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1、生 物 工 艺 学,国家十一五规划教材生物工艺学（邱树毅主编）配套课件,目录,第一章绪论第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏 第三章工业培养基及其设计 第四章生物工艺过程中的无菌技术 第五章生物反应动力学 第六章 发酵过程原理第七章 生物反应器及生物工艺过程的放大第八章 生物反应过程参数检测与控制 第九章 生物产品分离及纯化技术 第十章 生物产品工艺学及应用,第一章 绪论,1.1生物工艺学及其研究内容生物工艺学定义1.1.2 生物技术与相关学科的关系生物工艺学特点生物反应的一般过程生物工艺学的研究内容1.2生物技术发展简史传统经验制造技术天然发酵阶段纯种培养技术的成功初级代谢产物生产阶段搅拌技
2、术成熟好氧培养阶段基因重组技术的成熟现代生物技术阶段1.3生物技术应用农业食品工业医药工业化学冶金工业能源工业环境保护,国际经济合作及发展组织所提出的定义是：生物技术是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社会服务的技术。,欧洲生物技术联合会认为：生物技术是自然科学(包括分子生物学、生物化学、化学和物理学)和工程科学(化学反应工程学、电子学等)的综合应用，以便将生物体系细胞(微生物和动植物细胞)及其组成物，用于为社会提供其所需的商品和服务。,国际纯粹与应用化学联合会对生物技术所作的定义是：生物技术是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程及环
3、境保护的技术。,1.1生物工艺学及其研究内容,生物工艺学定义生物工艺学，也称生物技术，是指以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的过程技术手段，按照设计改造生物体或生物原料，为人类生产出所需要产品或达到某种目的的技术。,1.1.2 生物技术与相关学科的关系,生物技术与相关学科的关系 树,生物工艺学特点,(1)是一门综合性学科。它是生物学(包括生物化学、分子生物学、微生物学等)、化学、工程学(包括化学工程，机械工程等)等多学科的交叉与综合。,(2)采用生物催化剂。与化学催化剂相比，具有反应速率快，催化选择性高，反应条件温和的优点，也具有易失活、稳定性差的不足。,(3)采用可再
4、生资源为主要原料，因而原料来源丰富，价格低廉，过程中废物的危害性小，但由于原料成分难以控制，会给产品质量带来一定的影响。,(4)与一般化工产品生产相比，其生产设备比较简单，能耗较低。但反应器生产效率较低。反应液中初产物浓度低，对产物分离提纯困难。,生物反应的一般过程,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，常称为生化反应过程，也称为生物反应过程。其实质是利用生物催化剂进行生物技术产品的生产过程。,生物催化剂的制备,原料预处理,生物反应器及反应条件的控制,产物的分离纯化,随着生物技术的发展，生物反应过程的种类和规模都在不断地扩大。目前已进行工业生产的主要有以下三种：,
5、酶催化反应过程：采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程，称为酶催化反应过程。,细胞反应过程：采用活细胞为催化剂时的反应过程。包括微生物发酵反应过程，固定化细胞反应过程和动植物细胞培养过程。,废水的生物处理过程：它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污浊物质的过程。,工业上根据微生物是单一菌种或混合菌种，把生物反应过程分为两类，一类是采用单一纯种生产工艺生产的产品，包括酶制剂、抗生素、氨基酸、核苷酸、乙醇、有机酸生产等，另一类是采用混合菌种生产工艺生产的产品，包括发酵食品(乳酸、酱及酱油、白酒、发酵蔬菜等)、甲烷(或沼气)生产、废水处理等。,根据生产工艺的不同，可将生物反应过程分为
6、如下五种类型：(1)以直接生成生物量为最终目标产品。例如生产用于食品、医药的酵母及用于饲料的单细胞蛋白。,根据生产工艺的不同，可将生物反应过程分为如下五种类型：(2)利用微生物从简单营养物质合成有用产品，包括初级代谢产物和次级代谢产物。如抗生素、酶制剂、氨基酸、核苷酸、有机酸、乙醇等产品。,根据生产工艺的不同，可将生物反应过程分为如下五种类型：(3)利用微生物从一些特异性前体物转化有用的目标产品。例如甾体化合物、激素类产品。,根据生产工艺的不同，可将生物反应过程分为如下五种类型：(4)利用酶制剂或非生长细胞催化合成有用的目标产品。例如用青霉素酰化酶生产6-氨基青霉素烷酸，葡萄糖异构酶生产果葡糖
7、浆及高果糖浆。,根据生产工艺的不同，可将生物反应过程分为如下五种类型：(5)利用微生物生产能源或转化有害、有毒物质。如生活及工业污水的生物处理，甲烷、乙醇生产等。,生物工艺学的研究内容,生物工艺学主要研究生物反应过程中具有普遍意义的工艺技术问题。以探讨生物产品生产过程中的共性为目的，从工艺角度阐明细胞生长和代谢产物与细胞的培养条件之间的相互关系，为生产过程的优化提供理论依据。,1.2生物技术发展简史,传统经验制造技术天然发酵阶段,我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）,纯种培养技术的成功初级代谢产物生产阶段,发明显微镜，首次观察到微生物的存在,证实发酵是由微生物引起,发明了巴氏消毒法,
8、创立了微生物分离、培养、染色技术,从19世纪末到20世纪30年代，不少发酵工业产品陆续出现。开创了工业微生物的新世纪。这个时期出现的发酵产品有乙醇、醋酸、丙酮、丁醇，食用酵母、乳酸、柠檬酸等发酵产品。上述产品的特点是：大多数为嫌气发酵过程的产物，产物的化学结构简单，属于初级代谢产物，其生产通常是在敞开环境中经发酵而进行，控制染菌是通过细心的操作而实现的。生产过程简单，生产设备相对要求不高，规模一般不大。,搅拌技术成熟好氧培养阶段,Alexander Fleming 1929年发现了青霉素（penicillin）世界第一个抗生素,这一时期生物技术的特点是：产品类型多，不但有初级代谢产物，也出现了
9、次级代谢产物，还有生物转化及酶反应等产品；技术要求高，主要使用纯种发酵，在发酵过程中通入无菌空气；规模巨大，通风机械搅拌罐容积可达500立方米，生产单细胞蛋白的气升式发酵罐的容积已超过200立方米；菌种选育技术发展速度，其性能获得了惊人的提高；在产品品种的更新，新技术及新设备的应用均达到前所未有的程度，可以说，这一阶段是常规发酵工业的全盛时期。,基因重组技术的成熟现代生物技术阶段,1944年，Avery等人通过实验证明了DNA是遗传物质；1953年，Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，并阐明了DNA半保留复制机制；1961年，Nirenberg等破译了遗传密码；1973年，Stan
10、ley Cohen等人成功进行了DNA分子的体外重组实验并实现了细菌间性状的转移，同时还提出了“基因克隆”策略，这一研究成果标志着基因工程从此诞生。1976年，DNA测序技术诞生；1982年，用DNA重组技术生产的第一个动物疫苗在欧洲获得批准；,基因工程技术的出现为人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿切割DNA，分离基因并重组后，导入其他生物活细胞，以改造农作物或畜牧品种，也可以导入细菌以产生大量的有用蛋白质或药物、疫苗，也可以导入人体内进行基因治疗，这是一项技术上的革命，带动了发酵工程，酶工程，细胞工程和蛋白质工程的发展，形成了具有划时代意义的现代生物技术。,基因工程菌,转基因抗
11、虫棉,荧光转基因猪,1.3生物技术应用,农业基因工程正在引发农业革命，不断增加农作物的品种。通过转基因技术已培养出具有抗旱、抗除草剂、抗病毒、抗盐碱、抗病虫害等抗逆特性及品质优良的作物新品系。涉及到的作物种类包括马铃薯、油菜、烟草、玉米、水稻、番茄、甜菜、棉花、大豆等。,转基因抗虫番茄,利用细胞工程技术对植物优良品种进行大量的快速无性繁殖的微繁殖技术已广泛地应用于花卉、果树、蔬菜、药用植物和农作物的快速繁殖，实现商品化生产。植物细胞培养可用于生产具有商业价值的次生代谢产物。,胡萝卜快速无性繁殖,利用转基因技术可以提高包括鱼在内的农畜肉的产量和品质，提高奶产量和质量，增加动物的抗病性，科学家们已
12、经成功培育出转基因羊、转基因兔、转基因猪、转基因鱼等多种动物新品种。此外，还可以低成本地生产出贵重药物或其它生物制品，生物技术还可用于农业快速分析和动物免疫疾病的快速诊断。,转基因超级奶牛,转基因兔子,食品工业现代生物技术为快速提升食品的数量和品质提供了可能。发酵食品和饮料来自微生物或酶对农产品的转化作用。酒类等发酵食品的菌种的选育。利用生物技术生产甜味剂、生物色素、增稠剂、多糖、多肽等产品也已经进入市场。有机酸、氨基酸、维生素也用生物技术进行生产。食品加工用酶已广泛应用于酿造、奶制品、焙烤、水果和蔬菜加工、淀粉糖生产等食品行业。此外，应用抗体检测系统以及DNA和RNA探针技术，免疫测定技术等
13、生物技术方法，可以快速、准确进行食品有害物的分析、检测，有利于食品安全。,医药工业医药生物技术是生物技术领域中最活跃、产业发展最迅速、效益最显著的领域，其应用涉及到新药开发、新诊断技术、预防措施及新的治疗技术。利用生物技术生产抗生素、疫苗、抗体已经非常普遍。利用基因工程可以生产贵重的新型生物药物。胰岛素、人类生长激素、干扰素、生长激素抑制素、促红细胞生成素、白细胞介素等生物药物已经投放市场。已有60多种重组蛋白质应用于治疗。另有200多种正在进一步研发。利用生物转化合成手性药物在近年来也取得的重大进展。,从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA,化学冶金工业利用生物技术可生产许多重要的化
14、学工业品。特别是可以生产出一些用化学方法难以生产或价值高的产品，进而可能改变化学工业的面貌。例如用微生物技术生产乙醇、丙酮、甘油、可降解高分子材料聚乳酸、制造工程塑料、树脂、尼龙的重要原料长链二羧酸等。化工行业的废弃物综合利用，清洁生产等也需要生物技术。地球上的矿物资源属不可再生资源，随着现代工业发展，富矿、高品位矿不断减少，贫矿、次矿、矿渣、废矿等低品位的矿资源采用常规采矿技术已经难以提炼。细菌冶金将继续为现代工业提供一种更高效廉价的方法，以提炼越来越多的低品位矿中的金属。采用细菌冶金，可提炼包括金、银、铜、铀、锰、钼、锌、钴、钡等稀有金属。特别是黄金、铜、铀等的开采。,能源工业能源生物技术
15、是指用生物技术生产的生物能源如燃料乙醇、生物柴油等及能源开采、加工生产过程中使用的生物技术如微生物采油技术等。用糖、淀粉及纤维素等可再生材料为原料生产燃料乙醇的工艺和技术是成熟和可行的。利用动植物油脂酯化得到的脂肪酸酯通常称为生物柴油，生物柴油是清洁的可再生能源，与普通化石柴油比较更加环境友好，且对发动机有好处。利用各种有机废弃物如秸秆、鸡粪、猪粪等通过微生物发酵生产沼气是废物利用的重要手段之一。生物技术还可用来提高石油的开采率。,环境保护与化学工业相比，生物技术生产，不仅节约能源还可以减轻环境污染。通过微生物的处理，可以净化有毒化合物，降解石油污染，清除有毒气体和恶臭物质，综合利用废水、废渣、处理有毒金属等。利用生物技术、还可以对土壤污染等进行生物修复。对环境中的污染物进行检测和监测。,工人正在向被石油污染的海滩喷洒营养液，促使吃石油的细菌长起来。,本章小结,生物工艺学的定义,生物工艺学的研究内容,生物技术发展简史,生物技术的应用领域,
