生物反应器,龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元前200年，作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早的诗集诗经中就提出过采用厌氧进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花的活疫苗。,龙山文化泛指中国黄河中、下游地区约当新石器时代晚期的一类文化遗存。因1928年首先在山东省章丘县龙山镇城子崖发现而命名。,20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。 20世纪后期（197080年）生物反应工程学科的形成。英国学者阿特金逊（1971）首次提出生化反应工程。 20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断融合、发展。,1.3.5发展方向,新型生物反应器的研究

14、与开发； 各种描述生物反应过程的数学模型的建立； 生产过程参数与控制手段的改进。,生物反应工程与相关学科的关系,1.4生物反应工程的研究方法,数学模型法用数学语言表达生物法反应过程中各个变量之间的关系。不能替代实验研究。 方法机理模型或结构模型既过程机理出发推倒的。 -可外推使用半经验模型 经验模型 经验法,参考资料,国外 1975年日本学者合叶修一等生物化学工程-反应动力学 1979年日本学者山根恒夫生物反应工程 1985年德国学者许盖特（Schugerl）生物反应工程 1993年日本学者川濑义矩生物反应工程基础 1994（02）年丹麦学者Nielsen 等生物反应工程原理 国内 生物反应工程原理（1990和2003天津科技大学贾士儒） 生物工艺学（1992华东理工大学俞俊棠等） 生化工程（1993江南大学伦世仪） 生化反应动力学与反应器（1996北京化工大学戚以政等） 生物反应工程（2004戚以政等） 生物反应工程 2005浙江大学岑沛林等） 生物反应工程（2005清华大学邢新会译）,作业：,1.什么是生物工程？它包括哪几部分？2. 生物工程对人类社会将产生怎样的影响？3. 什么是生物反应工程？其内容包括那些？ 4.什么是生物反应过程？其内容包括那些？,预习：1. 概念：解离常数、平衡常数、速度常数；2. 酶的生物化学知识。,