生物工艺学-汇总

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1、生物工艺学 Biotechnology,课时 64学时，讲课 48，实验16 任课老师：周洪波 email: Tel: 8877216(O),本课程学习目的,主要讲述生物技术产品在生产过程中工艺技术的共性原理和实践为主，为其他专业课如发酵工程、酶工程、环境微生物工程等的学习打基础。,Screening of nature circumstances,Upstream Process,Mutation,Via chemical or physical, and biological means,Upstream Process,Downstream Process Development,主要

2、内容,绪论/2 菌种选育/8 微生物代谢调节/6 微生物培养基/2 灭菌/3 种子扩大培养/1,发酵工艺控制/8 生物反应动力学及过程分析/8 酶催化反应/4 动植物细胞培养/4 微藻培养技术/2,1 绪论,生物技术的定义和性质 生物技术的发展及应用概况 生物技术的发展趋势,1.1 生物技术定义和性质,生物工艺学：Biotechnology， 大多称为生物技术，同义。 国际经济合作与发展组织（IECDO）：应用自然科学与工程学的原理，依靠生物作用剂（Biological agents)的作用将物料进行加工以提供产品或用以为社会服务的技术。,生物作用剂、产品、物料,“生物作用剂” 是指从活的或死

3、的微生物、动物或植物的机体、组织、细胞、体液以至分泌物以及从上述组分中提取出来的生物催化剂(Biocatalyst)酶或其他生物活性物质； 提供的产品可以是工业、农业、医药、食品等 被作用的“物料”可以是有关的生物机体或有关的器官、细胞、体液或其经加工的组分以及少量必要的无机物质。,涉及的学科,自然科学：生物学、化学、物理学等以及它们的分支学科、交叉学科，如微生物学、动物学、植物学、生物化学、分子生物学等，以及医学、药学、农学等； 工程学：化学工程、机械工程、电气工程、电子工程、自动化工程等，还有派生出许多交叉分支学科如生物化学工程、生物医学工程、生物药学工程、生物信息学bioinformat

4、ics等。 Bio-X,生物技术与生物工程,新编辞海(2000年版) ： 生物工程学：一门跨学科的应用技术学科。是20世纪70年代初在分子生物学、遗传学、细胞学、微生物学以及生物化学工程和计算机等学科的基础上发展起来的。运用基因工程、细胞融合、固定化酶以及细胞或组织培养和生物传感器技术等工程技术原理，加工生物材料或定向地组建具有特定性状的新物种或新品系为人类提供所需的各种产品和服务，”。,生物工程（Bioengineering),Biotechnology&Bioengineering.(生物技术和生物工程) 国际上大多称为Biotechnology，我国翻译时使用生物技术和生物工程（更为普遍

5、）。 学科性质：学科设置 生物工程为工科 生物技术为理科,1.2 生物技术的发展及应用概况,经验生物技术时期 近代生物技术的形成和发展时期 近代生物技术的全盛时期 现代生物技术的建立和发展时期,1.2.1 经验生物技术时期(从人类出现到19世纪中期),酿酒和制醋为人类最早掌握的生物技术之一。 我国在仰韶文化（距今5000-7000年）、龙山文化（距今40004200年）有酒器出现。 文献中有夏禹命令臣仪侠酿酒、杜少康（杜康）造书秫酒的记载（公元前21-20世纪）。 古埃及、中亚两河流域在公元前4030世纪开始酿酒。 酱、酱油、泡菜、奶酒、干酪的制作，面团发酵，粪便和秸秆的沤制等也属于古老的发酵

6、技术。 特点：知其然不知其所以然,中国古代的酒器,1.2.2 近代生物技术建立时期(19世纪50年代至20世纪40年代),发酵技术进步及其本质的认识： 1683年 Leenwenhoek制成了显微镜，发现微生物。 1857年Pasteur证明酒精发酵是由活酵母引起；葡萄酒的酸败是由于醋酸菌的第二次发酵引起。发明低温杀菌法（pasteurization)，挽救了法国的葡萄酒酿造业，被誉为“发酵之父”； 纯培养技术建立 1872年，Brefeld创建了霉菌的纯培养； 1881年，Robert Koch建立细菌纯培养技术； 1878年，丹麦的Hansen建立啤酒酵母的纯培养。,酶的发现 1897年，

7、德国人毕希纳（Buchner) 发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵产生酒精，将该具有发酵能力的物质称为酶。产生生物化学学科。 1926年美国的生化学家萨姆纳(J.B. Summer)证实了从刀豆中获得的结晶脲酶是一种蛋白质，其后分别在1930年和1937年获得了胃蛋白酶和过氧化氢酶等晶体，说明酶是一类蛋白质； 1928年英国的弗莱明（AFleming）发现青霉素； 1937年马摩里(Mamoli)和维赛龙(Vercellone)提出了微生物转化(microbial transformation)的方法,近代生物技术建立时期,有机溶剂：乙醇、丙酮丁醇乙醇，丙酮丁醇异丙醇 有机酸：葡萄糖酸、乳酸、柠檬酸

8、、乙酸、丙酸etc 多元醇：甘油(丙三醇) 酶制品：淀粉酶、转化酶、糖化酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶 疫苗：有防治天花、狂犬、炭疽、伤寒、霍乱、鼠疫、流感、百日咳、肺炎、脊髓灰质炎、破伤风、猩红热、白喉、脑膜炎以及预防结核病的卡介苗 农业微生物：发现硝化细菌、固氮细菌等。 主要产品有细菌肥料和苏云金杆菌、赤霉素。 特点：以嫌气发酵过程为主，表面培养，产物结构比原料更简单，属于初级代谢产物。,近代生物技术建立时期主要产品,1.2.3 近代生物技术的全盛时期(20世纪40年代初到20世纪70年代末),青霉素工业成功的开发：起始标志，带动了一批微生物次级代谢和新的初级代谢物产品的开发，并激发了原有生

9、物技术产业的技术改造。 生物转化(bioconversion)：一批以酶为催化剂的过程生产的产品问世 酶和细胞固定化技术的应用 近代生物技术产业达到了一个全盛时期,抗生素工业兴起,1928年，英国弗莱明发现青霉素；1929年6月，论文发表。 1940年，在牛津大学的澳大利亚病理学家佛罗里组成了一个联合实验组。德国生物化学家钱恩是最主要助手。 青霉素的工业生产：二战促使青霉素的研发加速。 1941年英美合作研发，进行表面培养(superficial culture)。 1943年开始液体深层培养（沉浸培养/submerged culture)。发酵效价由40u/mL增加到200u/mL。 194

10、5年，弗莱明、佛罗理和钱恩三人获得了诺贝尔生理学及医学奖金。 20世纪50年代，链霉素、金霉素等抗生素工业兴起，标志着工业微生物的生产进入了一个新的阶段。 效价:指药物产生相等效应时所需剂量的大小,越小效价越高。,酶和细胞固定化,固定化细胞 1953年由格罗勃霍佛(N. Grubhofer)和希莱思(L. Schleith)所提出的。 其后日本的千畑一郎在1969年开始用固定化L氨基酸酰化酶拆分D，L氨基酸并获得成功。 固定化酶或固定化细胞的另一优点连续化生产 酶传感器,生物转化,生物转化bioconversion)或微生物转化(microbial transformation)：在20世纪的

11、30年代中期。 直接用产生相关酶的微生物细胞来作为催化剂，可以省去复杂的从微生物细胞(指胞内酶)或培养物的滤液(指胞外酶)中提取酶的过程。 乙醇 乙酸 维生素C 甾体激素的转化生产,醋酸杆菌 乙醇 乙酸,单细胞蛋白的生产,Single cell protein, SCP,藻类,真菌,细菌,主要产品开发情况,抗生素 农牧业的生物活性物质:乳链菌肽:牛奶和食品保鲜、放线菌酮(抗植物霉菌，灭鼠)、杀稻瘟菌素、并岗霉素 (抗水稻纹枯病)。 氨基酸:谷氨酸等 核苷酸：肌苷酸(一磷酸肌苷，IMP)和鸟苷酸(一磷酸鸟苷，GMP) 、三磷酸腺苷(ATP)。 维生素：VC,VB2 多糖：葡聚糖、糊精、黄原胶、微

12、生物海藻酸、微生物几丁质等。 新的有机酸 新的多元醇：木糖醇、D阿拉伯糖醇、甘露糖醇、赤藓醇等 新的酶制剂： 脂肪酶、过氧化氢酶、葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶、天冬氨酸酶 医疗和诊断的酶 20世纪70年代初还出现一类核酸酶，可分内切酶和外切酶；DNA连接酶,产品类型多：初级代谢产物、次级代谢产物、生物转化产物、酶反应产品。 技术化要求高：纯种，无菌，好气发酵， 规模巨大：SCP发酵的气升式发酵罐容积超过2000m3 近代生物技术高度发展的时期。菌种活力、产品种类、技术、设备 核酸酶的出现以及分子生物学的开始形成，为基因工程的建立和新的生物技术时期的来临创造了条件。,技术特点,1.2.4 现代生物

13、技术建立和发展时期(从20世纪70年代末开始),以分子生物学的理论为先导，基因工程的技术开始作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术。,（1）基因工程,基因工程(遗传工程、DNA重组技术)则着重于对不同生物体的脱氧核糖核酸(DNA)在体外经酶切，连接构成重组DNA分子后将其通过携带载体(也称克隆运载体，Vector)转入受体细胞后，使外源基因得以在受休细胞中进行表达的一种手段。 基因工程菌的特点：生长快、产物产量高；但是稳定性不够、质粒容易脱落，产物的安全性容易受到质疑。,重组DNA技术,外源基因,导入目的菌株,重组菌株鉴定,获得外源基因 构建重组载体 导入外源基因 鉴定阳性克隆 对基因工程

14、菌生产性能的考察,（2）单克隆抗体的发现和应用,属于细胞工程的杂交瘤(Hybridoma)技术。1975年由英国的耶那(N.K.Jerne)、德国的科勒(G.Kohler)和阿根廷的米尔斯坦(C.Milstein)所发明的。 原理 每一个B淋巴细胞(骨髓依赖淋巴细胞)的表面抗原受体仅能特异地识别一种抗原决定簇而形成其独异性抗体的特性 骨髓瘤细胞能在体外大量繁殖和产生分泌性抗体的特性 把含有目的抗体的淋巴细胞(一般采用脾淋巴细胞)与骨髓瘤变种细胞进行细胞融合（也称原生质体融合)后所获得的既能产生目的抗体又能在体外连续培养的单克隆抗体(Monoclonal antibodies，Mab，简称单抗)

15、，上述过程也称为原生质融合过程。,（3）动、植物细胞培养技术的应用 动物细胞,1907年美国的哈里逊(RGHarrison)就用淋巴液培养了蛙的中枢神经片段，开始了组织培养的实践 1951年欧利(Earle)等开发了可在体外培养动物细胞的培养基 动物细胞培养技术的提高 基因工程技术的发展 有些结构较复杂的蛋白质不能在具有原核细胞的细菌或简单的真核细胞的酵母中进行表达而必须用哺乳动物细胞来进行表达 杂交瘤细胞培养的需要,动物细胞培养技术的应用,单克隆抗体 基因工程中必须用动物细胞进行表达的复杂蛋白质 病毒疫苗：口蹄疫、狂犬、小儿麻痹症、乙肝表面抗原疫苗等； 非抗体免疫调节剂：干扰素、白介素、B-

16、细胞生长因子； 多肽生长因子：神经生长因子、成纤维生长因子、血清扩展因子、表皮生长因子等； 酶或酶激活剂：组织血纤维溶酶原激活剂、血因子及等； 激素：红细胞生成素、促黄体生成素、促滤泡素等； 病毒杀虫剂，如杆状病毒、癌胚抗原等 组织培养：器官培养、细胞培养。人造皮肤。,干细胞(stem cells)的培养,干细胞是人和哺乳类动物在胚胎发育初期出现的全能性的尚未发育分化的原始细胞 随着胚胎的发育成长，胚胎干细胞就分化成各种组织干细胞，如血液干细胞、肌肉干细胞、骨骼干细胞、器官干细胞、神经干细胞、皮肤干细胞 各种器官中一些未分化的原始干细胞，具有全能性。 脐带血和外周血都是造血干细胞来源之一。 把未分化的细胞通过诱导分化成各种组织干细胞，可以解决许多因组织病变引起的疾病(如脑细胞功能病变引起的帕金森氏病、造血系统病变引起的白血病症等) 机体的排异问题。,植物细胞培养,古代，如利用插枝(扦插) 、嫁接。 1898年德国植物学家哈柏兰特(Haberlandt)就对多种