生化工程基本知识课件

生化工程基本知识生化工程基本知识1生物工程发展史1、原始阶段传统发酵技术：酒、酱制品、腐乳、食醋、干酪等经验，作坊！生物工程发展史经验，作坊！2生物工程发展史2、近代（1）纯培养发酵列文虎克，巴斯德，赫克面包酵母发酵生产补料液体通风发酵丙酮丁醇发酵培养基灭菌技术生物工程发展史2、近代3荷兰人列文虎克（AntonivonLeeuwenhoek,1623-1723）用自磨镜片做成显微镜第一次观察了活的细菌和原生动物。荷兰人列文虎克（AntonivonLeeuwenhoek4细菌能否自然发生？1860--1890年：巴斯德,赫克等奠定了现代微生物学的基础，提出引起各种腐败、疾病的原因都是微生物。1881年固体培养基划线分离纯种法细菌能否自然发生？1860--1890年：巴斯德,赫克等奠5面包酵母发酵生产1850,液体通风发酵,Dutch丙酮丁醇发酵1914,培养基灭菌,Britch提出问题！工艺和设备灭菌提出问题！工艺和设备灭菌6生化工程的诞生（2）现代通风发酵技术生化工程学科的诞生：1946~1948，Gaden通风搅拌传质1947年Merck公司获“生化工程专题研究”成果1959年BiotechBioengineering创刊。1965年第一本生化工程书籍Biochemicalengineering。抗生素、氨基酸、维生素、酶制剂等

通风搅拌生化工程的诞生（2）现代通风发酵技术通风搅拌7生化工程基本知识课件8生化工程定义生化工程：运用化学工程的原理与方法，将生物技术的实验室成果进行工业开发，使之成为生物反应过程的一门学科。

生化工程是为生物技术服务的化学工程。生化工程定义生化工程：运用化学工程的原理与方法，将生物技术的9（3）连续发酵二十世纪40年代末提出概念1950，Monod;NovickandSzilark各自独立提出恒化器概念（3）连续发酵二十世纪40年代末提出概念10生化工程基本知识课件11生化反应器类型：如，固体反应器，气升式反应器容器大小：3000M3气升式反应器500M3机械搅拌通风发酵罐3000M3乙醇发酵罐热量、物质传递，功耗生化反应器类型：如，固体反应器，气升式反应器12生化反应器生化反应器13生化工程基本知识课件14生化反应动力学

——莫诺方程1942,Monod,发现现象，均衡生长的细菌的生长曲线与酶催化动力学曲线类似

1949,发表公式

S限制性基质浓度μ比生长速率

Ks莫诺常数，微生物对基质的半饱和常数

μm最大比生长速率

生化反应动力学

——莫诺方程1942,Monod,发现现象，15苏云金芽胞杆菌分批发酵动力学dX/dt：菌体生长速率

X:菌体浓度

G:底物葡萄糖浓度

B:Contois常数

T:培养时间

tL1:延迟期苏云金芽胞杆菌分批发酵动力学dX/dt：菌体生长速率

X:菌16

计算机控制中心

自动控制

17

石家庄曙光制药厂土霉素渣干燥系统

18

过滤设备

19工程细胞基因工程蛋白质工程代谢工程细胞工程生化反应器天然细胞生物活性物质分离工程酶酶工程分离工程代谢工程细胞工程发酵工程生物工程发展史3、现代生物工程工程细胞基因工程生化反应器天然细胞生物活性物质分离工程酶酶工20（1）基因工程：1973,Cohen等DNA体外重组以及E.coli转化转基因工程菌株的培养、质粒稳定性，环境安全性基因工程药物的提取：蛋白纯化，复性低压层析系统（轴相分离）HPLC（径向分离）膜分离技术（1）基因工程：21高密度发酵和氧供应不足的矛盾透明颤菌血红蛋白(VHb）氧调节、氧结合蛋白氧传递临界氧浓度！KLa高密度发酵和氧供应不足的矛盾透明颤菌血红蛋白(VHb）氧调22生化工程基本知识课件23

（2）细胞工程：动植物细胞的大规模培养技术

24CelliGenPlusBioFlo110搅拌，通气，悬浮

CelliGenPlusBioFlo110搅拌，通气25Fibrous-BedBasketFibrous-BedBasket26笼式通气搅拌生物反应器

笼式通气搅拌生物反应器27（3）酶工程：固定化酶和固定化细胞技术Diagramsofvariousimportantenzymereactortypes.（3）酶工程：固定化酶和固定化细胞技术Diagramsof28（4）代谢工程代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述“分析——综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。（4）代谢工程代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用29代谢通量分析:

是代谢工程中常用的定量分析方法，借助于胞内速率间的计量关系由胞外测得速率计算出胞内代谢反应速率分布，对从分子水平了解细胞内的变化过程很有帮助.

代谢控制分析:是指识别代谢路径各控制步骤中的关键性酶和关键分支点，研究个体酶的动力学性质，分析酶促反应对代谢通量的敏感性，从而控制通量分布。代谢通量分析:是代谢工程中常用的定量分析方法，借助于胞内30生化工程基本知识课件31生化工程基本知识课件32生化工程基本知识课件33dP/dt=αdX/dt+βXdP/dt=αdX/dt+βX34生化工程内容生化工程内容35GENERALIZEDVIEWOFBIOPROCESSRAWMATERIALSUPSTREAMPROCESSESInoculumPreparationEquipmentSterilizationBIOREACTOR-FERMENTERReactionKineticsandBioactivityTransportPhenomenaandFluidPropertiesDOWNSTREAMPROCESSESSeparationRecoveryandPurificationTHEBOTTOMLINEREGULATIONECONOMICSHEALTHANDSAFETYWasteRecovery,ReuseandTreatmentInstrumentationandControlMediaFormulationandSterilizationGENERALIZEDVIEWOFBIOPROCESS36生化工程基本知识课件37生化反应过程：1、原材料的预处理。2、生物催化剂的制备。3、生化反应器和反应条件的选择与监控。4、产物的分离纯化。生化反应过程：381、原材料的预处理原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌等：物料破碎、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力学和设备等有关工程问题。1、原材料的预处理原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌392、生物催化剂的制备解决大规模种子培养、固定化生物催化剂的制备以及无菌接种等问题。2、生物催化剂的制备解决大规模种子培养、固定化生物催化剂的制403、生化反应器和反应条件的选择与监控生化反应器中存在物料混合与流动、传质与传热、氧和基质的供需和传递以及生化反应器的设计与放大等问题，发酵动力学、酶以及固定化酶催化反应动力学，生化反应过程的参数检测和控制等问题。动、植物细胞微生物细胞（不耐剪切体系，高粘度体系）固定化酶和固定化细胞3、生化反应器和反应条件的选择与监控生化反应器中存在物料混合414、产物的分离纯化下游加工过程：萃取、吸附、蒸馏、蒸发、沉淀、结晶、干燥、离子交换、色谱分离、电泳、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、双水相萃取、超临界萃取等单元操作。物理方法——研磨、高压匀桨（以上用于细胞破碎）、过滤、离心、蒸发、干燥等；物理化学方法——冻溶（用于细胞破碎）、透析、超滤反渗析、絮凝、萃取、吸附、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐析、结晶等；化学方法——离子交换、化学沉淀等；生物方法——亲和层析、免疫层析等。4、产物的分离纯化下游加工过程：萃取、吸附、蒸馏、蒸发、沉淀42生化工程是研究生化反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。主要研究内容：培养基灭菌，空气除菌，通气搅拌，生化反应器（比拟放大、缩小），生化反应动力学，生化过程优化控制等。通气搅拌比拟放大生化反应动力学生化工程是研究生化反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。通43教学计划第一章绪论（2h）生化工程定义生化工程内容第二章氧的供需（7h）一、细胞对氧的需求二、培养过程中的氧传递三、影响供氧的因素四、溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法第一次报告（1h）教学计划第一章绪论（2h）44第三章机械搅拌轴功率计算（5h）一、机械搅拌通风发酵罐（简介）二、搅拌器的型式及流型三、搅拌器轴功率计算四、非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响第三章机械搅拌轴功率计算（5h）45第四章发酵罐的比拟放大（6h）一、几何尺寸放大二、空气流量放大三、搅拌功率及搅拌转速的放大四、周线速度五、混合时间六、搅拌液流速度压头（H）、搅拌液流循环量(Q)以及Q/H比值对比拟放大的意义第二次报告（1h）第四章发酵罐的比拟放大（6h）46第五章细胞反应动力学（5h）一、概论二、细胞生长动力学三、基质消耗动力学模型四、产物生成动力学模型第五章细胞反应动力学（5h）47第六章连续培养动力学（5h）一、单级连续培养二、多级连续培养三、进行细胞回流的单级连续培养四、连续培养的应用第三次报告（2h）第六章连续培养动力学（5h）48学习基本要素1.熟记：基本概念，基本原理，基本公式2.掌握基本问题的工程解决方法（方程推导和计算）高数基本方法，化工原理基本方法例题和习题（理解和计算）3.灵活运用：生化工程原理在生化过程实例中的应用概念，符号，方程，计算学习基本要素1.熟记：概念，符号，方程，计算49教材生物反应工程原理（贾士儒）教材生物反应工程原理（贾士儒）50主要参考书伦世仪主编的《生化工程》陈坚主编的《发酵过程优化原理与实践》生物反应工程原理（贾士儒）生物工艺学（俞俊棠唐孝宣主编）生化反应动力学与反应器（戚以政汪叔雄编著）生化生产工艺学(梅乐和，姚善泾，林东强编著)

BasicBiotechnology(ColinRatledge,BjørnKristiansen)主要参考书伦世仪主编的《生化工程》51期刊：BiotechnologyandBioengineeringBiochemicalEngineering

ChemicalandBiochemicalEngineering网址：Elsevier/SpringerLINK/app/home/main.asp?wasp=d62yfa1m390kqj8a0yb0WileyInterScience/cgi-bin/home?CRETRY=1&SRETRY=0中国学术期刊网CNKI

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万方数据库1:90/56成绩评定考试成绩：满分占70分报告成绩：满分占30分考试成绩未过50分，不及格，补考或重修抽查3次未上课者，无本次考试资格。成绩评定考试成绩：满分占70分57思考题生化工程的发展历程生化工程在现代生物技术中的应用思考题生化工程的发展历程58报告题目第一次报告（每位同学10分钟）微生物热致死动力学和灭菌空气除菌新技术及其原理血红蛋白和氧供需发酵液流体特性和氧传递报告题目第一次报告（每位同学10分钟）59第二次报告丝状真菌发酵罐比拟放大搅拌桨叶形式和功率及氧的供需的关系动物细胞反应器植物细胞反应器第二次报告60第三次报告（2学时）基因工程菌发酵动力学芯片技术和发酵动力学多菌种混合发酵动力学代谢网络和通量分析代谢组学和代谢工程微生物反应过程的质量衡算微生物反应过程的能量衡算第三次报告（2学时）61生化工程基本知识生化工程基本知识62生物工程发展史1、原始阶段传统发酵技术：酒、酱制品、腐乳、食醋、干酪等经验，作坊！生物工程发展史经验，作坊！63生物工程发展史2、近代（1）纯培养发酵列文虎克，巴斯德，赫克面包酵母发酵生产补料液体通风发酵丙酮丁醇发酵培养基灭菌技术生物工程发展史2、近代64荷兰人列文虎克（AntonivonLeeuwenhoek,1623-1723）用自磨镜片做成显微镜第一次观察了活的细菌和原生动物。荷兰人列文虎克（AntonivonLeeuwenhoek65细菌能否自然发生？1860--1890年：巴斯德,赫克等奠定了现代微生物学的基础，提出引起各种腐败、疾病的原因都是微生物。1881年固体培养基划线分离纯种法细菌能否自然发生？1860--1890年：巴斯德,赫克等奠66面包酵母发酵生产1850,液体通风发酵,Dutch丙酮丁醇发酵1914,培养基灭菌,Britch提出问题！工艺和设备灭菌提出问题！工艺和设备灭菌67生化工程的诞生（2）现代通风发酵技术生化工程学科的诞生：1946~1948，Gaden通风搅拌传质1947年Merck公司获“生化工程专题研究”成果1959年BiotechBioengineering创刊。1965年第一本生化工程书籍Biochemicalengineering。抗生素、氨基酸、维生素、酶制剂等

通风搅拌生化工程的诞生（2）现代通风发酵技术通风搅拌68生化工程基本知识课件69生化工程定义生化工程：运用化学工程的原理与方法，将生物技术的实验室成果进行工业开发，使之成为生物反应过程的一门学科。

生化工程是为生物技术服务的化学工程。生化工程定义生化工程：运用化学工程的原理与方法，将生物技术的70（3）连续发酵二十世纪40年代末提出概念1950，Monod;NovickandSzilark各自独立提出恒化器概念（3）连续发酵二十世纪40年代末提出概念71生化工程基本知识课件72生化反应器类型：如，固体反应器，气升式反应器容器大小：3000M3气升式反应器500M3机械搅拌通风发酵罐3000M3乙醇发酵罐热量、物质传递，功耗生化反应器类型：如，固体反应器，气升式反应器73生化反应器生化反应器74生化工程基本知识课件75生化反应动力学

——莫诺方程1942,Monod,发现现象，均衡生长的细菌的生长曲线与酶催化动力学曲线类似

1949,发表公式

S限制性基质浓度μ比生长速率

Ks莫诺常数，微生物对基质的半饱和常数

μm最大比生长速率

生化反应动力学

——莫诺方程1942,Monod,发现现象，76苏云金芽胞杆菌分批发酵动力学dX/dt：菌体生长速率

X:菌体浓度

G:底物葡萄糖浓度

B:Contois常数

T:培养时间

tL1:延迟期苏云金芽胞杆菌分批发酵动力学dX/dt：菌体生长速率

X:菌77

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过滤设备

80工程细胞基因工程蛋白质工程代谢工程细胞工程生化反应器天然细胞生物活性物质分离工程酶酶工程分离工程代谢工程细胞工程发酵工程生物工程发展史3、现代生物工程工程细胞基因工程生化反应器天然细胞生物活性物质分离工程酶酶工81（1）基因工程：1973,Cohen等DNA体外重组以及E.coli转化转基因工程菌株的培养、质粒稳定性，环境安全性基因工程药物的提取：蛋白纯化，复性低压层析系统（轴相分离）HPLC（径向分离）膜分离技术（1）基因工程：82高密度发酵和氧供应不足的矛盾透明颤菌血红蛋白(VHb）氧调节、氧结合蛋白氧传递临界氧浓度！KLa高密度发酵和氧供应不足的矛盾透明颤菌血红蛋白(VHb）氧调83生化工程基本知识课件84

（2）细胞工程：动植物细胞的大规模培养技术

85CelliGenPlusBioFlo110搅拌，通气，悬浮

CelliGenPlusBioFlo110搅拌，通气86Fibrous-BedBasketFibrous-BedBasket87笼式通气搅拌生物反应器

笼式通气搅拌生物反应器88（3）酶工程：固定化酶和固定化细胞技术Diagramsofvariousimportantenzymereactortypes.（3）酶工程：固定化酶和固定化细胞技术Diagramsof89（4）代谢工程代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述“分析——综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。（4）代谢工程代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用90代谢通量分析:

是代谢工程中常用的定量分析方法，借助于胞内速率间的计量关系由胞外测得速率计算出胞内代谢反应速率分布，对从分子水平了解细胞内的变化过程很有帮助.

代谢控制分析:是指识别代谢路径各控制步骤中的关键性酶和关键分支点，研究个体酶的动力学性质，分析酶促反应对代谢通量的敏感性，从而控制通量分布。代谢通量分析:是代谢工程中常用的定量分析方法，借助于胞内91生化工程基本知识课件92生化工程基本知识课件93生化工程基本知识课件94dP/dt=αdX/dt+βXdP/dt=αdX/dt+βX95生化工程内容生化工程内容96GENERALIZEDVIEWOFBIOPROCESSRAWMATERIALSUPSTREAMPROCESSESInoculumPreparationEquipmentSterilizationBIOREACTOR-FERMENTERReactionKineticsandBioactivityTransportPhenomenaandFluidPropertiesDOWNSTREAMPROCESSESSeparationRecoveryandPurificationTHEBOTTOMLINEREGULATIONECONOMICSHEALTHANDSAFETYWasteRecovery,ReuseandTreatmentInstrumentationandControlMediaFormulationandSterilizationGENERALIZEDVIEWOFBIOPROCESS97生化工程基本知识课件98生化反应过程：1、原材料的预处理。2、生物催化剂的制备。3、生化反应器和反应条件的选择与监控。4、产物的分离纯化。生化反应过程：991、原材料的预处理原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌等：物料破碎、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力学和设备等有关工程问题。1、原材料的预处理原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌1002、生物催化剂的制备解决大规模种子培养、固定化生物催化剂的制备以及无菌接种等问题。2、生物催化剂的制备解决大规模种子培养、固定化生物催化剂的制1013、生化反应器和反应条件的选择与监控生化反应器中存在物料混合与流动、传质与传热、氧和基质的供需和传递以及生化反应器的设计与放大等问题，发酵动力学、酶以及固定化酶催化反应动力学，生化反应过程的参数检测和控制等问题。动、植物细胞微生物细胞（不耐剪切体系，高粘度体系）固定化酶和固定化细胞3、生化反应器和反应条件的选择与监控生化反应器中存在物料混合1024、产物的分离纯化下游加工过程：萃取、吸附、蒸馏、蒸发、沉淀、结晶、干燥、离子交换、色谱分离、电泳、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、双水相萃取、超临界萃取等单元操作。物理方法——研磨、高压匀桨（以上用于细胞破碎）、过滤、离心、蒸发、干燥等；物理化学方法——冻溶（用于细胞破碎）、透析、超滤反渗析、絮凝、萃取、吸附、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐析、结晶等；化学方法——离子交换、化学沉淀等；生物方法——亲和层析、免疫层析等。4、产物的分离纯化下游加工过程：萃取、吸附、蒸馏、蒸发、沉淀103生化工程是研究生化反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。主要研究内容：培养基灭菌，空气除菌，通气搅拌，生化反应器（比拟放大、缩小），生化反应动力学，生化过程优化控制等。通气搅拌比拟放大生化反应动力学生化工程是研究生化反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。通104教学计划第一章绪论（2h）生化工程定义生化工程内容第二章氧的供需（7h）一、细胞对氧的需求二、培养过程中的氧传递三、影响供氧的因素四、溶解氧、摄氧率和kLa的测定方法第一次报告（1h）教学计划第一章绪论（2h）105第三章机械搅拌轴功率计算（5h）一、机械搅拌通风发酵罐（简介）二、搅拌器的型式及流型三、搅拌器轴功率计算四、非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响第三章机械搅拌轴功率计算（5h）106第四章发酵罐的比拟放大（6h）一、几何尺寸放大二、空气流量放大三、搅拌功率及搅拌转速的放大四、周线速度五、混合时间六、搅拌液流速度压头（H）、搅拌液流循环量(Q)以及Q/H比值对比拟放大的意义第二次报告（1h）第四章发酵罐的比拟放大（6h）107第五章细胞反应动力学（5h）一、概论二、细胞生长动力学三、基质消耗动力学模型四、产物生成动力学模型第五章细胞反应动力学（5h）108第六章连续培养动力学（5h）一、单级连续培养二、多级连续培养三、进行细胞回流的单级连续培养四、连续培养的应用第三次报告（2h）第六章连续培养动力学（5h）109学习基本要素1.熟记：基本概念，基本原理，基本公式2.掌握基本问题的工程解决方法（方程推导和计算）高数基本方法，化工原理基本方法例题和习题（理解和计算）3.灵活运用：生化工程原理在生化过程实例中的应用概念，符号，方程，计算学习基本要素1.熟记：概念，符号，方程，计算110教材生物反应工程原理（贾士儒）教材生物反应工程原理（贾士儒）111主要参考书伦世仪主编的《生化工程》陈坚主编的《发酵过程优化原理与实践》生物反应工程原理（贾士儒）生物工艺学（俞俊棠唐孝宣主编）生化反应动力学与反应器（戚以政汪叔雄编著）生化生产工艺学(梅乐和，姚善泾，林东强编著)

BasicBiotechnology(ColinRatledge,BjørnKristiansen)主要参考书伦世仪主编的《生化工程》112期刊：BiotechnologyandBioengineeringBiochemicalEngineering

ChemicalandBiochemicalEngineering网址：Elsevier/SpringerLINK/app/home/main.asp?wasp=d62yfa1m390kqj8a0yb0WileyInterScience/cgi-bin/home?CRETRY=1&SRETRY=0中国学术期刊网CNKI

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