01生物工藝學(xué)第一章緒論.ppt

生物工藝學(xué) 國家十一五規(guī)劃教材 生物工藝學(xué) 邱樹毅主編 配套課件 目錄 第一章緒論第二章工業(yè)微生物菌種選育 制備與保藏第三章工業(yè)培養(yǎng)基及其設(shè)計第四章生物工藝過程中的無菌技術(shù)第五章生物反應(yīng)動力學(xué)第六章發(fā)酵過程原理第七章生物反應(yīng)器及生物工藝過程的放大第八章生物反應(yīng)過程參數(shù)檢測與控制第九章生物產(chǎn)品分離及純化技術(shù)第十章生物產(chǎn)品工藝學(xué)及應(yīng)用 第一章緒論 1 1生物工藝學(xué)及其研究內(nèi)容1 1 1生物工藝學(xué)定義1 1 2生物技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系1 1 3生物工藝學(xué)特點1 1 4生物反應(yīng)的一般過程1 1 5生物工藝學(xué)的研究內(nèi)容1 2生物技術(shù)發(fā)展簡史1 2 1傳統(tǒng)經(jīng)驗制造技術(shù) 天然發(fā)酵階段1 2 2純種培養(yǎng)技術(shù)的成功 初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)階段1 2 3攪拌技術(shù)成熟 好氧培養(yǎng)階段1 2 4基因重組技術(shù)的成熟 現(xiàn)代生物技術(shù)階段1 3生物技術(shù)應(yīng)用1 3 1農(nóng)業(yè)1 3 2食品工業(yè)1 3 3醫(yī)藥工業(yè)1 3 4化學(xué)冶金工業(yè)1 3 5能源工業(yè)1 3 6環(huán)境保護(hù) 國際經(jīng)濟(jì)合作及發(fā)展組織所提出的定義是 生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理 依靠生物催化劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或社會服務(wù)的技術(shù) 歐洲生物技術(shù)聯(lián)合會認(rèn)為 生物技術(shù)是自然科學(xué) 包括分子生物學(xué) 生物化學(xué) 化學(xué)和物理學(xué) 和工程科學(xué) 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué) 電子學(xué)等 的綜合應(yīng)用 以便將生物體系細(xì)胞 微生物和動植物細(xì)胞 及其組成物 用于為社會提供其所需的商品和服務(wù) 國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會對生物技術(shù)所作的定義是 生物技術(shù)是將生物化學(xué) 生物學(xué) 微生物學(xué)和化學(xué)工程應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程及環(huán)境保護(hù)的技術(shù) 1 1生物工藝學(xué)及其研究內(nèi)容 1 1 1生物工藝學(xué)定義生物工藝學(xué) 也稱生物技術(shù) 是指以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ) 結(jié)合其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理 采用先進(jìn)的過程技術(shù)手段 按照設(shè)計改造生物體或生物原料 為人類生產(chǎn)出所需要產(chǎn)品或達(dá)到某種目的的技術(shù) 1 1 2生物技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 生物技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系樹 1 1 3生物工藝學(xué)特點 1 是一門綜合性學(xué)科 它是生物學(xué) 包括生物化學(xué) 分子生物學(xué) 微生物學(xué)等 化學(xué) 工程學(xué) 包括化學(xué)工程 機(jī)械工程等 等多學(xué)科的交叉與綜合 2 采用生物催化劑 與化學(xué)催化劑相比 具有反應(yīng)速率快 催化選擇性高 反應(yīng)條件溫和的優(yōu)點 也具有易失活 穩(wěn)定性差的不足 3 采用可再生資源為主要原料 因而原料來源豐富 價格低廉 過程中廢物的危害性小 但由于原料成分難以控制 會給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的影響 4 與一般化工產(chǎn)品生產(chǎn)相比 其生產(chǎn)設(shè)備比較簡單 能耗較低 但反應(yīng)器生產(chǎn)效率較低 反應(yīng)液中初產(chǎn)物濃度低 對產(chǎn)物分離提純困難 1 1 4生物反應(yīng)的一般過程 將生物技術(shù)的實驗室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)而成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程 常稱為生化反應(yīng)過程 也稱為生物反應(yīng)過程 其實質(zhì)是利用生物催化劑進(jìn)行生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程 生物催化劑的制備 原料預(yù)處理 生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的控制 產(chǎn)物的分離純化 隨著生物技術(shù)的發(fā)展 生物反應(yīng)過程的種類和規(guī)模都在不斷地擴(kuò)大 目前已進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的主要有以下三種 酶催化反應(yīng)過程 采用游離酶或固定化酶為催化劑時的反應(yīng)過程 稱為酶催化反應(yīng)過程 細(xì)胞反應(yīng)過程 采用活細(xì)胞為催化劑時的反應(yīng)過程 包括微生物發(fā)酵反應(yīng)過程 固定化細(xì)胞反應(yīng)過程和動植物細(xì)胞培養(yǎng)過程 廢水的生物處理過程 它是利用微生物本身的分解能力和凈化能力 除去廢水中污濁物質(zhì)的過程 工業(yè)上根據(jù)微生物是單一菌種或混合菌種 把生物反應(yīng)過程分為兩類 一類是采用單一純種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品 包括酶制劑 抗生素 氨基酸 核苷酸 乙醇 有機(jī)酸生產(chǎn)等 另一類是采用混合菌種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品 包括發(fā)酵食品 乳酸 醬及醬油 白酒 發(fā)酵蔬菜等 甲烷 或沼氣 生產(chǎn) 廢水處理等 根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同 可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型 1 以直接生成生物量為最終目標(biāo)產(chǎn)品 例如生產(chǎn)用于食品 醫(yī)藥的酵母及用于飼料的單細(xì)胞蛋白 根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同 可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型 2 利用微生物從簡單營養(yǎng)物質(zhì)合成有用產(chǎn)品 包括初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物 如抗生素 酶制劑 氨基酸 核苷酸 有機(jī)酸 乙醇等產(chǎn)品 根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同 可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型 3 利用微生物從一些特異性前體物轉(zhuǎn)化有用的目標(biāo)產(chǎn)品 例如甾體化合物 激素類產(chǎn)品 根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同 可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型 4 利用酶制劑或非生長細(xì)胞催化合成有用的目標(biāo)產(chǎn)品 例如用青霉素?；干a(chǎn)6 氨基青霉素烷酸 葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)果葡糖漿及高果糖漿 根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同 可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型 5 利用微生物生產(chǎn)能源或轉(zhuǎn)化有害 有毒物質(zhì) 如生活及工業(yè)污水的生物處理 甲烷 乙醇生產(chǎn)等 1 1 5生物工藝學(xué)的研究內(nèi)容 生物工藝學(xué)主要研究生物反應(yīng)過程中具有普遍意義的工藝技術(shù)問題 以探討生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的共性為目的 從工藝角度闡明細(xì)胞生長和代謝產(chǎn)物與細(xì)胞的培養(yǎng)條件之間的相互關(guān)系 為生產(chǎn)過程的優(yōu)化提供理論依據(jù) 1 2生物技術(shù)發(fā)展簡史 1 2 1傳統(tǒng)經(jīng)驗制造技術(shù) 天然發(fā)酵階段 我國古代的釀酒作坊 四川新都縣出土的漢代畫像 1 2 2純種培養(yǎng)技術(shù)的成功 初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)階段 發(fā)明顯微鏡 首次觀察到微生物的存在 證實發(fā)酵是由微生物引起 發(fā)明了巴氏消毒法 創(chuàng)立了微生物分離 培養(yǎng) 染色技術(shù) 從19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代 不少發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn) 開創(chuàng)了工業(yè)微生物的新世紀(jì) 這個時期出現(xiàn)的發(fā)酵產(chǎn)品有乙醇 醋酸 丙酮 丁醇 食用酵母 乳酸 檸檬酸等發(fā)酵產(chǎn)品 上述產(chǎn)品的特點是 大多數(shù)為嫌氣發(fā)酵過程的產(chǎn)物 產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單 屬于初級代謝產(chǎn)物 其生產(chǎn)通常是在敞開環(huán)境中經(jīng)發(fā)酵而進(jìn)行 控制染菌是通過細(xì)心的操作而實現(xiàn)的 生產(chǎn)過程簡單 生產(chǎn)設(shè)備相對要求不高 規(guī)模一般不大 1 2 3攪拌技術(shù)成熟 好氧培養(yǎng)階段 AlexanderFleming1929年發(fā)現(xiàn)了青霉素 penicillin 世界第一個抗生素 這一時期生物技術(shù)的特點是 產(chǎn)品類型多 不但有初級代謝產(chǎn)物 也出現(xiàn)了次級代謝產(chǎn)物 還有生物轉(zhuǎn)化及酶反應(yīng)等產(chǎn)品 技術(shù)要求高 主要使用純種發(fā)酵 在發(fā)酵過程中通入無菌空氣 規(guī)模巨大 通風(fēng)機(jī)械攪拌罐容積可達(dá)500立方米 生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的氣升式發(fā)酵罐的容積已超過200立方米 菌種選育技術(shù)發(fā)展速度 其性能獲得了驚人的提高 在產(chǎn)品品種的更新 新技術(shù)及新設(shè)備的應(yīng)用均達(dá)到前所未有的程度 可以說 這一階段是常規(guī)發(fā)酵工業(yè)的全盛時期 1 2 4基因重組技術(shù)的成熟 現(xiàn)代生物技術(shù)階段 1944年 Avery等人通過實驗證明了DNA是遺傳物質(zhì) 1953年 Watson和Crick發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 并闡明了DNA半保留復(fù)制機(jī)制 1961年 Nirenberg等破譯了遺傳密碼 1973年 StanleyCohen等人成功進(jìn)行了DNA分子的體外重組實驗并實現(xiàn)了細(xì)菌間性狀的轉(zhuǎn)移 同時還提出了 基因克隆 策略 這一研究成果標(biāo)志著基因工程從此誕生 1976年 DNA測序技術(shù)誕生 1982年 用DNA重組技術(shù)生產(chǎn)的第一個動物疫苗在歐洲獲得批準(zhǔn) 基因工程技術(shù)的出現(xiàn)為人們提供了一種全新的技術(shù)手段 使人們可以按照意愿切割DNA 分離基因并重組后 導(dǎo)入其他生物活細(xì)胞 以改造農(nóng)作物或畜牧品種 也可以導(dǎo)入細(xì)菌以產(chǎn)生大量的有用蛋白質(zhì)或藥物 疫苗 也可以導(dǎo)入人體內(nèi)進(jìn)行基因治療 這是一項技術(shù)上的革命 帶動了發(fā)酵工程 酶工程 細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程的發(fā)展 形成了具有劃時代意義的現(xiàn)代生物技術(shù) 基因工程菌 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉 熒光轉(zhuǎn)基因豬 1 3生物技術(shù)應(yīng)用 1 3 1農(nóng)業(yè)基因工程正在引發(fā)農(nóng)業(yè)革命 不斷增加農(nóng)作物的品種 通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)已培養(yǎng)出具有抗旱 抗除草劑 抗病毒 抗鹽堿 抗病蟲害等抗逆特性及品質(zhì)優(yōu)良的作物新品系 涉及到的作物種類包括馬鈴薯 油菜 煙草 玉米 水稻 番茄 甜菜 棉花 大豆等 轉(zhuǎn)基因抗蟲番茄 利用細(xì)胞工程技術(shù)對植物優(yōu)良品種進(jìn)行大量的快速無性繁殖的微繁殖技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于花卉 果樹 蔬菜 藥用植物和農(nóng)作物的快速繁殖 實現(xiàn)商品化生產(chǎn) 植物細(xì)胞培養(yǎng)可用于生產(chǎn)具有商業(yè)價值的次生代謝產(chǎn)物 胡蘿卜快速無性繁殖 利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以提高包括魚在內(nèi)的農(nóng)畜肉的產(chǎn)量和品質(zhì) 提高奶產(chǎn)量和質(zhì)量 增加動物的抗病性 科學(xué)家們已經(jīng)成功培育出轉(zhuǎn)基因羊 轉(zhuǎn)基因兔 轉(zhuǎn)基因豬 轉(zhuǎn)基因魚等多種動物新品種 此外 還可以低成本地生產(chǎn)出貴重藥物或其它生物制品 生物技術(shù)還可用于農(nóng)業(yè)快速分析和動物免疫疾病的快速診斷 轉(zhuǎn)基因超級奶牛 轉(zhuǎn)基因兔子 1 3 2食品工業(yè)現(xiàn)代生物技術(shù)為快速提升食品的數(shù)量和品質(zhì)提供了可能 發(fā)酵食品和飲料來自微生物或酶對農(nóng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化作用 酒類等發(fā)酵食品的菌種的選育 利用生物技術(shù)生產(chǎn)甜味劑 生物色素 增稠劑 多糖 多肽等產(chǎn)品也已經(jīng)進(jìn)入市場 有機(jī)酸 氨基酸 維生素也用生物技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn) 食品加工用酶已廣泛應(yīng)用于釀造 奶制品 焙烤 水果和蔬菜加工 淀粉糖生產(chǎn)等食品行業(yè) 此外 應(yīng)用抗體檢測系統(tǒng)以及DNA和RNA探針技術(shù) 免疫測定技術(shù)等生物技術(shù)方法 可以快速 準(zhǔn)確進(jìn)行食品有害物的分析 檢測 有利于食品安全 1 3 3醫(yī)藥工業(yè)醫(yī)藥生物技術(shù)是生物技術(shù)領(lǐng)域中最活躍 產(chǎn)業(yè)發(fā)展最迅速 效益最顯著的領(lǐng)域 其應(yīng)用涉及到新藥開發(fā) 新診斷技術(shù) 預(yù)防措施及新的治療技術(shù) 利用生物技術(shù)生產(chǎn)抗生素 疫苗 抗體已經(jīng)非常普遍 利用基因工程可以生產(chǎn)貴重的新型生物藥物 胰島素 人類生長激素 干擾素 生長激素抑制素 促紅細(xì)胞生成素 白細(xì)胞介素等生物藥物已經(jīng)投放市場 已有60多種重組蛋白質(zhì)應(yīng)用于治療 另有200多種正在進(jìn)一步研發(fā) 利用生物轉(zhuǎn)化合成手性藥物在近年來也取得的重大進(jìn)展 從轉(zhuǎn)基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA 1 3 4化學(xué)冶金工業(yè)利用生物技術(shù)可生產(chǎn)許多重要的化學(xué)工業(yè)品 特別是可以生產(chǎn)出一些用化學(xué)方法難以生產(chǎn)或價值高的產(chǎn)品 進(jìn)而可能改變化學(xué)工業(yè)的面貌 例如用微生物技術(shù)生產(chǎn)乙醇 丙酮 甘油 可降解高分子材料聚乳酸 制造工程塑料 樹脂 尼龍的重要原料長鏈二羧酸等 化工行業(yè)的廢棄物綜合利用 清潔生產(chǎn)等也需要生物技術(shù) 地球上的礦物資源屬不可再生資源 隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展 富礦 高品位礦不斷減少 貧礦 次礦 礦渣 廢礦等低品位的礦資源采用常規(guī)采礦技術(shù)已經(jīng)難以提煉 細(xì)菌冶金將繼續(xù)為現(xiàn)代工業(yè)提供一種更高效廉價的方法 以提煉越來越多的低品位礦中的金屬 采用細(xì)菌冶金 可提煉包括金 銀 銅 鈾 錳 鉬 鋅 鈷 鋇等稀有金屬 特別是黃金 銅 鈾等的開采 1 3 5能源工業(yè)能源生物技術(shù)是指用生物技術(shù)生產(chǎn)的生物能源如燃料乙醇 生物柴油等及能源開采 加工生產(chǎn)過程中使用的生物技術(shù)如微生物采油技術(shù)等 用糖 淀粉及纖維素等可再生材料為原料生產(chǎn)燃料乙醇的工藝和技術(shù)是成熟和可行的 利用動植物油脂酯化得到的脂肪酸酯通常稱為生物柴油 生物柴油是清潔的可再生能源 與普通化石柴油比較更加環(huán)境友好 且對發(fā)動機(jī)有好處 利用各種有機(jī)廢棄物如秸稈 雞糞 豬糞等通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是廢物利