生物化學(xué)工程基礎(chǔ)(第一章-緒論)課件

第一章緒論

生物技術(shù)（biotechnology），又稱為生物工藝學(xué)或生物工程，是一種較難準(zhǔn)確掌握的知識(shí)。它是一個(gè)高度跨學(xué)科與跨行業(yè)的領(lǐng)域。涉及諸多學(xué)科和行業(yè)。從不同的學(xué)科和行業(yè)去理解生物技術(shù)時(shí)，總難免帶有不同側(cè)重點(diǎn)。所以強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確理解生物技術(shù)就顯得十分必要。

1.1生物化學(xué)工程的概念

生物化學(xué)工程是一門既有悠久歷史又有嶄新內(nèi)容的科學(xué)技術(shù)。它指“應(yīng)用自然科學(xué)和及工程學(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?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)”的技術(shù)。

生物工程指“人們以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)工程技術(shù)手段和其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理，按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達(dá)到某種目的”。

據(jù)有關(guān)部門初步統(tǒng)計(jì),全國共有生物科學(xué)、生物技術(shù)和生物工程各類生物學(xué)專業(yè)點(diǎn)513個(gè),分布在31個(gè)省市364所高等學(xué)校,其中生物科學(xué)專業(yè)點(diǎn)206個(gè),占40%;生物技術(shù)專業(yè)點(diǎn)188個(gè),占37%，生物工程專業(yè)點(diǎn)120多個(gè),分布在全國27個(gè)省市。在校學(xué)生人數(shù)達(dá)2.5萬左右。生物科學(xué)生物技術(shù)有哪些區(qū)別和聯(lián)系呢？生物工程

生物科學(xué)、生物技術(shù)、生物工程這三個(gè)專業(yè)是屬于生物學(xué)范疇的專業(yè)，它們?nèi)齻€(gè)分別位于生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈的上、中、下游位置。生物科學(xué)最側(cè)重于理論研究，生物工程側(cè)重于用工程學(xué)的手段來對(duì)生命科學(xué)進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用，而生物技術(shù)則是兩者的有機(jī)結(jié)合，是聯(lián)系實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間的重要紐帶和橋梁。

化工專業(yè)的同學(xué)學(xué)習(xí)這門課程的意義？傳統(tǒng)的生物技術(shù)近代生物技術(shù)現(xiàn)代生物技術(shù)生物技術(shù)高新技術(shù)生物技術(shù)、航天技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、能源技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、新材料技術(shù)、海洋技術(shù)Whatisahigh-tech？

BT解決的問題

解決人類生存與發(fā)展所面臨的一系列重大問題，在很大程度上將依賴于生物工程技術(shù)的發(fā)展。生物工程乃至生命科學(xué)對(duì)人類經(jīng)濟(jì)、科技、政治和社會(huì)發(fā)展的作用是全方位的。資源與能源細(xì)菌造雪

美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)假單胞菌能在寒冷的環(huán)境中將水霧凝結(jié)成雪花。工人正在向被石油污染的海灘噴灑營養(yǎng)液，促使

吃石油的細(xì)菌長起來。降鈣素素島胰生長激素釋放因子干擾素1.2生物反應(yīng)過程

及特點(diǎn)

生物反應(yīng)過程的實(shí)質(zhì)是利用生物催化劑進(jìn)行生物產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。酶（enzyme）游離酶/固定化酶---酶反應(yīng)過程生物催化劑細(xì)胞（cell）固定化細(xì)胞/游離細(xì)胞--發(fā)酵過程

動(dòng)、植物細(xì)胞（組織）培養(yǎng)過程污水生化處理過程生物反應(yīng)過程從天然物質(zhì)(biomass)中提取有效成分

細(xì)胞(cell)酶(enzyme)除菌檢測(cè)空氣控制生物催化劑熱能(heat)(biocatalyst)(bioreactor)產(chǎn)品(product)

生物反應(yīng)器extract副產(chǎn)品(byproduct)(rawmaterial))殘?jiān)?lee/residue)

原材料底物(substrate)滅菌(sterilizing))營養(yǎng)物)(nutrient)經(jīng)加工的培養(yǎng)基(medium)原材料(processedmaterial)

生物反應(yīng)過程示意圖

一般生物反應(yīng)過程可分為四個(gè)部分：（1）原料的預(yù)處理及培養(yǎng)基的制備發(fā)酵原料有薯類、谷類等，通常需要將它們進(jìn)行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供給微生物利用。另外還有廢糖蜜、工農(nóng)業(yè)的下腳料等。發(fā)酵前根據(jù)微生物的需求，配制成一定組分培養(yǎng)基，并進(jìn)行滅菌。（２）生物催化劑的制備：

細(xì)胞：進(jìn)行初步的擴(kuò)大培養(yǎng)，滿足發(fā)酵罐的要求酶：確定酶制劑的添加量以及要求的條件

（３）生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇

（４）產(chǎn)品的分離與純化（下游技術(shù),downsteamprocessing)Q:下游技術(shù)還有哪些？

膜過濾離心生物反應(yīng)過程的特點(diǎn)生產(chǎn)過程溫和，原料無毒生產(chǎn)反應(yīng)過程自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)容易進(jìn)行能夠高度選擇性的進(jìn)行復(fù)雜化合物在特定部位的反應(yīng)，如氧化、還原等生產(chǎn)產(chǎn)品的微生物本身也是產(chǎn)物，富含多種營養(yǎng)。通過改變生物體生產(chǎn)性能，提高產(chǎn)量

培養(yǎng)基原料培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基滅菌

儲(chǔ)備菌種搖瓶（種子培養(yǎng)）種子罐培養(yǎng)發(fā)酵罐培養(yǎng)空氣空氣處理系統(tǒng)無菌空氣

(胞內(nèi)產(chǎn)品)細(xì)胞等固型物細(xì)胞分離培養(yǎng)液

(胞外產(chǎn)品)無細(xì)胞清液產(chǎn)品抽提產(chǎn)品精制產(chǎn)品包裝典型發(fā)酵過程示意圖菌種篩選

搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)分離提取

1.3微生物發(fā)酵及范圍（1）

微生物菌體的發(fā)酵傳統(tǒng)的菌體發(fā)酵工業(yè)：

Breadyeast

冬蟲夏草，與天麻共生的密環(huán)菌，以及從多孔菌科的茯苓菌獲得的名貴中藥茯苓和擔(dān)子菌的靈芝等藥用菌。新的菌體發(fā)酵-藥用真菌

生物防治劑（如蘇云金桿菌，蠟樣芽孢桿菌，其細(xì)胞中的伴孢晶體(parasporal)可毒殺鱗翅目，雙翅目的害蟲．絲狀真菌的白僵菌，綠僵菌可防止松毛蟲菌。

細(xì)胞的生長與產(chǎn)物的積累成平行關(guān)系，生長速率最大時(shí)期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長穩(wěn)定期細(xì)胞物質(zhì)濃度最大，同時(shí)也是產(chǎn)量最高的收獲時(shí)期。發(fā)酵特點(diǎn)（2）微生物酶發(fā)酵生產(chǎn)amylase

，sacchariflying

enzyme，

sucrase

，cellulase，

proteinase,pectinase，lipase，pharmaceuticals

enzyme,catalase。Cholesteroloxidase,glucoseoxidase胞內(nèi)酶endoenzyme胞外酶exoenzyme

qu--koji傳統(tǒng)黃酒傳統(tǒng)白酒請(qǐng)看短片—酒曲的發(fā)明與發(fā)展主講人：周嘉華，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所研究員

primarymetabolite（3）微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵secondary

metabolite黃原膠生長素抗菌素免疫制品----疫苗（4）微生物的生物轉(zhuǎn)化

利用微生物細(xì)胞的一種或多種酶，作用于一些化合物的特定部位（基團(tuán)），使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化合物的生化反應(yīng)。生物轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物并不是微生物細(xì)胞利用營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)細(xì)胞代謝產(chǎn)生，而是微生物細(xì)胞的酶或酶系作用于底物某一特定部位，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成。細(xì)胞的作用僅僅相當(dāng)于生物催化劑，反應(yīng)最顯著的特點(diǎn)是特異性強(qiáng)（反應(yīng)特異性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)位置特異性和立體特異性）。

固定化細(xì)胞或固定化酶進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，可提高轉(zhuǎn)化效率，降低成本。最古老的生物轉(zhuǎn)化，就是利用菌體將乙醇轉(zhuǎn)化成乙酸的醋酸發(fā)酵。

生物轉(zhuǎn)化還可用于將甘油轉(zhuǎn)化成二羥基丙酮、葡萄糖轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸，將山梨醇轉(zhuǎn)化成L-山梨糖等。此外，微生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵還包括甾類轉(zhuǎn)化和抗生素的生物轉(zhuǎn)化。固定化酵母微生物特殊機(jī)能消除環(huán)境污染保持生態(tài)平衡金屬浸瀝回收基因工程菌株開拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域1.4生物技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史

(1)

傳統(tǒng)生物技術(shù)的追溯

(2)第一代（初期）生物技術(shù)產(chǎn)品的出現(xiàn)

1680年，荷蘭人呂霍克（leeuwenhoek）制成顯微鏡，首先觀察到了微生物(Microbe)。

顯微鏡的發(fā)明打開了微觀世界的大門光學(xué)顯微鏡透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡

19世紀(jì)60年代，法國科學(xué)家L.Pasteur首先證實(shí)酒精發(fā)酵是由酵母菌引起的，其他不同的發(fā)酵產(chǎn)物是由形態(tài)上不同的微生物作用而形成的，接著建立了純粹培養(yǎng)技術(shù)。

1897年，德國的畢希納（Buchner）進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)磨碎了酵母仍能使糖發(fā)酵而形成酒精，并將此具有發(fā)酵能力的物質(zhì)稱為酶。這樣發(fā)酵現(xiàn)象的真相才真正被人們了解。

19世紀(jì)末到20-30年代，不少工業(yè)過程陸續(xù)出現(xiàn)，這時(shí)期的發(fā)酵產(chǎn)品有丙酮-丁醇（acetone-butanol）、乳酸（lacticacid）、酒精（alcohol）、面包酵母（breadyeast）、檸檬酸（citricacid）、淀粉酶（amylase）、蛋白酶（proteinase）等。產(chǎn)品的特點(diǎn)大多是嫌氣發(fā)酵（anaerobicfermentation）過程的產(chǎn)物，產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)比起原料來更為簡(jiǎn)單屬于初級(jí)代謝產(chǎn)物。中國釀酒技術(shù)起源請(qǐng)看短片-中國釀酒技術(shù)起源.wmv主講人：周嘉華中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所研究員

（3）第二代（近代）生物技術(shù)產(chǎn)品

近代生物技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代。

最初采用表面培養(yǎng)（surfacecultures）生產(chǎn)，以麩皮（wheatbran）為培養(yǎng)基（medium），發(fā)酵效價(jià)單位（ferm.Titerunit）約為40u/ml，純度20%，收率30%，1943年，美英科學(xué)家研究出5m3的機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐，深層培養(yǎng)(submergedcultures),發(fā)酵效價(jià)為200u/ml，純度60%，收率75%。

抗生素（antibiotic）如鏈霉（streptomycin）、新霉素（neomycin）相繼問世。很快發(fā)展了其他發(fā)酵產(chǎn)品，如氨基酸（aminoacid）、酶制劑（enzymepreparation）、有機(jī)酸（organicacid）。產(chǎn)品種類多，既有初級(jí)產(chǎn)物又有次級(jí)產(chǎn)物（secondarymetabolite）如抗生素、多糖(polysaccharide)等，還有生物轉(zhuǎn)化，酶反應(yīng)等。大多為好氣發(fā)酵（aerobic

fermentation），規(guī)模大，技術(shù)要求高。

(4)第三代（現(xiàn)代）生物技術(shù)產(chǎn)品的挑戰(zhàn)

這一代生物技術(shù)產(chǎn)品的特點(diǎn)是運(yùn)用了現(xiàn)代生物技術(shù)－ＤＮＡ重組技術(shù)（recombinantDNAtechnology）和原生質(zhì)體融合技術(shù)（protoplastfusion）等的成果進(jìn)行生產(chǎn)的產(chǎn)品。

基因工程是按人們的意志把外源（目標(biāo)）基因（特定的DNA片段）在體外與載體DNA（質(zhì)粒、嗜菌體等）嵌合后導(dǎo)入宿主細(xì)胞，使之形成能復(fù)制和表達(dá)外源基因的克?。╟lone--無性繁殖系或重組體）。

可以通過這些重組體的培養(yǎng)而“借腹懷胎”地獲得所需要的目標(biāo)產(chǎn)品。

1975年英國的科勒（Kohler）及米爾斯坦（Milstein）發(fā)明了雜交瘤技術(shù)，他們用B淋巴細(xì)胞（來自脾臟，能產(chǎn)生抗體）與骨髓瘤細(xì)胞（能在體外無限繁殖）用原生質(zhì)體融合(protoplastfusion)技術(shù)進(jìn)行細(xì)胞融合而獲得既能在體外培養(yǎng)有能產(chǎn)生單一抗體的雜交細(xì)胞---特稱雜交瘤細(xì)胞，它們的產(chǎn)品是單克隆抗體（Monoclonalantibody），可用作臨床診斷試劑或生化治療劑。

B淋巴細(xì)胞(B-lymph)(hybridoma)

原生質(zhì)體融合雜交瘤細(xì)胞MAB骨髓瘤細(xì)胞(myeloma)鑒定微生物病原體“早早孕診斷試劑盒”檢測(cè)血液中的藥物含量

“生物導(dǎo)彈”

其他領(lǐng)域的應(yīng)用單克隆抗體的應(yīng)用

1969年，日本首先將固定化酶(immobilizationofenzyme)（1953年由格羅勃霍佛及希利茲提出）用于DL-氨基酸的光學(xué)拆分。

目前，最廣的是用固定化異構(gòu)酶(immobilizationofisomerase)生產(chǎn)果葡糖漿(fructose-glucosesyrap)和固定化?；?immobilizationofacylase)生產(chǎn)6-氨基青霉烷酸(6-aminopenicillanicacid)。

固定化酶在臨床診斷和治療上有一定的用途。也可用于生物傳感器（biosensor）以測(cè)定酶的底物濃度。

1977年波依耳首先用基因操縱(genemanipulation)手段獲得了生長激素抑制因子(growthhormoneinhibitor)的克隆。

1978年吉爾勃脫（Gilbert）接著獲得了鼠胰島素（mouseinsulin）的克隆。1982年第一個(gè)基因工程產(chǎn)品----利用重組體微生物生產(chǎn)的人胰島素(humaninsulin)終于問世了。人們可以采用“借腹懷胎”的方法，借用大腸桿菌(E.coli)的培養(yǎng)生產(chǎn)僅人類胰臟(pancreas)才能分泌的人胰島素。轉(zhuǎn)基因生物反應(yīng)器

定義：將目的基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi)形成轉(zhuǎn)基因生物，由于基因表達(dá)，可以從轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的特定組織或器官（乳汁、血液等）獲得目的基因產(chǎn)物。使轉(zhuǎn)基因動(dòng)物象一發(fā)酵罐一樣來生產(chǎn)目的基因的產(chǎn)物。步驟：采用上述方法獲得的轉(zhuǎn)基因羊中，可從羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA（組織溶解酶原激活劑）。

基因工程的宿主(acceptor)：

E．coliB．subtilisyeastanimalcell

微生物為宿主而獲得的目標(biāo)產(chǎn)物，雖然氨基酸的順序是正確的，但常因蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)有誤而不具活性，需要通過重疊后才能獲得目標(biāo)產(chǎn)物。而動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行表達(dá)時(shí)，所獲得的目標(biāo)產(chǎn)物不存在上述缺點(diǎn)。因此，基因工程的發(fā)展推動(dòng)了動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。植物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)歷史早于動(dòng)物細(xì)胞，利用植物細(xì)胞培養(yǎng)可以生產(chǎn)某些稀有植物次生代謝產(chǎn)物。如生物堿（alkaloid）、甾體化合物（steroid）

利用植物這種特性，可以從植物的根、莖、葉、果、胚乳、花藥等植物器官或組織取得一定量的細(xì)胞，在試管中培養(yǎng)這些細(xì)胞，使之生長成為所謂的愈傷組織；愈傷組織有很強(qiáng)的繁殖能力，可在試管內(nèi)大量繁殖。轉(zhuǎn)基因植物獲得了新的癥狀artificial

seedtransgenicplant

Seedlesswatermelon

將與動(dòng)物優(yōu)良品質(zhì)有關(guān)的基因轉(zhuǎn)移到動(dòng)物體內(nèi)，使動(dòng)物獲得新的品質(zhì)。

1983年，美國學(xué)者將大鼠的生長激素基因?qū)胄∈蟮氖芫牙铮侔咽芫岩频浇韪箲烟サ拇剖髢?nèi)，生下來的小鼠帶有大鼠的生長激素基因，生長快，并可遺傳給下一代。

動(dòng)物克隆技術(shù)人體器官克隆