生物工艺学第一章课件

生物工艺学BioprocessTechnology:FundamentalsandApplication

主讲教师：欧树娣oupeng03@126.com生物工程教研室本课程简介教材：《生物工艺学》邱树毅主编，2009年4月第一版，化学工业出版社考核：期末总评成绩＝平时成绩×20％+期末成绩×80％；考试方法：闭卷、笔试基本内容：讲述氨基酸、有机酸、维生素、抗生素、核酸类物质、酶制剂、基因工程产品、生物制品等生物工程产品的生产工艺。（必修课

，学时：72；学分：4.5）课程任务通过学习各种生物工程产品的生产工艺，掌握生物技术的基本原理和技术，提高分析和解决实际生产问题的能力，为今后从事专业工作打下坚实的理论基础。

参考期刊杂志食品与发酵工业工业微生物生物工程学报微生物学报

第一章绪论1.1生物工艺学及其研究内容1.2生物技术发展简史1.3生物技术的应用1.1生物工艺学及其研究内容1.1.1生物工艺学定义

生物工艺学是研究生物技术产品生产的工艺技术问题的学科，是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。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境保护的技术。BiotechnologyUPSTREAM

PROCESSES

DOWNSTREAMPROCESSES1.1.2生物技术与相关学科的关系人文科学物理学计算机科学天文学数学化学

生物学农学

医学工程学

心理学

生物物理学

生物化学

生物数学宇宙生物学

人工智能学

植物生理学

育种学

昆虫学

植物病理学

人体及动物生理学

药理学

病理学

生物工程学

生物材料生物传感器

生物能源生物信息学1.1.3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。摘自《综合生物技术》导言－Moo-Young主编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

1.1.4生物反应的一般过程1.生物反应过程的概念：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。

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。2.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：3.生物反应过程的类型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根据生产工艺的不同，可将生物反应过程分为五种类型（P3）1.1.5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)工业微生物菌种的选育、制备与保藏

(2)工业培养基的制备及其设计

(3)生物工艺过程中的无菌技术

(4)生物反应动力学(5)发酵过程原理(6)生物反应器及生物工艺过程放大

(7)生物工艺过程中的参数检测与控制

(8)生物产品分离纯化技术(9)生物产品的工艺学

1.2生物技术发展简史1.2.1传统经验制造技术——天然发酵阶段酿酒制醋是人类最早通过实践所掌握的生物技术之一；酱油、泡菜、奶酒、干酪制作、面团发酵、粪便和秸秆的沤制等1.2.2纯种培养技术的成功－初级代谢产物生产阶段19世纪末到20世纪30年代，开创了工业微生物的新世纪发明显微镜，首次观察到微生物的存在

证实发酵是由微生物引起,发明了巴氏消毒法等创立了微生物分离、培养、染色技术巴斯德·路易斯曲颈瓶实验巴氏消毒法酒精发酵,醋酸发酵的机理减毒疫苗如预防斑疹伤寒和脊髓灰质炎等疾病；狂犬病疫苗

1.2.3搅拌技术成熟——好氧培养阶段：纯种发酵AlexanderFleming1928年发现了青霉素（penicillin）——世界第一个抗生素重要生物技术产品投入生产年代（不包括现代生物技术产品）年代产品公元前30～20世纪面包发酵、果汁酿酒、原始啤酒、醋酱、奶酪公元前10世纪酱油公元前6世纪以霉治外创公元11世纪人痘接种公元12世纪酒精（从酒中蒸出）公元17世纪人工培植蘑菇公元18世纪牛痘接种1880～1920乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮-丁醇、淀粉酶、转化酶1920～1940柠檬酸、葡萄糖酸、蛋白酶、核黄素、山梨糖1940～1950青霉素、短杆菌肽、链霉素、金霉素、衣康酸、纤维素酶等1950～1960谷氨酸、土霉素、四环素、卡那霉素、葡萄糖酸、赤霉素等1960～1970葡萄糖异构酶、头孢霉素、万古霉素、甾体生物转化、黄原胶1970～1980阿霉素、右旋糖苷酶、维生素C、苹果酸、普鲁兰多糖等1980～阿维菌素、苯丙氨酸、环氧乙烷、丙稀酰胺、聚羟基丁酸酯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，StanleyCohen等人研究成果标志着基因工程从此诞生。（实现了基因转移）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；1.2.4基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段

（20世纪70年代末开始）一些正在开发或已开始生产的DNA重组技术产品医药产品（包括畜用产品）干扰素（IFN）包括白细胞干扰素，成纤维细胞干扰素和免疫干扰素胰岛素生长激素及其相关因子淋巴细胞活素血纤维蛋白溶解剂疫苗，包括腺病毒、霍乱、脑炎、乙型肝炎、流感、骨髓灰质炎、狂犬、疟疾等胸腺素白蛋白血因子促红细胞生长素促血小板生长素降血钙素绒毛促性腺激素绝经期促性腺激素表皮生长因子Α-1胰蛋白酶抑制剂肿瘤坏死因子集落刺激因子心钠素单克隆抗体（供诊断和治疗用）DNA探针（供诊断和治疗用）利用重组菌生产的抗生素、氨基酸、甾体激素、维生素食品及饲料添加剂氨基酸食品加工酶单细胞蛋白农业植物品种改良（包括增加产量，提高蛋白质含量，改进抗逆性能，具有固氮能力等）生物杀虫剂化工及能源原料用生物物质生产甲烷、甲醇、乙醇、丙酮-丁醇、多元醇、有机酸等用于化学品或生物物质（如纤维素）转化所需要的酶用生物催化方法生产环氧烷烃、聚羟基丁酸酯（PHB）等用藻类生产碳水化合物、蛋白质等物质生产黄原胶等粘性物质（以提高油井的采油量）环境保护高效生物降解或解毒菌种基因工程菌转基因抗虫棉荧光转基因猪基因工程技术1.3生物技术的应用

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。

1.3.1农业转基因抗虫番茄转基因技术转基因超级奶牛转基因兔子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，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。转基因食品的安全性利用细胞工程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1.3.2食品工业1.3.3医药工业从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物t-PA1.3.4化学冶金工业利用生物技术可生产许多重要的化学工业品。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，