生化反應工程緒論

生化反應工程緒論第1頁/共89頁知識經(jīng)濟時代

六大技術組成的高技術群支撐：

生物技術、信息技術、新材料技術、

新能源技術、海洋技術、航空航天技術。

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生物技術是六大高新技術之首；生物技術是世界各國普遍關注和重視的熱點。第3頁/共89頁2005年全球生物技術產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值633.1億美元，增長了15.9%，投資高達320億美元，其中美國為147億美元。都市區(qū)名稱所在州波士頓-渥斯特-勞倫斯馬薩諸塞州舊金山-奧克蘭-圣何塞加利福尼亞州圣迭戈加利福尼亞州洛麗-杜郎北卡羅來納州西雅圖-塔柯瑪-布雷默頓華盛頓州紐約-北新澤西-長島紐約州、新澤西州費城-威明頓-大西洋城賓西法尼亞州洛杉磯-河濱-佶縣加利福尼亞州華盛頓-巴爾的摩哥倫比亞特區(qū)、馬里蘭州美國9大生物技術產(chǎn)業(yè)集群第4頁/共89頁中國政府高度重視生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2009年6月，國務院常務會議討論并原則通過《促進生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策》。會議認為，必須抓住世界生物科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的機遇，將生物產(chǎn)業(yè)培育成為我國高技術領域的支柱產(chǎn)業(yè)。以生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生物能源、生物制造和生物環(huán)保產(chǎn)業(yè)為重點，大力發(fā)展現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)?！洞龠M生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策》的頒布，標志著我國生物產(chǎn)業(yè)已步入快速發(fā)展期。

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生物技術對解決當今社會發(fā)展面臨的許多重大問題，如人口、糧食、能源、環(huán)境污染、人類健康等的解決具有極重要的作用。

TheBiotechnologyCentury第6頁/共89頁Biochemicalengineeringmaybelooselydefinedastheuseoflivingorganisms,orpartofthem(forexample,enzymes),fortheproductionofchemicalorbiologicalmaterialsorthedevelopmentofnewprocesses.第7頁/共89頁化學

生物

生物化學反應工程生物化學工程

化學工程生物工程生物化學反應工程基因工程現(xiàn)代生物技術產(chǎn)業(yè)化第8頁/共89頁ABriefHistoryofBiochemicalengineering

經(jīng)驗生化工程時期（人類出現(xiàn)到19世紀中期）近代生化工程建立時期（19世紀50年代到20世紀40年代）近代生化工程全盛時期（20世紀40年代到20世紀70年代末）現(xiàn)代生化工程建立和發(fā)展時期（從20世紀70年代末開始）第9頁/共89頁

公元前4000～3000年：

酒、醋（vinegar=vin+nargre）釀造（埃及人）公元前2000年：葡萄酒釀造（希伯來人）公元前6000～5000年：中國開始釀酒公元前25世紀：黃帝與岐伯談論醴夏代：儀狄釀酒公元前14世紀：若作酒醴，爾唯曲蘗（詩經(jīng)）

第10頁/共89頁遠古人類發(fā)現(xiàn)，吃剩的米粥數(shù)日后變成了醇香可口的飲料—人類最早發(fā)明的酒豐富多彩的酒文化(微生物)發(fā)酵第11頁/共89頁我國古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫像）第12頁/共89頁↑公元前2300年左右，埃及人釀制啤酒的場面（某金字塔壁畫）豐富多彩的酒文化第13頁/共89頁

16世紀發(fā)明顯微鏡。1897年Buchner提出酶理論，對發(fā)酵機制開始認識。發(fā)酵：★

有機化合物能同時作為電子供體和最終電子受體并產(chǎn)生能量的過程。

（生物化學）

★微生物在無外源電子受體時，通過部分氧化有機化合物而獲得產(chǎn)物并釋放少量能量的過程。（微生物學）

★

任何通過大規(guī)模培養(yǎng)微生物來生產(chǎn)產(chǎn)品的過程第14頁/共89頁生化工程的幾個重要轉(zhuǎn)折點

第一個轉(zhuǎn)折點：非食品工業(yè)(酒精發(fā)酵)

甘油發(fā)酵：第一次世界大戰(zhàn)，德國，酵母發(fā)酵生產(chǎn)甘油。當時每月生產(chǎn)

1000T。目前，美國仍采用耐高滲酵母大規(guī)模生產(chǎn)甘油。第15頁/共89頁酵母菌的三型發(fā)酵：酵母的第一型發(fā)酵(酵母菌的乙醇發(fā)酵)

乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。乙醇脫氫酶第16頁/共89頁★當發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時也由磷酸二羥丙酮擔任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2第17頁/共89頁酵母菌的第二型發(fā)酵加入亞硫酸氫鈉，與乙醛起加成作用生成難溶的乙醛亞硫酸氫鈉加成物

第18頁/共89頁酵母菌的第三型發(fā)酵

當酵母在堿性條件(pH7.6)進行發(fā)酵，二個分子乙醛起歧化反應，相互氧化還原，生成等量的乙醇和乙酸第19頁/共89頁第二個轉(zhuǎn)折點：

青霉素→抗菌素發(fā)酵工業(yè)

奠定了微生物發(fā)酵規(guī)?；幕A液體深層培養(yǎng)需解決的兩個問題：

供氧：高效通氣攪拌供氧問題，無菌空氣過濾技術

純種培養(yǎng)：大型發(fā)酵罐培養(yǎng)基滅菌技術，發(fā)酵罐防雜菌污染技術等

目前，大型化、高效、自動化、多樣化。基本操作模式?jīng)]有變第20頁/共89頁第三個轉(zhuǎn)折點：切斷支路代謝轉(zhuǎn)折點，酶活力調(diào)控，酶合成調(diào)控（反饋控制與反饋阻遏）→解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié)，特殊調(diào)節(jié)控制的利用，突變株的應用，前體、終產(chǎn)物、副產(chǎn)物等。

氨基酸發(fā)酵工業(yè)（Glu、Lys）。核酸發(fā)酵工業(yè)（肌苷、鳥苷）通過代謝調(diào)節(jié)的改變，有目的和最合理的地控制細胞內(nèi)的一系列生化反應過程。第21頁/共89頁發(fā)酵的人工控制目的

最大限度的積累對人類有用的代謝產(chǎn)物措施

改變微生物細胞膜的通透性改變微生物的遺傳特性（誘變、重組等）控制發(fā)酵條件（如溫度、pH、O2等）發(fā)酵概念通過微生物的培養(yǎng)，大量生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物的過程種類1、固體發(fā)酵和液體發(fā)酵2、抗生素發(fā)酵、維生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵等3、需氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵第22頁/共89頁代謝的人工控制——

改變膜的透性

改變細胞膜的透性，使谷氨酸迅速排放到細胞外面，解除谷氨酸的抑制作用。抑制葡萄糖中間產(chǎn)物α-酮戊二酸谷氨酸谷氨酸脫氫酶NH4+谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑第23頁/共89頁抑制黃色短桿菌合成賴氨酸的途徑天冬氨酸中間產(chǎn)物Ⅰ中間產(chǎn)物Ⅱ高絲氨酸甲硫氨酸蘇氨酸賴氨酸天冬氨酸激酶高絲氨酸脫氫酶+利用誘變育種等方法，選育不能合成高絲氨酸脫氫酶的菌種用于生產(chǎn).代謝的人工控制——改變遺傳特性第24頁/共89頁O2：如：酵母菌在有氧條件下大量繁殖，在無氧條件下才大量產(chǎn)生酒精。又如：谷氨酸棒狀桿菌在溶氧不足時，生成的產(chǎn)物是乳酸或是琥珀酸。C：N

如在谷氨酸發(fā)酵過程中，當培養(yǎng)基中C：

N=4：1時，菌體大量繁殖而產(chǎn)生谷氨酸少；當C：N=3：1時，菌體繁殖受抑制而合成谷氨酸多代謝的人工控制——改變發(fā)酵條件第25頁/共89頁

近代轉(zhuǎn)折點：

基因、動物、海洋?！镌黾游⑸锟刂拼x產(chǎn)物產(chǎn)量的基因★拷貝數(shù)，提高產(chǎn)量；★構(gòu)建基因工程菌株；★轉(zhuǎn)基因動、植物；★海洋微生物技術。海洋：復雜的生態(tài)大系統(tǒng)、環(huán)境條件復雜多變、孕育了約陸地微生物20倍以上的海洋微生物物種第26頁/共89頁組合生物合成：根據(jù)微生物的多樣性和次級代謝產(chǎn)物的多樣性，以及天然資源中獲得的有意義基因，通過重組、組合或互補形成高水平或新結(jié)構(gòu)化合物的多酶體系來生產(chǎn)人類需要的物質(zhì)。第27頁/共89頁

TraditionalBiochemicalengineering

Modern第28頁/共89頁

目前能廣泛接受的----國際合作及發(fā)展組織的定義

生物技術是應用自然科學及工程學的原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應器將物料進行加工以提供產(chǎn)品來為社會服務的技術。

從這個定義中，可歸納出生物技術三個特點：

1）生物技術的多學科性和綜合性

2）微生物、動植物體或酶作為催化劑，有別于化學催化劑

3）最終目的將生物反應開發(fā)成為工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程，即生物反應過程（Bioprocess）?，F(xiàn)代生物技術第29頁/共89頁2、現(xiàn)代生物技術的產(chǎn)生

（1953）Watson和Crick----發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

---奠定了現(xiàn)代分子生物學的基礎

（1973）Boyer和Cohen---發(fā)明了DNA目的基因重組技術

---DNA重組技術在很大程度上得益于分子生物學、微生物遺傳學和核酸酶學等領域的發(fā)展反過來DNA重組技術的逐步成熟和發(fā)展—

---對生命科學的許多領域產(chǎn)生了革命性的影響

---成為20世紀以來發(fā)展最快的學科之一

---而受DNA重組技術影響最為深刻的是生物技術，

---完成了從傳統(tǒng)生物技術向現(xiàn)代生物技術的飛躍

現(xiàn)代生物技術是隨著DNA重組技術的發(fā)展而提出來第30頁/共89頁3.對現(xiàn)代生物技術的理解

現(xiàn)代生物技術-----是如何利用DNA重組技術

-----把它作為有效手段

-----并非DNA重組技術就是現(xiàn)代生物技術僅僅有DNA重組技術實現(xiàn)不了生物技術的產(chǎn)業(yè)化

4.現(xiàn)代生物技術的內(nèi)涵

根據(jù)當前生物技術的發(fā)展，給現(xiàn)代生物技術下一個定義：

第31頁/共89頁

現(xiàn)代生化工程（生物技術）：以DNA重組為主要手段，依靠清潔、經(jīng)濟的生物反應器（bioreactor）,利用可再生性資源（renewableresource）加工人類所需產(chǎn)品的具有可持續(xù)發(fā)展（sustainabledevelopment）特性的技術。第32頁/共89頁幾個概念之間的異同：

國外，生物工程（bioengineering）一般指醫(yī)學工程（medicalengineering）、農(nóng)業(yè)工程（agriculturalengineering）、環(huán)境工程（environmentalengineering）、衛(wèi)生工程（sanitaryengineering）、人體功能工程（bodyfunctionengineering）等的總稱，特點是不涉及化學催化反應（chemocatalyticreaction）過程，而僅僅是生物過程（biologicalprocess）與物理過程（physicalprocess）的結(jié)合。生物技術（biotechnology，又名生物工藝學）則涉及的是生物催化反應（biocatalyticreaction）過程。國外已經(jīng)將生物技術與生物工程區(qū)分開。第33頁/共89頁

國內(nèi)，一般生物工程理解為一個廣義的概念。因為工程是指根據(jù)科學原理和有關技術，組合出高效、合理的具有一定結(jié)構(gòu)的技術系統(tǒng)（technologicalsystem）；而技術（technique）泛指根據(jù)生產(chǎn)實踐和科學原理發(fā)展而成各種工藝操作方法和技能。第34頁/共89頁生物技術的多學科性示意圖第35頁/共89頁第36頁/共89頁1、產(chǎn)業(yè)化（Industrialization）--技術創(chuàng)新和商業(yè)化過程

---目標產(chǎn)品質(zhì)量---市場需求---可商業(yè)化程度2、生物技術產(chǎn)業(yè)化---當今生物高技術研究成果的必然

---生物技術具有顯示強大生命力體現(xiàn)

---涉及領域極其廣泛（太空、海洋）3、生化工程重點研究生物技術產(chǎn)業(yè)化過程中瓶頸問題

---保證生物加工工藝設備條件，達到產(chǎn)品質(zhì)量

---技術經(jīng)濟觀念貫穿于生化工程研究始末，降低成本生物技術產(chǎn)業(yè)化與生物化學工程第37頁/共89頁生物化學工程與生物技術上中下游關系1、生物技術的上、中、下游過程生物反應器---作為生物反應過程的中心即中游加工

---反應前與后的工序稱為上游加工和下游加工l

上游加工----最重要的是提供和制備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和足夠數(shù)量的生物催化劑即應用常規(guī)選育、基因工程、細胞工程和酶工程手段獲得優(yōu)良菌株、細胞系或固定化的菌體等第38頁/共89頁FERMENTATIONProcessControlBiotechnology上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES生物技術組成

從廣義上講，由三部分組成：

上游工程、中游工程、下游工程第39頁/共89頁UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程Biotechnology第40頁/共89頁DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程

Theratioofrecoverytofermentationcostsfor

L-asparaginase:3.0ethanol:0.16Biotechnology第41頁/共89頁菌種篩選搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗第42頁/共89頁l

下游加工-----從反應液中提取目的產(chǎn)物加工精制成合格產(chǎn)品l

中游加工-------生物反應器為中心生物化學工程------包括中、下游兩部分

第43頁/共89頁生物化學工程學科----研究生物反應過程中共性工程技術問題----為生物工程服務的化學工程----它既可視為化學工程的一個分支----又可認為是生物工程的一個組成部分----生化工程為生物學和化學工程的紐帶第44頁/共89頁1、基本概念科學---探討是什么？發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、認識自然技術---解決如何做？工程---根據(jù)科學原理和有關技術，組合出高效、合理的一定結(jié)構(gòu)的技術系統(tǒng)工程概念理解與生物化學工程第45頁/共89頁2、工程學家的角色科學--粘合劑技術---各種材料工程學家象藝術家一樣

------如何利用好它們雕塑成一副工藝品工程學家也類似于音樂家一樣

------把七個音符組合出優(yōu)美的樂曲

第46頁/共89頁工藝品或樂曲---必須具有市場

---產(chǎn)生經(jīng)濟價值

---要有經(jīng)濟學家的頭腦要把科學原理、技術和經(jīng)濟綜合考慮

----也有哲學家的思維

工程學家---組合藝術第47頁/共89頁

總之，工程學家

-----即要具有藝術家的眼光

-----又要有哲學家的思維

-----還要有經(jīng)濟學家的頭腦

-----同時具有科學家的知識說明工程學家---重要不容易第48頁/共89頁3、科學與工程發(fā)展歷程科學最早由哲學家提出

---進行研究---得出規(guī)律---成為科學。而工程學是慢慢的發(fā)展而來的

第49頁/共89頁4、自然科學家與工程科學家的比較科學家按學科分類，根據(jù)結(jié)果分析、嚴格理論推導

---分解的觀點工程師面對實際問題的綜合性的、多學科

---靠工程技術經(jīng)驗，半理論、半經(jīng)驗性的

---系統(tǒng)性、整體性的觀點第50頁/共89頁生命現(xiàn)象的本質(zhì)？

生命活動的規(guī)律？19世紀：細胞是生命的基本單位細胞學說：細胞是動植物結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，一切生命現(xiàn)象都是以細胞為基礎表達的生命本質(zhì)理解與生物化學工程第51頁/共89頁遺傳密碼蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄線性多肽鏈

（無功能活性）翻譯生命活動的分子基礎以核酸和蛋白質(zhì)為中心的生物大分子是生命現(xiàn)象的共同物質(zhì)基礎，細胞和有機體所有生命活動都是以這些生物大分子及其復合物的結(jié)構(gòu)、運動和相互作用來實現(xiàn)的。結(jié)構(gòu)與功能分子生物學：21世紀生物學的主流第52頁/共89頁生命是什么？無序與有序問題

在自然科學中，生命科學----非生命科學一直存在一條鴻溝非生命過程-------按照克勞修斯熱力學第二定律

---認為自然界中一切自發(fā)過程都是熵增大的過程，

----而熵的增大意味著混亂度的升高。生命過程----整個自然界永遠只能從有序走向無序，

---這就完全排除了從無序走向有序的可能性。

---存在著從無序向有序、從低級向高級發(fā)展的過程

---是一個熵減少的過程這就激勵許多理論物理學家研究生命現(xiàn)象第53頁/共89頁

如40年代理論物理學家薛定鄂-----《生命是什么》--指出生命過程是熵減少，是負熵。

68年比利時普里高津--從非平衡熱力學理論出發(fā)

--提出耗散結(jié)構(gòu)理論

--嚴格證明了遠離熱力學平衡的開放系統(tǒng)中

--過程的復雜性特征可自然產(chǎn)生穩(wěn)定的自組織行為

--從無序演化出時空上的有序結(jié)構(gòu)負熵概念和耗散結(jié)構(gòu)理論

--讓人們加深對生命科學有序性的理解

第54頁/共89頁時間可逆與不可逆問題---非線性問題

牛頓力學的“決定論”和嚴格的“因果關系”

-----影響到自然科學的全部思維方式

-----解決了自然科學許多重大課題

-----又發(fā)展了量子論和相對論--引向微觀世界和整個宇宙。

而牛頓力學、量子論和相對論的時間卻是可逆的在生命科學中-----時間不可逆

-----一切生物從出生到死亡是不可逆的

-----也就是說時間是不可逆的，是單方向的為什么？

-----主要是由于生命科學極其復雜的----非線性過程

-----非線性是生命科學中帶有根本性的、普遍性的問題，是生物系統(tǒng)所固有的動態(tài)屬性非線性--已經(jīng)成為當今自然科學基礎理論研究的重大課題第55頁/共89頁生命的本質(zhì)問題

因此，生命科學的基本特征

-----是生命過程的有序性和非線性

-----是整個生物界之所以能在這錯綜紛繁的世界中不斷生衍繁殖、不斷進化發(fā)展的根本因素

---也是沖擊其他自然科學和社會科學不斷更新發(fā)展的動力。生物學是一門最廣、最古老，但也是年輕的學科，

----古老---仍是生與死的問題

----年輕---是典型的非線性問題第56頁/共89頁生命本質(zhì)——活體

工程——裝置

生物學——工程學

第57頁/共89頁生物催化反應過程：

微生物培養(yǎng)、動植物細胞培養(yǎng)、污水的生化處理、生物技術提取天然產(chǎn)物等均為生物反應過程（生化工程）。分類：生物催化劑是酶：酶反應過程生物催化劑是生物細胞：發(fā)酵過程第58頁/共89頁生物反應過程由四個部分組成：原材料的預處理及培養(yǎng)基的制備生物催化劑的制備生物反應器及反應條件的選擇產(chǎn)品的分離純化第59頁/共89頁生物反應過程（bioprocess）的特點：第60頁/共89頁生物反應過程的特點：

生產(chǎn)過程通常在常溫下進行，操作條件溫和，不需要考慮防爆問題，一種設備具有多種用途。原料以碳水化合物為主，不含有毒物質(zhì)。生產(chǎn)反應過程是以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行的，多個反應像一個反應一樣，可在單一設備中進行；

易于進行復雜的高分子化合物的生產(chǎn)，如酶、光學活性體等第61頁/共89頁

能高度選擇性地進行復雜化合物在特定部位的反應，如氧化、還原、官能團導入等；

生產(chǎn)產(chǎn)品的生物體本身也是產(chǎn)物，富含維生素、蛋白質(zhì)、酶等；除特殊情況外，培養(yǎng)液一般不會對人和動物造成危害；

生產(chǎn)過程中需要注意防止雜菌污染，尤其是噬菌體的侵入，以免造成很大的危害。

通過改良生物體生產(chǎn)性能，可在不增加設備投資的條件下，利用原有的生產(chǎn)設備使生產(chǎn)能力飛躍上升。第62頁/共89頁

生物過程工程（bioprocessengineering）基本概念盡管生物過程所生產(chǎn)的產(chǎn)品性質(zhì)（productcharacteristics）、加工方法（processingmethod）、工藝流程（technologicalflow）以及設備型式（equipmenttype）等完全不同，甚至差異很大。但卻有共同點，即從原料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，均包括一系列生物反應過程、化學反應過程和物理操作過程，按照不同方式串聯(lián)或并聯(lián)而成。生物反應過程是具有決定意義的一步。是生物生產(chǎn)過程的核心，其他過程是為生物反應過程服務的。第63頁/共89頁工程理念：

工程學：研究工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)規(guī)律性的科學，實際上是探索如何有效地在合理的生產(chǎn)設備將原料轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)產(chǎn)品的科學。據(jù)此，對待任何工程問題，均需有以下四種工程理念（engineeringthought）：理論上的正確性（validtheory）技術上的可行性（technicalfeasibility）操作上的安全性（safetyoperation）經(jīng)濟上的合理性（economicalrationality）（核心）第64頁/共89頁生物反應過程應關注的普遍性問題：目的產(chǎn)物中心觀點能量最小的觀點細胞經(jīng)濟與生產(chǎn)經(jīng)濟矛盾的觀點第65頁/共89頁目的產(chǎn)物中心的觀點

為提高產(chǎn)物對原料的轉(zhuǎn)化率（transformationrate），要求關注生物反應代謝過程和培養(yǎng)產(chǎn)物分離純化兩個方面。對于前者，要促進細胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；減少與目的產(chǎn)物形成無關的代謝支流，使各個分支的物質(zhì)相對集中流向目的產(chǎn)物；消除目的產(chǎn)物進一步代謝的途徑。在設計育種（breeding）和生物反應工藝控制中要建立該工程理念。對于后者的單元操作，應根據(jù)質(zhì)量守恒定律（lawofmassconservation）對目的產(chǎn)物進行物料衡算。以此去分析和解決單元操作集成問題。即：

輸入的產(chǎn)物量＝輸出的產(chǎn)物量－目的產(chǎn)物損失第66頁/共89頁能量最小的觀點

在細胞代謝（cellmetabolism）和生產(chǎn)過程中均消耗一定能量，并以不同形式提供。對于細胞代謝，生物能（biologicalenergy）是細胞獨立自主生活的基礎，每個細胞都有能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，此亦是生物技術工業(yè)具有生物學屬性的重要體現(xiàn)。在控制細胞代謝中，可通過減少支流途徑（by-passpath）的能量和增加目的產(chǎn)物主流途徑的生物能支持。提高能量利用率。對于生產(chǎn)過程，可根據(jù)能量守恒定律（lawofenergyconservation）和能量系統(tǒng)集成（integratedenergysystem）技術進行衡算，減少生產(chǎn)過程中的能量消耗。第67頁/共89頁細胞經(jīng)濟與生產(chǎn)經(jīng)濟矛盾的觀點生物進化（biologicalevolution），細胞形成了越來越完善的代謝調(diào)節(jié)（metabolicregulation）機制，使細胞內(nèi)復雜的代謝反應高度有序進行。故，細胞平衡生長不會有代謝產(chǎn)物（metabolites）積累。——細胞經(jīng)濟（celleconomy）。細胞過量生產(chǎn)目的產(chǎn)物對細胞來講不經(jīng)濟。要獲得細胞代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn)，一是要改變細胞基因型而改變代謝途徑；另一種方法是通過改變培養(yǎng)條件改變控制代謝。過量表達代謝產(chǎn)物的細胞是“病態(tài)”細胞。工業(yè)上利用“病態(tài)”細胞的不經(jīng)濟性生產(chǎn)對人類經(jīng)濟的產(chǎn)品。第68頁/共89頁生化工程中涉及到的工程學基本概念：恒算概念速率概念最優(yōu)化概念技術經(jīng)濟概念上游生物技術工程化概念細胞代謝和培養(yǎng)工藝過程一體化概念第69頁/共89頁衡算概念

通過質(zhì)量衡算、熱量衡算、動量衡算達到物料和能量有效集成。物料集成是按照質(zhì)量守恒定律進行物料衡算，運用此概念分析和解決工程問題；根據(jù)能量守恒定律進行工程過程的系統(tǒng)能量衡算，達到能量最大利用，是工程能量問題的基本方法。質(zhì)量、熱量和動量衡算概念是保證技術上可行性和經(jīng)濟上合理性的重要工程措施和環(huán)節(jié)。第70頁/共89頁速率概念

速率問題是理論上正確性和技術上可行性的一個重要衡量標志和判斷標準，也是技術先進性的反映，更是生物反應工藝、工程探索結(jié)果的表現(xiàn)。一般來講，過程速率與過程推動力（drivingforce）成正比，與過程阻力成反比。即：過程速率＝f（過程推動率/過程阻力）第71頁/共89頁最優(yōu)化概念生物技術反應過程優(yōu)化中，目前主要采用基于動力學（kinetics）的最佳工藝控制點為依據(jù)的靜態(tài)（staticstate）操作方法，是化學工程宏觀動力學概念在發(fā)酵工程（fermentationtechnology）上的延伸?，F(xiàn)在，以細胞代謝流分析與控制為核心的生物反應最優(yōu)化觀點正日益受到重視。生物反應過程中的基因、細胞、工程三個水平上進行過程優(yōu)化。從單元操作到系統(tǒng)工程，從宏觀經(jīng)驗描述到微觀的本質(zhì)認識，對于過程工藝優(yōu)化具有重要意義。第72頁/共89頁技術經(jīng)濟概念技術經(jīng)濟概念始終貫穿于生物技術產(chǎn)品的整個開發(fā)中，對于不同階段，均應有技術評價（estimatesoftechnicaleconomics）。特別在小試（small-scaleproduction）階段，往往不容忽視?？梢酝ㄟ^技術經(jīng)濟分析判斷科學自由探索中的潛在應用價值，以便進一步開發(fā)。在中試（pilot-scaleproduction）和示范工程建設（demonstratingengineeringconstruction）中，更不能離開技術經(jīng)濟的參與。只有經(jīng)過反復技術經(jīng)濟評價。才能確保所開發(fā)的生物技術方案的科學性和合理性。第73頁/共89頁上游生物技術工程化的概念隨著基因重組（generecombination）技術、蛋白修飾（proteinmodification）技術，細胞融合（cellconjugation）技術和固定化（immobilization）技術的逐步成熟，上游生物技術（up-streambioprocessing）已經(jīng)進入工程化階段。特征是可以根據(jù)需要設計改進天然的或構(gòu)建新的生化物質(zhì)或體系（核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體及多糖復合物等）以及新的代謝步驟與途徑，并對他們在生物體內(nèi)外的作用加以研究與應用。第74頁/共89頁細胞代謝與培養(yǎng)工藝過程一體化的概念生物反應過程產(chǎn)物實質(zhì)上是細胞代謝產(chǎn)物，胞內(nèi)基因水平（intracellulargenelevel）的信息流決定了細胞代謝流分布的空間與時間的基本特征，而生物反應器只是在環(huán)境條件和過程傳遞特征上，從物料和能量供應上對這一代謝流產(chǎn)生影響。當前生物技術產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的特點是必須將細胞代謝過程（微觀分子細胞水平的代謝調(diào)節(jié)）與培養(yǎng)工藝過程（宏觀工程水平的傳遞特性）進行深度結(jié)合；由宏觀推向微觀，強調(diào)在對細胞代謝深入發(fā)展的認識基礎上，以多尺度的工程學觀點研究過程特性。第75頁/共89頁生化反應過程的目的：

利用生物體或細胞或其部分，特別是微生物細胞本身的代謝（發(fā)酵）能力獲得相應產(chǎn)物（品）（發(fā)酵產(chǎn)品）。第76頁/共89頁微生物產(chǎn)物：微生物細胞，酶，藥物活性物質(zhì)，

特殊化學物質(zhì)和食品添加劑第77頁/共89頁

定義：以獲得具有多種用途的微生物菌體細胞為目的產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，包括單細胞的酵母和藻類、擔子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。

特點：細胞的生長與產(chǎn)物積累成平行關系，生長速