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1、生化工程 Biochemical Engineering,河南科技学院新科学院,魏燕丽,Period：54 （授课学时 54 ） Credit hour：3 Week period：3,Arrangement and Assignment,References,1.生化工程 王岁楼、熊卫东编著.中国医药科技出版社 2.生化工程 伦世仪主编.中国轻工业出版社. 3.生物反应工程 岑沛霖、关怡新、林建平编著.高等教育出版社. 4.生物反应工程 戚以政、夏杰编著.化学工业出版社. 5.生物工艺原理贺小贤主编.化学工业出版社.,课程介绍,本课程是生物工程专业本科生的专业主干课程，是研究和解决生物反应过
2、程中具有共性的工程技术问题的学科，是一个新的典型的交叉学科，涉及高等数学、化工原理、物理化学、生物化学和微生物学等学科的相关知识，具有很强的理论性和应用性。该课程主要讲授生物反应过程中带有共性的工程技术问题，其特点是综合性强，难度较大。,课程介绍,课程基本内容包括培养基灭菌和空气除菌原理及设计方法、氧传递理论、搅拌与通风、细胞培养理论与技术、细胞培养动力学、固定化酶和细胞反应原理与技术、生物反应器结构与类型、生物反应器操作、生物反应器的比拟放大、生化反应过程质量和能量衡算，生化反应过程的控制与优化。介绍生物工程领域的发展前沿及趋势。,课程介绍,随着生物工程和生物技术的快速发展，不断有新的带有共
3、性的工程技术问题出现并需要解决，因此生化工程又是个快速发展的学科，它关系到生物工程和生物技术产品的产业化进程快慢，因此该课程越来越受到生物工程和生物技术学者和工程技术人员的关注。,第一章 绪论 Chapter 1 Introduction to Biochemical Engineering,一、生化工程学的诞生与发展 二、生化反应工程 三、生化工程的任务和内容 四、课程内容,一、生化工程学的诞生与发展,生化工程学诞生于上世纪40年代。 早期的发酵工业只有较少种类的产品，其中厌氧发酵产品居多。如酒类、乳酸。厌氧发酵由于不大量供应氧气，染杂菌导致生产失败的机会较少，故而深层液体厌氧发酵早就具有相
4、当大的规模。那时只有少数的好氧发酵产品采用了深层液体发酵生产法，如面包酵母 ，醋酸。前者因为酵母的比生长速率较高，后者因为醋酸的生成导致发酵液中pH降低，不易污染杂菌。,40年代前期，正好是第二次世界大战期间，战场上有成千上万的伤员需要救治，急需药物（非磺胺类）防止伤口感染。 早在1928年英国的学者Fleming发现了青霉素；1940年分离出纯品，19411942年在临床上应用，证明有非常好的疗效，这时急待将青霉素投入工业化生产。这就给传统的发酵工业提出了一个巨大的难题。 为什么说是巨大的难题呢？,图1-1,图1-2,图1-3,青霉菌常生长于土壤、皮革、果皮和衣类，约有150多种。由于分生孢
5、子大都是青绿色，所以称为青霉菌。,图1-4,一、生化工程学的诞生与发展,Bacteria pose a continual threat of infection, both to humans and to other higher organisms. Thus, when looking for new ways to fight infection(感染), it is often productive to look at how other plants, animals and fungi protect themselves. This is how penicillin wa
6、s discovered. Through a chance observation in 1928, Alexander Fleming discovered that colonies of Penicillium mold growing in his bacterial cultures were able to stave off （延缓、避开）infection. With more study, he found that the mold was flooding the culture with a molecule that killed the bacteria, pen
7、icillin.,图1-5,酰基侧链,内酰胺环,噻唑环,一、生化工程学的诞生与发展,Penicillin By-product of certain Penicillium species Inhibits the growth of gram-positive bacteria Blocks wall synthesis in bacteria and results in death of the bacterial cell by lysis Surpassed known therapeutic agents by suppressing bacterial growth withou
8、t being toxic,一、生化工程学的诞生与发展,Research continues 1928 Fleming发现了青霉素 1929年，弗莱明发表了学术论文，报告了他的发现，但当时未引起重视，而且青霉素的提纯问题也还没有解决。,一、生化工程学的诞生与发展,1935年，Oxford University Howard Florey（弗洛里）and Ernst Chain（钱恩）对弗莱明的发现大感兴趣。钱恩负责青霉菌的培养和青霉素的分离、提纯和强化，使其抗菌力提高了几千倍，弗罗里负责对动物观察试验。 至此，青霉素的功效得到了证明。 图中央是青霉菌，周围是致病细菌。距青霉素最远的细菌个大、色
9、浓， 活力十足；距青霉菌较近的细菌个较小、色较浅，活力较差；而最接近青霉菌的细菌个最小、色发白，显然已经死亡,1940年分离出纯品 1941 first human tests 1941 research moved to the US 由于青霉素的发现和大量生产，拯救了千百万肺炎、脑膜炎、脓肿、败血症患者的生命，及时抢救了许多的伤病员。青霉素的出现，当时曾轰动世界。 1945 Nobel Prize（澳大利亚病理学家霍华德.弗罗里因进行青霉素化学制剂的研究，而与弗莱明、钱恩同获1945年诺贝尔生理学和医学奖 ）,葡萄球菌这些形如珍珠的东西就是危害人体健康的葡萄菌，青霉素 能消灭它们。 这时急
10、待将青霉素投入工业化生产。这就给传统的发酵工业提出了一个巨大的难题。,1 是严格的好氧菌. 2 青霉素是次级代谢产物，前期生长及后期合成青霉素周期长达100h，要想发酵成功，必须解决长达100h不间断供氧，保持无杂菌状态； 3另外随发酵时间的延续，菌丝体的繁殖，发酵液的流变特性明显变化，溶氧速率本来就慢，这时更慢，为此必须增大通气速率，使无杂菌的状态更难保持。,Why is it a difficult thing?,在这种状态下，许多微生物学家、生物化学家、化学工程师们走到了一起，他们将微生物在工业上应用的大量散在资料进行搜集、分析与综合，并简明引进化学工程中一些概念，把发酵作用看作化学上的
11、一种催化反应即生物化学反应，从而诞生了生物化学工程 （Biochemical Engineering)。,在诸多的研究工作中，最重要的首次突破是在美国哥伦比亚大学化学工程系系主任指导下于19461948年完成的关于“通风搅拌传质问题的博士论文”。人们普遍认为这篇文章是关于通气搅拌发酵罐设计的第一次理性尝试，也标志着生化工程学的诞生 第二次世界大战促使青霉素大量生产。1943年，已有足够青霉素治疗伤兵；1950年产量可满足全世界需求。 年月，中国第一批国产青霉素诞生，揭开了中国生产抗生素的历史。1958年在华北制药厂开始工业生产青霉素，摆脱了大量进口青霉素的困扰。 截至年年底，我国的青霉素年产量
12、已占世界青霉素年总产量的，居世界首位。,生化工程的定义：生化工程是生物化学工程的简称，是生物化学与化学工程相互渗透而形成的一门新学科。 同时，生化工程是为生物技术服务的化学工程，是化工原理及单元操作结合了生物及其产品特性的一门学科，是将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门科学。,生化工程的实质：是研究生化反应工程中带有共性的特殊性工程技术原理问题。（细胞培养、灭菌、代谢调控、细胞生长和产物形成动力学、生化反应器设计与操作、产品的分离纯化等）。,生化工程是生物化学与化学工程相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学技术，以微生物为研究主角，以生物化学为理论基础，从动态、定量、微观角度揭示生物化学
13、工业过程的本质；是一门典型的交叉学科。,1.2 Differences between Biochemical Engineering and Chemical Engineering,生化工程是以生物（包括微生物、植物、动物）活细胞或由细胞提取出来的酶为催化剂的生物化学反应过程。 化学工程着重于化学、数学与物理学等基础学科，一般不提供生物学基础。主要涉及的问题是工厂的设计与建立运转，利用强有力的非生物催化剂使物质发生反应以生产新的产品。,一、生化工程学的诞生与发展,Still the most widely used antibiotic Still the drug of choice t
14、o treat many bacterial infections Penicillin Today Scientists have continued to improve the yield of the drug Present day strains of P. chrysogenum（橄榄青霉，黄青霉） are biochemical mutants that produce 10,000 times more penicillin than Flemings original isolate,生化工程学的诞生开创了发酵工业的新纪元。好氧发酵产品得以迅速开发和工业化。 、 一方面，它
15、开辟了微生物次级代谢产物生产的先河。 、另一方面，对原有和新的初级代谢产物的生产方式有了新的启示。 1945年弗莱明、弗洛里（病理学家）和钱恩（生化学家）因发现青霉素被授予诺贝尔Nobel Prize医学奖,一、生化工程学的诞生与发展,生化工程的定义 生化工程是生物化学工程的简称。生化工程是为生物技术服务的化学工程，是化工原理及单元操作结合了生物及其产品特性的一门学科，是将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门科学 。 实质是研究生化反应工程中带有共性的特殊性工程技术原理问题。（细胞培养、灭菌、代谢调控、细胞生长和产物形成动力学、生化反应器设计与操作、产品的分离纯化等）。,一、生化工程学的诞生
16、与发展,两次飞跃 1、20世纪四十年代中期 青霉素、链霉素深层发酵给生化工程带来重大转变，促进许多发酵工业的兴起（调味剂、氨基酸、酶制剂、维生素、高效药物等） 2、 20世纪七十年代后期 随分子生物学和遗传学等的发展，围绕DNA重组菌的获得及融合技术的发展，打破了生物界菌属之间遗传信息的转换,（一）转基因动物应用 改良动物经济性状 促进生长、提高肉类品质：鱼类、瘦肉型猪。 提高产量：蛋鸡产蛋量、奶牛产奶量。 提 高抗病害能力：抗病毒鱼、抗猪瘟病毒猪、耐冻基因鲶鱼。 改变动物生产性状：羊毛自动脱落。 改变生存方式：转叶绿体基因、纤维单细胞蛋白基因。 改变动物行为：聪明鼠。 乳腺生物反应器：奶牛、山羊、猪等。,二）转基因植物的应用改良植物经济性状 抗病害、虫害：如番茄、棉花、马铃薯、玉米、油菜等。 抗除草剂：如烟草、番茄、马铃薯、棉花、油菜、大豆、水 稻、玉米等。 后熟控制： 如番茄 、芒果、木瓜等。 将非豆科植物转变为固氮作物。 建立作物
