生物工艺原理-范围、观点与方法

生物工艺原理PrincipleofBiotechnology目的：研讨生物生产过程的工艺问题！教学（教育educe,education）要靠师生合作，教师率众达标；本领靠自己学会，不是靠教会的；教学相长；（礼记·学记：学，然后知不足；教，然后知困。知不足，然后能自反也；知困；然后能自强也。）端正教与学的态度；（孔子：三人行，必有我师。韩愈：弟子不必不如师，师不必贤于弟子，闻道有先后，术业有专攻，如是而已。）不怕难（勇敢），难不怕（沉着），怕不难（老练）。一些观点希望各位今后能成为有科学素养的人，能成为具有解决即将面临的种种难题的能力的新一代！教学参考书第一章生物工艺原理：范围、观点与方法

知识经济时代

由六大技术组成的高技术群支撑：

生物技术、信息技术、新材料技术、

新能源技术、海洋技术、航空航天技术。

国际上，生物工程（bioengineering）一般是医学工程（medicalengineering）、农业工程（agriculturalengineering）、环境工程（environmentalengineering）、卫生工程（sanitaryengineering）、人体功能工程（bodyfunctionengineering）等的总称，特点是不涉及化学催化反应（chemocatalyticreaction）过程，仅是生物过程（biologicalprocess）与物理过程（physicalprocess）的结合。生物技术（biotechnology，又称生物工艺学）涉及的是生物催化反应（biocatalyticreaction）过程。国外已经将生物技术与生物工程区分开。

生物技术、生物工程与生物工艺

国内，一般生物工程为一广义概念。因为工程是指根据科学原理和有关技术，组合出高效、合理的具有一定结构的技术系统（technologicalsystem）；技术（technique）泛指根据生产实践和科学原理发展而成各种工艺操作方法和技能。这样理解生物技术为狭义的生物工程。Biotechnology

生物技术与生物工艺学(生物工程生物工艺学生物技术)

定义（说明）：

1.应用自然科学（naturalscience）及工程学(engineeringscience)原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工，以提供产品或为社会服务2.工业规模开发生物细胞及其组分潜在应用的技术3.应用生命科学及某些工程原理操纵生命的一门综合性技术学科4.以生物化学、生物学、微生物学和化学工程学应用于生产过程（医药卫生、能源和农业产品）及环境保护的技术

Biotechnology

归纳为三点：生物技术是一门多学科、综合性的科学技术过程中需生物催化剂(biologicalcatalyst)参与目的是建立工业生产过程或进行社会服务。FERMENTATIONProcessControlBiotechnology上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES生物工艺组成

从广义上讲，由三部分组成：

上游工程、中游工程、下游工程UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程BiotechnologyDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程

Biotechnology菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验生物反应过程（bioprocess）生物反应过程

生物反应过程的实质是利用生物催化剂从事生物产品的生产过程。

酶（enzyme）游离酶/固定化酶---酶反应过程生物催化剂

细胞（cell）固定化细胞/游离细胞--发酵过程

动、植物细胞（组织）培养过程污水生化处理过程生物反应过程从天然物质中应用生物技术提取有效成分发酵原料的预处理：发酵原料是很丰富的，如薯类、谷类等，但许多工业微生物都不能直接利用这些发酵原料，通常需要将它们进行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供给微生物利用。还可以利用废糖蜜、工农业的下脚料。发酵过程的准备：发酵前必须进行种子制备与无菌消毒。无菌消毒是种子制备与发酵的必要条件，一般在发酵前对发酵原料蒸汽高温灭菌，冷却后，在无菌条件下接入菌种。在发酵过程中要绝对保证无杂菌的污染，即没有目标微生物以外的微生物存在，这是发酵成功与否的关键，对于好氧性发酵，还需要通入无菌空气。生物反应过程可分为四个部分

生物反应器及反应条件的选择：

由于使用的细胞（微生物）不同，代谢规律不一样，

有厌氧发酵和好氧发酵之分。厌氧发酵亦称静置发酵，如

酒精(alcohol)、啤酒(beer)、丙酮(acetone)丁醇(butanol)及

乳酸(lacticacid)等均为厌氧发酵产品，其发酵设备不需供

氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。好氧

发酵，即：

微生物发酵过程中需消耗大量氧气，供代谢需要。味精、

赤霉素、土霉素等的生产都属此类。

产品的分离与纯化（下游技术)

分离与纯化是从发酵液中提取获得符合质量指标的产品。

首先将发酵液进行过滤、离心以除去固体杂质，然后采用

吸附法、溶煤萃取法、离子交换法、沉淀法或蒸馏法等，

进一步提炼发酵液中的产品，得到符合要求的目标产品。生物反应过程的特点：

生产过程通常在常温下进行，操作条件温和，不需要考虑防爆问题，一种设备具有多种用途。原料以碳水化合物为主，并加入少量有机和无机氮源。不含有毒物质。

生产反应过程是以生命体的自动调节方式进行的，多个反应像一个反应一样，可在单一设备中进行；

易于进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学活性体等

能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团导入等；

生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白质、酶等；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物造成危害；

生产过程中需要注意防止杂菌污染，尤其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。

通过改良生物体生产性能，可在不增加设备投资的条件下，利用原有的生产设备使生产能力飞跃上升。

作为培养基成分有碳源、氮源、微量元素及生长因子等，各成分的一定的含量及比例;

合理设计一级、二级或三级种子培养系统，各级培养时间以及种子培养系统要与生产过程合理配套；合理控制不同阶段的环境条件，保证细胞正常生长和所需产物的形成，以最低的消耗获得最大的得率；生产过程需要防止杂菌污染，保证生产正常进行；选择合适的分离方法，使之高效率、低成本地从细胞或培养液中提取、分离、纯化和精制所需产品；生物生产过程的共性微生物发酵及范围

发酵食品FermentedFoods

有机酸OrganicAcids

氨基酸AminoAcids

核酸类物质Nucleotides

酶制剂Enzymes

医药工业（抗生素…）Pharmaceutical(Antibiotics…)

饲料工业（单细胞蛋白Feedstuff(eg.SCP)

环境工程（废物处理）EnvironmentalApplication(WasteTreatment)

其它（冶金工业…）Others(eg.Metallurgicalindustry)发酵产品种类FermentationIndustry

培养基原料培养基配制培养基灭菌

储备菌种摇瓶（种子培养）种子罐培养发酵罐培养空气空气处理系统无菌空气

(胞内产品)细胞等固型物固液分离培养液

(胞外产品)无细胞清液产品抽提产品精制产品包装典型发酵过程示意图微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性

物质，特殊化学物质和食品添加剂

定义：以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的产品的生产过程，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。◆生产微生物细胞物质传统的菌体发酵工业：面包制作酵母菌体蛋白(人类或动物)食品藻类

拓展的菌体发酵１药用真菌：香菇类，冬虫夏草，与天麻共生的密环菌，从多孔菌科的茯苓菌获得的名贵中药茯苓和担子菌的灵芝等药用菌）２生物防治剂：如苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，其细胞中的伴孢晶体可毒杀鳞翅目和双翅目的害虫。丝状真菌的白僵菌，绿僵菌可防治松毛虫。

特点：细胞的生长与产物的积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。

酶普遍存在于动、植物和微生物中。最初多由动植物组织或器官中提取，目前工业应用则大多来自微生物发酵，因为微生物种类多、产酶种类多、生产容易和成本低等特点。微生物酶制剂用途广泛，如淀粉酶和糖化酶用于葡萄糖生产，氨基酰化酶用于DL氨基酸的光学拆分等。酶也用于医药生产和医疗检测中。如胆固醇氧化酶用于血清中胆固醇含量检测，葡萄糖氧化酶用于血液中葡萄糖含量检测等等。

proteinase,amylase，sucrase，cellulase，pectinase，lipase，catalase，pharmaceuticalsenzyme。◆微生物酶发酵分类：胞内酶（endoenzyme）和胞外酶（exoenzyme）生物合成特点：需要诱导作用或阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。

微生物代谢产物作为产品是发酵工业中种类最多，产量最大，也是最重要的部分。包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。◆微生物代谢产物发酵

对数生长期形成的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸等，是菌体自身生长繁殖所必须的，称初级代谢产物（primarymetabolite）或中间代谢产物。它们受许多调节机制控制。许多初级代谢产物在经济上重要性，分别形成了各种不同的发酵工业。在生长的稳定期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子（plantgrowthfactor）等，与菌体生长繁殖无明显关系，称为次级代谢产物（secondarymetabolite），它也受许多调节机制的控制，如诱导调节、分解代谢物的阻遏和反馈调节等。

次级代谢产物其化学结构类型多种多样，据不完全统计多达47类，其中抗生素的结构类型，按相似性来分，也有14类。由于抗生素不仅具有广泛的抗菌作用，而且还有抗病毒、抗癌和其它生理活性，因而得到了大力发展，已成为发酵工业的重要支柱。微生物代谢产物的类型：生物碱、氨基酸、动物植物生长促进剂、抗生素、驱虫剂、抗代谢剂、抗氧剂、抗肿瘤剂、辅酶、乳化剂、酶、酶抑制剂、脂肪酸、鲜味增强剂、除草剂、杀虫剂、脂类、核酸、核苷酸、有机酸、药理活性物质、色素、多糖类、蛋白质、溶媒、发酵剂、糖、表面活性剂、维生素。

定义：利用微生物细胞的一种或多种酶对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。特点：生物转化的最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生，而是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。◆微生物的生物转化

细胞的作用仅仅相当于生物催化剂，反应最显著的特点是特异性强（反应特异性、结构位置特异性和立体特异性)。生长细胞能进行生物转化的生物：静止的营养细胞孢子固定化细胞或固定化酶进行生物转化，可提高转化效率，降低成本。最古老的生物转化，就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。生物转化还可用于将甘油转化成二羟基丙酮、葡萄糖转化成葡萄糖酸，将山梨醇转化成L-山梨糖等。此外，微生物转化发酵还包括甾体转化和抗生素的生物转化。医药与食品：生产抗生素、维生素、人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素，微生物蛋白、氨基酸、饮料、酒、添加剂等。能源与化学：微生物采油、生产酒精或沼气,化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）和一些表面活性剂。冶金：微生物湿法冶金，黄金开采和金属浸提。农牧业：生物固氮、杀虫剂。环境与生态：利用微生物消除环境污染，利用微生物发酵保持生态平衡利用基因工程菌株开发发酵工程新领域（新产品、新过程）◆微生物特殊机能的利用提高石油的开采率化石能源不可再生。生物能源将是最有希望的新能源之一，而其中乙醇最有希望成为替代化石能源新能源的。通过微生物发酵或固定化酶技术，将农业或工业的废弃物变成沼气或氢气，也是一种取之不尽，用之不竭的能源。生物技术还可以提高石油的开采率。深层石油由于吸附在岩石空隙间，难以开采，加入能分解蜡质的微生物后，利用微生物分解蜡质使石油流动性增加而获取石油，称之为三次开采。

对于废渣矿、贫矿、废矿、尾矿，一般的开采技术已无能为力。利用细菌浸矿技术可以对这类矿石进行提炼。如：氧化亚铁硫杆菌，硫化物矿石主要成分是硫和金属，细菌将矿石小颗粒吞下，硫被排出体外，金属则留在体内，收集菌体，提取金属。可浸提的金属有金、银、铜、锌、铀、钡等10多种贵重金属和稀有金属。

DNA重组改造遗传特性提高繁殖和适应能力基因工程菌富集金属的基因转移到其他微生物中细菌浸矿冶炼ABriefHistoryofBiotechnology

经验生物技术时期（人类出现到19世纪中期）在石器时代后期，我国人民利用谷物酿酒，公元10世纪,我国就有了预防天花的活疫苗（vaccine)。公元前6000年，西方就已开始酿啤酒(beer)。公元前4000年埃及人开始制面包(bread)。在公元前221年（周代后期），作豆腐(beancurd)、酱(sauce)和醋(vinegar)，另外还有泡菜(pickledvegetables)、奶酒(milkliquor)、干酪(cheese)等制作以及面团发酵(doughfermentation)、粪便(excrementandurine)和秸杆(straw)的沤制等。远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料—人类最早发明的酒丰富多彩的酒文化(微生物)发酵我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）↑公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）丰富多彩的酒文化

近代生物技术建立时期（19世纪50年代到20世纪40年代）1680年，荷兰人（leeuwenhoek）制成显微镜，首先观察到了微生物(Microbe)。

19世纪60年代，法国科学家L.Pasteur首先证实酒精发酵是由酵母菌引起的，其他不同的发酵产物是由形态不同的微生物作用而形成的，接着建立了纯种培养技术。

1897年，德国的毕希纳（Buchner）进一步发现磨碎了酵母仍能使糖发酵而形成酒精，并将此具有发酵能力的物质称为酶。这样发酵现象的真相才真正被人们了解。19世纪末到20世纪20-30年代，不少工业过程陆续出现，这时期的发酵产品有丙酮-丁醇（acetone-butanol）、乳酸（lacticacid）、酒精（alcohol）、面包酵母（breadyeast）、柠檬酸（citricacid）、淀粉酶（amylase）、蛋白酶（proteinase）等。产品的特点大多是嫌气发酵（anaerobicfermentation）过程的产物，产物的化学结构比起原料来更为简单，属于初级代谢产物（primarymetabolite）。

近代生物技术的全盛时期（20世纪40年代到20世纪70年代末）

近代生物技术产品出现于20世纪40年代，以抗生素的生产为标志。最初采用表面培养（surfacecultures）生产，以麸皮（wheatbran）为培养基（medium），发酵效价单位（ferm.Titerunit）约为40u/mL，纯度20%，收率30%；1943年，美英科学家研究出5m3的机械通风发酵罐，深层培养(submergedcultures)，发酵效价为200u/mL，纯度60%，收率75%。随之其它抗生素（antibiotic）如链霉素（streptomycin）、新霉素（neomycin）相继问世。很快又发展了其他发酵产品，如氨基酸（aminoacid）、酶制剂（enzymepreparation）、有机酸（organicacid）。产品种类多，既有初级产物又有次级产物（secondarymetabolite）如抗生素、多糖(polysaccharide)等，还有生物转化，酶反应等。大多为好气发酵（aerobic

fermentation），规模大，技术要求高。

现代生物技术建立和发展时期（从20世纪70年代末开始）

这一代生物技术产品的特点是运用了现代生物技术——ＤＮＡ重组技术（recombinantDNAtechnology）和原生质体融合技术（protoplastfusion）等的成果进行生产的产品。ＤＮＡ双螺旋结构的发现和在实验室中基因转移的实现，为基因工程启开了通向现实的大门，而使人们有可能在实验室按人们意志设计出来的新的生命体。基因工程是按人们的意志把外源（目标）基因（特定的DNA片段）在体外与载体DNA（质粒、噬菌体等）嵌合后导入宿主细胞，使之形成能复制和表达外源基因的克隆（clone--无性繁殖系或重组体），就可以通过这些重组体的培养而获得所需要的目标产品。1969年，日本首先将固定化酶(immobilizationofenzyme)

（1953年由格罗勃霍佛及希利兹提出）用于DL-氨基酸光学拆分。目前，利用固定化异构酶(immobilizationofIsomerase)生产果葡糖浆(fructose-glucosesyrup)和固定化酰化酶(immobilizationofacylase)生产6-氨基青霉烷酸(6-aminopenicillanicacid)。固定化酶在临床诊断和治疗上有一定的用途。也可用于生物传感器（biosensor）以测定酶的底物浓度。1977年波依耳首先用基因操纵(genemanipulation)手段获得了生长激素抑制因子(growthhormoneinhibitor)的克隆。

1978年吉尔勃特（Gilbert）接着获得了鼠胰岛素（mouseinsulin）的克隆。1982年第一个基因工程产品----利用重组体微生物生产的人胰岛素(humaninsulin)终于问世了。可以借用大肠杆菌(E.coli)的培养生产仅人类胰脏(pancreas)才能分泌的人胰岛素。

TraditionalBiotechnology

Biotechnology

ModernBiotechnology

现代生物技术：以DNA重组为主要手段，依靠清洁、经济的生物反应器（bioreactor），利用可再生性资源（renewableresource）加工人类所需产品的具有可持续发展（sustainabledevelopment）特性的技术。包括：

基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程。

基因工程在其中处于主导地位尽管生物过程所生产的产品性质（productcharacteristics）、加工方法（processingmethod）、工艺流程（technologicalflow）以及设备型式（equipmenttype）等完全不同，甚至差异很大。但却有共同点，即从原料转变为产品，均包括一系列生物反应过程、化学反应过程和物理操作过程，按照不同方式串联或并联而成。生物反应过程是具有决定意义的一步。是生物生产过程的核心，其他过程是为生物反应过程服务的。生物过程工程（bioprocessengineering）基本概念工程理念：

工程学：研究工业生产过程系统规律性的科学，实际上是探索如何有效地在合理的生产设备将原料转变为工业产品的科学。据此，对待任何工程问题，均需有以下四种工程理念（engineeringthought）：理论上的正确性（validtheory）技术上的可行性（technicalfeasibility）操作上的安全性（safetyoperation）经济上的合理性（economicalrationality）（核心）生物反应过程应关注的普遍性问题：目的产物中心观点能量最小的观点细胞经济与生产经济矛盾的观点目的产物中心的观点

为提高产物对原料的转化率（transformationrate），要求关注生物反应代谢过程和培养产物分离纯化两个方面。对于前者，要促进细胞对营养物质的吸收；减少与目的产物形成无关的代谢支流，使各个分支的物质相对集中流向目的产物；消除目的产物进一步代谢的途径。在设计育种（breeding）和生物反应工艺控制中要建立该工程理念。对于后者的单元操作，应根据质量守恒定律（lawofmassconservation）对目的产物进行物料衡算。以此去分析和解决单元操作集成问题。即：输入的产物量＝输出的产物量＋目的产物损失能量最小的观点

在细胞代谢（cellmetabolism）和生产过程中均消耗一定能量，并以不同形式提供。对于细胞代谢，生物能（biologicalenergy）是细胞独立自主生活的基础，每个细胞都有能量转换机构，此亦是生物技术工业具有生物学属性的重要体现。在控制细胞代谢中，可通过减少支流途径（by-passpath）的能量和增加目的产物主流途径的生物能支持。提高能量利用率。对于生产过程，可根据能量守恒定律（lawofenergyconservation）和能量系统集成（integratedenergysystem）技术进行衡算，减少生产过程中的能量消耗。细胞经济与生产经济矛盾的观点生物进化（biologicalevolution），细胞形成了越来越完善的代谢调节（metabolicregulation）机制，使细胞内复杂的代谢反应高度有序进行。故，细胞平衡生长不会有代谢产物（metabolites）积累。——细胞经济（celleconomy）。细胞过量生产目的产物对细胞来讲不经济。要获得细胞代谢产物的过量生产，一是要改变细胞基因型而改变代谢途径；另一种方法是通过改变培养条件改变控制代谢。过量表达代谢产物的细胞是“病态”细胞。工业上利用“病态”细胞的不经济性生产对人类经济的产品。生物技术产业化中工程学基本概念：恒算概念速率概念最优化概念技术经济概念上游生物技术工程化概念细胞代谢和培养工艺过程一体化概念衡算概念

通过质量衡算、热量衡算、动量衡算达到物料和能量有效集成。物料集成是按照质量守恒定律进行物料衡算，运用此概念分析和解决工程问题；根据能量守恒定律进行工程过程的系统能量衡算，达到能量最大利用，是工程能量问题的基本方法。质量、热量和动量衡算概念是保证技术上可行性和经济上合理性的重要工程措施和环节。速率概念

速率问题是理论上正确性和技术上可行性的一个重要衡量标志和判断标准，也是技术先进性的反映，更是生物反应工艺、工程探索结果的表现。一般来讲，过程速率与过程推动力（drivingforce）成正比，与过程阻力成反比。即：过程速率＝f