生物工艺学绪论课件

生物工艺学李昆太

江西农业大学生物科学与工程学院生物工艺学李昆太第一章绪论第一部分课程简介

生花生产工艺学是一门利用生物代谢过程并借助于对代谢过程的控制来获得生物产品的过程的共性为研究对象的学科。

第一章绪论第一部分课程简介授课教材：

生化生产工艺学科学出版社梅乐和等编著

参考教材：

新编生物工艺学化学工业出版社俞俊棠等编著

多尺度微生物过程优化化工出版社张嗣良储炬编著

现代工业发酵调控学化工出版社储炬李友荣编著

授课教材：

生化生产工艺学科学出版社梅乐和等编著生化生产的一般流程图生化生产的一般流程图微生物培养生物反应器产品代谢（表达）产扬生物转化酶（生物催化剂）酶反应（生物催化）分离制品质量标准包装仓库运输…

原料：碳水化合物碳氢化合物生物质…医药、食品、化工品、酶制剂、能源、环境保护、…生产菌株生物反应器过程微生物产品代谢（表达）产扬生物转化酶（生物催化剂）酶一条主线、两个基础一条主线：菌种→培养基→种子扩培→发酵过程控制两个基础：生物学基础、工程学基础一条主线、两个基础一条主线：菌种→培养基→种子扩培→发酵过程本课程所涉及学科普通微生物学微生物生理学微生物遗传学基因工程本课程所涉及学科普通微生物学微生物生理学微生物遗传学基因工程本课程所涉及学科发酵调控学化工原理参数检测与控制生物化学化学本课程所涉及学科发酵调控学化工原理参数检测与控制生物化学化学本课程所涉及学科分离工程小分子：AminoacidAntibiotics大分子：ProteinEnzyme本课程所涉及学科分离工程小分子：大分子：机械设备工程制图物理：自动控制工程数学本课程所涉及学科机械设备工程制图物理：工程数学本课程所涉及学科第二部分本学科的发展趋势

第二部分本学科的发展趋势发酵的发展历史──生物技术产业化的历史发酵现象酿造食品工业（酒、酱、曲等）非食品工业（乳酸、乙醇等）抗生素（青霉素，浅盘培养）抗生素工业（深层液浸培养：无菌空气和搅拌）代谢控制发酵（氨基酸、核酸）基因工程菌发酵（重组大肠杆菌、酵母）第一个转折点：非食品工业第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控，解除菌体自身的反馈调节,突变株的应用,前体、终产物、副产物等

近代转折点：基因、动物、海洋发酵的发展历史第一个转折点：非食品工业

发酵现象的早期认识1680年制成显微镜───微生物的存在1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精───酶发酵现象的早期认识1680年制成显微镜─发酵工程的早期阶段

人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）──由食品工业向非食品工业发展。好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。发酵工程的早期阶段人们的对发酵技术的认识起始于1

发酵工程的重大转折点二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由Fleming发现青霉素1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究

表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基───40u/ml1943年沉浸培养：

5m3───200u/ml当今：100m3-200m3───5-7万u/ml链霉素、金霉素、新霉索、红霉素发酵工程的重大转折点二十世纪四十年主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础第1章生物工艺学绪论课件大型发酵罐搅拌装置大型发酵罐搅拌装置发酵车间的空气过滤器发酵车间的空气过滤器现代生物技术──分子生物学

与发酵工程氨基酸发酵工业──谷氨酸、赖氨酸核酸发酵工业──肌苷酸、鸟苷酸微生物变异株通过代谢调节──代谢控制发酵技术

切断支路代谢转折点:酶的活力调控，酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏)→解除菌体自身的反馈调节，特殊调节控制的利用，突变株的应用，前体、终产物、副产物等现代生物技术──分子生物学

与发酵工程氨基酸发酵工业──谷氨20世纪70年代

细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物：增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护20世纪70年代细胞融合技术、基因操作技术等生动物细胞反应器动物细胞反应器

动物反应器利用动物生产药用蛋白及其它高附加值产品。完善以转基因动物、体细胞克隆和基因工程等技术为核心的新型高效动物乳腺生物反应器技术平台。动物反应器

植物反应器高效植物生物反应器技术体系的建立与创新性研究；利用植物生产药用蛋白、生物农药、功能食品及其它高附加值产品。植物反应器目前动植物生物反应器的主要研究和应用动向为：转基因方法改良动植物产品品质、转基因动植物用于人类遗传疾病研究、生物药和器官移植、生产国防产品等。

目前动植物生物反应器的主要研究和应用动向为：转基因方法人类基因组测序完成的后向功能基因组学转变──功能基因及其表达产物的获得。大规模、全方位的蛋白质研究是势在必行人类基因组测序完成的后向功能基因组学转变──功能基因及其大规模基因测序大规模基因测序高通量蛋白生产高通量蛋白生产细胞大规模培养技术细胞大规模培养──微生物、动植物细胞、藻类细胞等细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等占生物技术产品的40%以上，达1500亿美元。

细胞大规模培养技术细胞大规模培养──微生物、动植物细胞、世界生物医药产品的发展势态以年均30％的速度增长，预计至2019年生物技术药物的销售额将达1500亿美元，占医药的市场的25%。以基因工程为主要内容的现代生物医药工程以及用现代化技术改造传统生物技术产业化。培养的细胞不仅只是微生物，还有动物细胞、植物细胞和藻类细胞大规模培养。在人类今后发现的一切具有生物活性的物质都可以借助于细胞培养方法得到。世界生物医药产品的发展势态以年均30％的速度增长，预计至20哺乳类动物细胞培养技术产品

近年来，应用哺乳动物工程细胞系统生产药用蛋白显示了越来越重要的地位，包括疫苗、干扰素、激素、生长因子和单克隆抗体等，是开发生物技术产品的重要环节，出现了以干细胞技术为核心的现代再生医学，显露出今人鼓舞的技术进展。抗体药物居所有医药生物技术产品之首2019年前美国市场上仅有OKT3一种治疗单抗2019年：14种2019年：20种2019年以后：十几种进入临床后期实验，90亿美元哺乳类动物细胞培养技术产品近年来，应用哺乳动物工程细胞系我国生物医药行业的发展势态每年将有大量的基因工程医药产品（基因工程药物、抗体、基因治疗等）投入生产，提供小试、中试工艺优化与放大研究技术，各种生物反应器装备技术，直到提供各种符合GMP标准的工程设计依据。以抗生素为代表的传统生物技术产品在相当长时期内仍是我国生物医药的主要产品。每年我国新投入的生物医药产品工程达上百亿元，这些工程最大发酵罐装备可达数百M3，急需合理的高效节能的工程装备和设计，本项目以工程技术为背景，开展从生物技术到多学科工程技术交叉研究，从菌种细胞构建到工艺、装备、工程设计的系统化研究。对目前国内正在组织生产的大中型生物医药企业有近300家，总产值达1500亿元以上，对如何实现现有过程高技术改造将是另一个具有巨大需求的技术。我国生物医药行业的发展势态每年将有大量的基因工程医药产品（基我国医药生物技术的基本情况虽然起步较晚，但逐步缩短了与先进国家的差距，已经步入国际先进国家行列，具备了一定的国际竞争能力。我国在生物医药领域的差距是全面的，在生物医药中下游技术方面差距尤为严重。我国中试环节薄弱，导致生物制药产业的“上游”与“下游”衔接不良，相互脱节，科研成果转化率不高，生物工程的产业化水平低，生物制药产业化水平明显落后与国际先进水平。我国医药生物技术的基本情况虽然起步较晚，但逐步缩短了与先进国发酵工程产业化发展目前，全球发酵产品的年销售额在1000亿美元左右，并以每年约7％～8％的速率增长。我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力。涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题

发酵工程产业化发展目前，全球发酵产品的年销售额在1000亿美人类社会经济发展的危机随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。

传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头必需走资源节约型、环境友好型的道路人类社会经济发展的危机随着人类社会经济发展，当基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济

将工业革命世纪转变到生物技术世纪只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济

将工业革命世Figure

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Idealizedbiorefineryconcept.

(ImagecourtesyofOakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)Figure

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Idealizedbiorefinery第三部分本课程的内容培养基优化淀粉制糖工艺氧的供需与传递发酵染菌及其防治发酵过程的工艺控制动植物细胞的大规模培养第三部分本课程的内容培养基优化核心问题与最终目的——

工业微生物发酵过程的放大与优化

关键理论指导：微生物的生理代谢调控

常见实际措施：提高菌种的生产潜能；

工艺的优化及过程放大核心问题与最终目的——

工业微生物发酵过程的放大与优化

现代控制理论的应用

数学模型静态和动态优化系统识别自适应控制专家系统、模糊控制、神经元网络各种混沌现象的研究现代控制理论的应用数学模型静态和动态优化系统识别自发酵过程放大技术的应用几何相似流体运动学相似流体动力学相似因次分析法经验法则法数学模拟法时间常数法发酵过程放大技术的应用几何相似因次分析法

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在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培养过程中进一步考察它的生理生化特性，稳定或改进微生物反应工艺过程，这里要求对生物物性的动态有详尽的了解，对生化反应做定量的和动力学方面的考察▲发酵过程是以微生物反应为核心的，有很多过程环节参与的综合结果，整个过程贯穿着以"速率"为内容的基础研究——与化学工程相结合形成了生化工程▲在已提供高产菌株的基础上，如何把这些高产菌种在培养过动力学与反应器工程▲本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。───形成了经典的以动力学为基础的工程学概念▲生物反应工程：它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应动力学和生物反应器工程。其中反应器工程是指包括影响微生物反应宏观动力学的生物反应器形式、结构、操作方式、物料混和传递过程特性等▲宏观动力学：但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，因此，从实用意义出发，人们重视一定反应器内检测到的反应速率即总反应速率及其影响因素，这就是宏观动力学研究。动力学与反应器工程▲本征动力学：即没有在生物反应器中各种形

微生物生长和反应过程研究必须从基质进入细胞，胞内反应，代谢产物的胞内外分泌等全过程进行分析。───形成了经典的以化学计量学和热力学研究为基础的发酵工程生物学从工程学角度研究对生长反应的影响。研究各类微生物代谢平衡的理论、方法和实际有效的实验量化数据。例如胞内反应中分解代谢、合成代谢和大分子物质合成之间的物质和能量的关系。要经过1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成分，我们不可能对这些反应进行一一定量的计算微生物生长和反应过程研究必须从基质进入细对过程参数变化提供的信息缺乏理解维持最佳工艺控制点的过程操作思想，过于简化的动力学分析缺乏以细胞代谢流分析与控制为核心的研究内容在生物技术没有深入研究之前───以胞外过程研究为主：

混和、传递动量、质量、热量理论方法的局限性对过程参数变化提供的信息缺乏理解缺乏以细胞代谢流分析与控制为仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pH、DO等缺乏微观的实时的代谢调控代谢调控研究代谢工程研究发酵过程酶学研究的困难过程数据采集和处理的困难发酵工艺优化研究的基本思路发酵罐单一生理调控制，缺乏全局性的概念仍旧局限于寻求培养基配方和最佳的温度、pH、DO等代谢调控研第四部分生化生产过程的特点一、特点生化生产过程是利用生物体的生命活动来获得产品的，与化学过程相比，他们具有如下特点：1.生产过程在常温下进行，一般操作条件比较温和。2.生产所用的原料比较简单。3.生产过程中的反应以生命体的自动调节方式进行，