生物工程技术第四章生化工程

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1、第四节 生化工程 一、生化工程的定义及其与生物工程的关系 生物化学工程简称生化工程（biochemical engineering)，是应用化学工程的原理和方法将生物工程的实验室成果进行工业开发的学科。它即可视为化学工厂的一个分之，又可认为是生物工程的一个组成部分。是以应用基础研究为主，是走向产业化的必由之路。 生物工程则是（biotechnology，又称生物技术）是应用生物体（包括微生物，动物细胞，植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶），在最适条件下，生产有价值的产物，或进行有益的过程技术。以生命科学为基础。 现代生物技术包括基因工程，细胞工程，酶工程，生化工程，蛋白质工程和发酵工程,二、生

2、化工程的研究进展 20世纪初, 微生物产品有所发展,但主要属于初级代谢产物, 厌气发酵, 设备也相对简单（乳酸，乙醇，丙酮）。 20世纪40年代初抗生素工业的兴起，标志着发酵工业进入了一个新阶段。特点是好气发酵,产物结构复杂,次级代谢物, 培养液含量低,无菌条件高.反映生物和化工相交叉的学科-生化工程诞生（青霉素案例）,More Penicilin=More Life Survived,20世纪50年代, 氨基酸工业, 1954年, Hasting指出, 生化工程要解决的十大问题是：深层培养、通气、空气除菌、搅拌、结构材料、容器、冷却方式、设备及培养基除菌、过滤、公害； 60年代: 酶制剂.

3、1964年Aiba等人认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中放大是生化工程的焦点； 20世纪60年代中期，建立了无菌操作的一整套技术；,70 年代: 干扰素, 胰岛素, 生长激素, 乙肝疫苗, 单克隆抗体. 1973年Aiba等人进一步指出，在大规模研究方面，仅 仅把重点放在无菌操作、通气搅拌等过程的物理现象 解析和设备的开发上是不够的，应当进一步开展对微 生物反应本质的研究； 1979年，日本学者山根恒夫编著了生物反应工程 一书，认为生物反应工程是一门以速度为基础，研究 酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操 作和控制的工程学； 1985年，德国学者卡尔许格尔提出生物反应工程的

4、研 究应当包括两个方面的内容一是宏观动力学，它涉 及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应 器工程，它主要涉及反应器本身，特别是不同的反应 器对生物化学和物理过程的影响。,三、生化工程的定义 研究“利用生物催化剂(酶或细胞)从事生物技术产品的生产过程”的工程科学。 将工程原理应用于设计、开发和分析生物过程的科学。 生物反应工程是化学工程与生物技术的交叉学 科。是应用化学工程的原理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。,目前一般认为生化工程是一门以生物反应动力 学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及 生物反应器的设计、放大与操作的学科。 生化工程的研究主要采用化学动力学、

5、传递过 程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原 理等化学工程学原理，也涉及到生物化学、微 生物学、微生物生理学和遗传学等许多学科领 域，因此是一门综合性很强的学科。 生化工程的核心是生物反应过程的数量化处理 和动力学模型的建立，实现发酵过程优化则是 生物反应工程的研究目标。,生物化工产品的特定产物和反应条件，决定了常规工业反应装置和分离纯化设备必须经过专门的设计和改进后才能得以应用，新型高性能的生化反应器和高效分离纯化设备、分离介质以及反应工艺及分离工艺的研制开发是生物化工产业开发的重点领域。生物化工是化学工业的前沿领域之一，在生物技术转化为生产力的过程中起决定性的作用。在生物技术发展初期，

6、生物化工的重要作用并没有得到足够的重视，随着生物技术产业的发展和化学工业结构和产品结构的调整，越来越多的生物技术产品极大地依赖生物化工技术才能实现规模化生产，而且许多化学品的生产工艺有生物法取代，显示了很大的优势。据美国和欧盟预测生物技术产业在未来10年内将增长10-20倍，生物化工产品在化学工业中的比重也将提高一倍。,目前生物化工的发展速度显然不能适应生物技术产业化的飞速发展。生物化工面临着改造传统产业和发展生物高技术产业的双重任务。加强生物技术的研究开发，大力发展生物化工不仅是化学工业自身发展的需要，也是生物技术产业化的保证。,四、生化工程的主要内容酶反应动力学生化反应动力学细胞生长动力学

7、 生化工程理想流动生化反应器生化反应器 生化反应器的流动模型工业化反应器,下游过程,生物反应过程(中游过程),上游过程,-研究生物反应过程中共性工程技术问题 -为生物工程服务的化学工程 -它即可视为化学工程的一个分支 -又可认为是生物工程的一个组成部分 -生化工程为生物学和化学工程的纽带,五、目前生化工程的研究热点 新型生物反应器的研究开发，特别是针对基因工程产品和动、植物细胞培养的产品的投产研制新型生物反应器。重点在于生物安全。植物细胞对剪切力和环境敏感以及培养周期长而防止污染的问题。动物细胞的附壁生长的特点。 新型分离方法和设备的研发，特别是针对蛋白质、多肽产品的分离。各种描述生物反应过程

8、的数学模型的建立，将有利于过程的控制和优化以及计算机的应用。生物反应器内重要参数的传感器的研制和有关计算机控制系统硬件及软件的建立和完善。,生化工程是一个多学科交叉领域,其任务就是把生物技术转化为生产力。 今后1020年,生化工程研究与开发主要涉及如下3方面: (1)生物高技术医药产品; (2)生产小分子及专门生物产品; (3)环境。 生化工程研究主要前沿领域包括: (1)生物大分子结构模拟及蛋白质药物工程设计; (2)基因工程菌发酵战略及过程动力学模拟; (3)生物反应器中分子、遗传、代谢、细胞功能与调节的研究; (4)生物产品最优分离和纯化方法研究; (5)生物反应、分离过程检测、控制、系

9、统分析及上下游集成的研究。,六、生化工程常见的工业微生物,1、细菌（bacteria）分布广，数量多，与人的关系密切。按其形态分为球菌、杆菌和螺旋菌。其中发酵工业中常用的为杆菌。包括醋酸杆菌属（Acetobacter）, 乳酸杆菌属（Lactobacillus）, 芽孢杆菌属（Bacillus）, 如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）可生产-淀粉酶和蛋白酶和5-核苷酸酶等。梭菌属（Clostridium）如丙酮-丁醇的梭状芽孢杆菌（Clostridium acetobutylium）。 大肠杆菌（Escherichia coli）：判断食品被动物排泄物污染的可能，公共卫生的重要

10、指标。在工业上利用大肠杆菌的谷氨酸脱羧酶进行谷氨酸定量分析。利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨酸和缬氨酸。医药方面用大肠杆菌制造治疗白血病的天冬酰氨酶，基因工程菌。产氨短杆菌（Brevibacterium ammoniagenes）：短杆菌属，为氨基酸、核苷酸和酶法生产辅酶A的菌种。,Staphylococcus aureus 金黄色酿脓葡萄球菌,2、放线菌（Actinomyces） 因菌落呈放射状而得名，大多数是腐生菌。介于细菌和霉菌呈长的细丝，与霉菌相似，但宽度与细菌相似，无横隔，为单细胞，菌丝无完整的核，为原核生物。土壤中含有104-106/g，有特有的土腥味。它的一大贡献是产生抗生素。不完

11、全统计，目前，自然界发现和分离了5500种以上的抗生素，其中放线菌产生的有4400多种。其中链霉菌属（Streptomyces）自1942年，Waksman 发现灰色链霉菌（产链霉素）相继发现了发酵工业中常用的有龟裂链霉菌（生产土霉素），红链霉菌（产红霉素），金黄色链霉菌（产金霉素），委内瑞拉链霉菌（产氯霉素），卡那链霉菌（产卡那霉素）。小单孢菌属（Micromonospora）不形成气生菌丝体，在基内菌丝体上长出孢子梗，顶端着生一个球形、椭圆、或长形的孢子。菌落常带有颜色。此属产抗生素的菌种有30多种。 如绛红小单胞菌和棘孢小单孢菌属 都产庆大霉素。,单细胞，卵圆形，圆形或圆柱形。酵母对发酵

12、生产特别有利，自古酿制含酒饮料，而后做面包，发馒头，进行酒精、甘油的生产，近年又用酵母进行石油发酵脱腊、生产各种有机酸。又因酵母内含有丰富的蛋白质、维生素和各种酶，所以酵母本身又是医药、化工和食品工业中的重要原料。如单细胞蛋白质、酵母片、核糖核酸、核苷酸、辅酶A、脂肪酸及乳糖酶等。酵母的繁殖通常以芽殖为主。工业中常用的菌主要有酿酒酵母菌属和假丝酵母菌属，前者用于酿酒，后者用于其他的发酵生产。,3 酵母菌（yeast）,4、霉菌（molds） 凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌，为霉菌。在自然界中分布广，存在土壤、空气、水和生物体内外等处，喜偏酸性环境，多数为好氧性、多腐性，少数

13、寄生。其繁殖能力强，以无性和有性孢子繁殖，生长方式以菌丝末端伸长和顶端分支。霉菌是菌丝体结构，呈分支状，它既可以引起食品、衣服、粮食及生活用品的霉烂，又可以用于发酵生产。例如远古时代，用霉菌作曲制酱；近代利用霉菌生产酒精、有机酸、抗生素、酶制剂、维生素及激素等多种制品。发酵工业中常用的霉菌有曲霉属（Aspergillus）如黑曲霉（生产淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶）它的变异株可生产柠檬酸、葡萄糖酸、草酸和抗坏血酸），米曲霉含有多种酶类，糖化型淀粉酶和蛋白酶都较强主要用在酿酒的糖化曲和制酱油的酱油曲。黄曲霉，产生液化型的淀粉酶。但某些菌种产生黄曲霉毒素，特别在花生和花生饼粕上易形成，导致

14、人蓄中毒或致癌。青霉属1929年Fleming首先发现青霉素以来，一些典型的青霉菌如产黄青霉（产青霉素），展开青霉（产灰黄霉素），根霉属（用于制曲和生产乳酸等）。,Some fungi produce antibiotics,Penicillin was the first antibiotic to be discovered,Aspergillus 曲霉,5、其他微生物 ：担子菌，即菇类微生物，其资源利用越来越受人们的重视。如多糖，橡胶物质，抗癌药物的开发“1，2-葡萄糖苷酶及某些多糖物质具有抗癌作用。 ：藻类，是分布最广的自养微生物。可作为人类保健品和饲料。培养螺旋藻60吨（GW）/公顷

15、，大豆4吨/公顷，是大豆的28倍。 6 、噬菌体凡用细菌和放线菌为生长菌 株的发酵工业，均和噬菌体有关。,巨大螺旋蛋白质含量6570；含有多种维生素，VB12最丰富，富含八种必须氨基酸；螺旋藻多糖，多种微量元素，如铁、钾、钠、镁和钙等；含高量胡萝卜素，七是含高含量的gamma-linoleic acid (gamma-亚麻油酸)，可降低人体血脂；另外还含有大量的藻胆蛋白，这是一种能促进机体免疫系统功能增强的生物活性物质。由此可见，螺旋藻是一种高级营养食品，同时还是多种药品特别是保健药品的重要原料。,小球藻：繁殖能力强，利用太阳能生产蛋白质，占其胞重的50%，超过牛肉和大豆，另外还含有糖类、脂肪

16、、维生素和矿物质以及一种生长因子，可促进儿童的生长发育和增强体质，用于食品或是食品添加剂。 杜氏藻（盐藻) 光能转化率高，生长繁殖快的单细胞藻。在条件适当的情况下，这种藻可大量合成胡萝卜素，从10公斤鲜藻内可获得1公斤-胡萝卜素，这比胡萝卜高出了500倍左右。由于-胡萝卜素抗氧化能力强，又是人体必需的最重要的活性物质，加上其资源极其丰富和易加工等特点，,目前在国际下备受关注，如澳大利亚、以色列和日本等国每年都生产出大量的杜氏藻粉，除进行深加工外还出口到世界种地。当前这种海洋生物技术也是许多国家竞争的热点。我国是海洋大国，海洋生物资源十分丰富，在即新的世纪，利用我们自身的这种优越的自然条件发展海洋生物技术，开发海洋生物新产品已刻不容缓。,七、生化工程常用灭菌技术,3.1. 灭菌的原理和方法 3.2. 培养基灭菌 3.3. 空气灭菌,生物生产过程是一个纯培养过程，必须保证在生产的各个环节是无菌的(空气、培养基、管路和设备),1. 灭菌的方法和原理,