第六章 生化工程

第六章生化工程第一節(jié)緒論生化工程的定義及與其他學(xué)科的關(guān)系生化工程研究的主要內(nèi)容生化工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要作用一、生化工程的定義生化工程全稱是生物化學(xué)工程（BiochemicalEngineering)，是為生物技術(shù)服務(wù)的化學(xué)工程。它是利用化學(xué)工程原理和方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室所取得的生物技術(shù)成果加以開(kāi)發(fā)，使之成為生物反應(yīng)過(guò)程的一門(mén)學(xué)科，是生物化學(xué)與工程學(xué)相互滲透所形成的一門(mén)新學(xué)科。它應(yīng)用工程學(xué)這一實(shí)踐技術(shù)，以生物體細(xì)胞（包括微生物細(xì)胞、動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞）作為研究的主角、生物化學(xué)作為理論基礎(chǔ)，從動(dòng)態(tài)、定量、微觀的角度，廣泛而深刻地揭示了生物工業(yè)的過(guò)程。所以生化工程是化學(xué)工程的一個(gè)分支，也是生物工程的一個(gè)重要組成部分。二、生化工程與其他學(xué)科的關(guān)系生物學(xué)化學(xué)工程學(xué)生物化學(xué)生化工程化學(xué)工程生物工程

生化工程是化學(xué)工程的一個(gè)前沿分支，它應(yīng)用化學(xué)工程的原理和方法，研究解決有生物體或生物活性物質(zhì)參與的生產(chǎn)過(guò)程即生物反應(yīng)過(guò)程中的基礎(chǔ)理論及工程技術(shù)問(wèn)題。它作為生物化學(xué)、微生物學(xué)及化學(xué)工程學(xué)之間的邊緣學(xué)科，是生物技術(shù)中將近代生物學(xué)的成就轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)力所必不可少的重要組成部分。

第二節(jié)生化工程研究的主要內(nèi)容一、生物反應(yīng)過(guò)程及其特點(diǎn)二、生化工程研究的主要內(nèi)容一、生物反應(yīng)過(guò)程及其特點(diǎn)

生物反應(yīng)過(guò)程是利用生物催化劑，即游離或固定化的活細(xì)胞或酶以從事生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。生物催化劑原材料檢測(cè)控制系統(tǒng)生物反應(yīng)器空氣除菌機(jī)械能、熱能副產(chǎn)品產(chǎn)品廢棄物

當(dāng)采用活細(xì)胞催化劑(主要是整體的微生物細(xì)胞)時(shí)，稱為發(fā)酵過(guò)程。而利用從細(xì)胞中提取得到的酶為催化劑時(shí)，則稱為酶反應(yīng)過(guò)程。動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)也屬于生物反應(yīng)過(guò)程。

生物反應(yīng)過(guò)程的特點(diǎn)和規(guī)律的研究是生物化學(xué)工程主要內(nèi)容之一。生物反應(yīng)過(guò)程的特點(diǎn)

1.穩(wěn)定性較差

由于采用生物催化劑，可在常溫常壓下進(jìn)行反應(yīng)，且可運(yùn)用重組DNA技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)改造生物催化劑，但生物催化劑易于失活，易受環(huán)境影響和污染，一般采用分批操作。2.污染小可采用再生性的生物資源為原料，來(lái)源豐富，價(jià)格較低，過(guò)程中產(chǎn)生的廢料危害性較小，但往往形成原料成分不易控制，對(duì)生產(chǎn)控制和產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)影響。

3.設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗小生物反應(yīng)過(guò)程的生產(chǎn)設(shè)備較為簡(jiǎn)單，能量消耗較少，但由于過(guò)高的底物和產(chǎn)物會(huì)給酶帶來(lái)抑制作用和微生物細(xì)胞不能耐受外界溶液過(guò)高的滲透壓，反應(yīng)液的底物和產(chǎn)物濃度不能太高，造成反應(yīng)器體積很大；

4.反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，產(chǎn)物提取困難酶反應(yīng)的專一性強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率高，但成本較高；發(fā)酵過(guò)程應(yīng)用面廣，成本較低，但反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，難以進(jìn)行控制，產(chǎn)物中常含有雜質(zhì)，給提取帶來(lái)困難。

二具體的研究?jī)?nèi)容1.原料預(yù)處理

即底物（酶催化反應(yīng)中的作用物）或培養(yǎng)基(發(fā)酵過(guò)程中的底物及營(yíng)養(yǎng)物，也稱營(yíng)養(yǎng)基質(zhì))的制備過(guò)程，包括原料的物理、化學(xué)加工和滅菌過(guò)程。

2.生物催化劑的制備

生物催化劑是指游離或固定化的活細(xì)胞或酶，微生物是最常用的活細(xì)胞催化劑，酶催化劑則從細(xì)胞中提取出來(lái)。

菌種分離、篩選、選育是生物催化劑制備的關(guān)鍵。重組DNA技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)改造或構(gòu)建新的生物催化劑。固定化酶或固定化細(xì)胞的出現(xiàn)，使生物催化劑能較長(zhǎng)時(shí)期地反復(fù)使用。3.生物反應(yīng)的主體設(shè)備即生物反應(yīng)器，凡反應(yīng)中采用整體微生物細(xì)胞時(shí)，反應(yīng)器則稱發(fā)酵罐；凡采用酶催化劑時(shí)，則稱為酶反應(yīng)器。另還有適用于動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)的裝置。為了設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器并確定其操作方式和操作條件，在發(fā)酵動(dòng)力學(xué)、酶動(dòng)力學(xué)以及傳遞過(guò)程原理的基礎(chǔ)上形成了生化反應(yīng)工程。4.生物化工產(chǎn)品的分離和精制

這一部分常稱下游加工，是生化分離工程的主要內(nèi)容。

主要探討生化工業(yè)中生物制品分離和純化的工程技術(shù)，以及生化分離過(guò)程中一些主要的分離單元操作和分離工程領(lǐng)域的新技術(shù)1）、生產(chǎn)過(guò)程中培養(yǎng)基及生產(chǎn)設(shè)備——的滅菌問(wèn)題；2）、大量空氣的—除菌問(wèn)題；3）、好氧培養(yǎng)過(guò)程中氧的需求及傳遞—通風(fēng)攪拌問(wèn)題；4）、分批培養(yǎng)中的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)或酶動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；5）、生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大問(wèn)題；6）、生物產(chǎn)品的大量提取問(wèn)題；7）、生化反應(yīng)過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)及控制等問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決，對(duì)生物工程特別是基因工程、細(xì)胞工程及酶工程新成果的開(kāi)發(fā)將起著保證的作用，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的發(fā)酵工業(yè)的技術(shù)改造也產(chǎn)生積極的作用。因此，生化工程的研究是整個(gè)生物工程技術(shù)開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化中一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。是生物工程的一個(gè)重要組成部分。生化工程的誕生和發(fā)展：隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生化工程的研究將向以下四個(gè)方面發(fā)展：一是新型生物反應(yīng)器的研究開(kāi)發(fā)及相應(yīng)培養(yǎng)、發(fā)酵技術(shù)的研究；二是新型分離方法和設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)；三是各種描述生物反應(yīng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型的建立；四是生產(chǎn)過(guò)程在線檢測(cè)和控制手段的完善。生物技術(shù)根據(jù)應(yīng)用范圍不同，可分為工業(yè)生物技術(shù)，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)生物技術(shù)三大方面。以生化工程來(lái)說(shuō)，主要是為工業(yè)生物技術(shù)服務(wù)。工業(yè)生物技術(shù)：主要是利用生物催化劑（游離或固定化的細(xì)胞的酶），將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物（包括醫(yī)藥，化工、輕工、食品等產(chǎn)品）的生產(chǎn)過(guò)程—生物生產(chǎn)過(guò)程或用于環(huán)保和能源的過(guò)程。在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)過(guò)程采用游離的整體微生物細(xì)胞時(shí)，一般稱為發(fā)酵過(guò)程（特定條件下，也稱為微生物學(xué)培養(yǎng)或微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程等）。當(dāng)生物催化劑為游離酶或固定化酶時(shí)，此過(guò)程則稱為酶反應(yīng)過(guò)程或酶促反應(yīng)過(guò)程。另外，利用動(dòng)、植物細(xì)胞稱為動(dòng)植物細(xì)胞（組織）的培養(yǎng)過(guò)程。用于進(jìn)行污水處理稱為污水處理過(guò)程。生物生產(chǎn)過(guò)程：生物生產(chǎn)過(guò)程具有以下特點(diǎn)：1）、由于生物催化劑易于失活，易受環(huán)境的影響和雜菌污染，一般不能長(zhǎng)時(shí)間使用，因此以分批培養(yǎng)方式為主；2）、原材料為天然生物物質(zhì)，來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，過(guò)程中的廢物危害較小，但原料成分往往難以控制，給生產(chǎn)控制和產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)一定的困難和影響；3）、與化學(xué)反應(yīng)相比，生產(chǎn)設(shè)備較為簡(jiǎn)單，能量消耗一般也較少，但過(guò)高底物或產(chǎn)物濃度常常導(dǎo)致酶的抑制或細(xì)胞失活；4）、所用的反應(yīng)器體積很大，要求在無(wú)菌條件下進(jìn)行操作；5）、酶反應(yīng)過(guò)程的專一性強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率高，但酶的成本高；6）、發(fā)酵過(guò)程的成本低，應(yīng)用廣，但反應(yīng)周期長(zhǎng)，較難控制，反應(yīng)液中雜質(zhì)多，給分離純化帶來(lái)困難。生化工程的基本內(nèi)容：前面我們討論過(guò)，生化工程研究的是生物反應(yīng)的生產(chǎn)過(guò)程中帶有共性的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)于生物生產(chǎn)過(guò)程中的三大部分，生化工程的基本內(nèi)容也有三個(gè)方面：一是在上游加工過(guò)程中，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。其中的共性問(wèn)題是大規(guī)模的種子培養(yǎng)、酶或細(xì)胞的固定化、如何將這些種子或酶移入生物反應(yīng)器等。另外原料加工后的基質(zhì)或培養(yǎng)基標(biāo)準(zhǔn)化以及滅菌和空氣除菌問(wèn)題；二是在生物反應(yīng)過(guò)程中，有關(guān)的共性問(wèn)題是反應(yīng)器的類型；操作方式及條件的確定；過(guò)程及反應(yīng)器的放大；過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)和控制等問(wèn)題；三是在下游過(guò)程中，主要是研究和開(kāi)發(fā)適用于生物反應(yīng)產(chǎn)品，特別是作為診斷和治療用的活性蛋白質(zhì)、多肽或其它活性物質(zhì)的提取、精制和裝備等內(nèi)容。對(duì)于生產(chǎn)藥品和食品過(guò)程中，還應(yīng)注意符合“優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)規(guī)范”的要求。二、培養(yǎng)基的滅菌和空氣除菌技術(shù)1、培養(yǎng)基的滅菌技術(shù)：工業(yè)上，培養(yǎng)基的滅菌一般都采用蒸汽加熱滅菌，滅菌所需時(shí)間與培養(yǎng)基及其中雜菌的性質(zhì)、含菌量以及滅菌溫度有關(guān)。工業(yè)上常用高溫快速方法進(jìn)行滅菌，以保留更多的營(yíng)養(yǎng)成分。工業(yè)上實(shí)際使用的蒸汽滅菌方法有兩種：1）、實(shí)罐滅菌（即分批滅菌）：將配好的培養(yǎng)基放入發(fā)酵罐，連同發(fā)酵進(jìn)行滅菌。開(kāi)始時(shí)，蒸汽先通過(guò)夾層或蛇管間接加熱，以免過(guò)多的冷凝水稀釋培養(yǎng)基。待罐溫達(dá)到80-90。C時(shí)，可以直接將蒸汽通入培養(yǎng)基，直至達(dá)到滅菌溫度。此時(shí)，有關(guān)閥門(mén)仍適當(dāng)開(kāi)啟，以使蒸汽流動(dòng)暢通，消滅“死角”，并同時(shí)對(duì)附管道進(jìn)行滅菌。滅菌完畢后，應(yīng)及時(shí)通入無(wú)菌空氣使罐內(nèi)維持正壓，然后通過(guò)夾層或蛇管將培養(yǎng)基盡可能快冷卻。2）、連續(xù)滅菌：將配好的培養(yǎng)基先加熱到60-75。C后用泵連續(xù)輸入由蒸汽直接加熱的加熱塔，使在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到滅菌溫度（126-132。C），然后進(jìn)入維護(hù)罐（或維持管）維持3-7分鐘后再進(jìn)入冷卻管，使其冷卻至接種溫度并直接進(jìn)入已事先滅菌過(guò)的發(fā)酵罐內(nèi)。特別指出的是，培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)基的滅菌一般不能用加熱滅菌法。這類培養(yǎng)基采用孔徑小于0.2um的濾膜過(guò)濾除菌。2、空氣除菌技術(shù)工業(yè)上大規(guī)模的無(wú)菌空氣是用過(guò)濾的方法獲得的。用于空氣除菌的過(guò)濾器有兩大類：深層過(guò)濾法：以活性碳等顆粒介質(zhì)和棉花、玻璃棉、合成纖維等纖維狀介質(zhì)堆積或裝填的填充床式過(guò)濾器。這是早期用的過(guò)濾空氣的方法。絕對(duì)過(guò)濾法：利用高分子材料、燒結(jié)金屬或陶瓷制成的濾膜進(jìn)行空氣過(guò)濾。采用孔徑在0.2um左右的濾膜的絕對(duì)過(guò)濾器能達(dá)到“絕對(duì)”除菌的效果?？諝獾念A(yù)處理空氣過(guò)濾的基本原理：目前在生產(chǎn)上還使用深層過(guò)濾器，所采用的介質(zhì)通常是纖維狀物質(zhì)，當(dāng)纖維以一定填充密度置于過(guò)濾器時(shí)，其空隙一般都大于50um，即算是濾紙的空隙一般也超過(guò)0.5um。即大于微生物的大?。ㄇ蚓睆?.5-1um)，因此在這種過(guò)濾器除菌不是真正的“過(guò)濾”。而是靠如下四個(gè)方面共同作用的結(jié)果：1）、慣性作用：指空氣中的顆粒隨著空氣的高整運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，并憑借顆粒本身的質(zhì)量較空氣大，在接近介質(zhì)時(shí)不像空氣哪樣繞過(guò)介質(zhì)，而是靠慣性繼續(xù)前進(jìn)并撞擊在介質(zhì)上而被去除。2）、攔截作用：指部分正對(duì)著介質(zhì)的顆粒隨著空氣流動(dòng)而被介質(zhì)所攔截。3）、擴(kuò)散作用：指小于1um的顆粒所產(chǎn)生的布朗運(yùn)動(dòng)而形成擴(kuò)散，當(dāng)顆粒遇到介質(zhì)后被去除。4）、靜電作用：指當(dāng)顆粒與介質(zhì)具有不同電荷時(shí)的靜電吸引作用，細(xì)胞表面常帶負(fù)電荷。在這四種作用中慣性作用和攔截作用隨著氣流速度的增加而加強(qiáng)；而擴(kuò)散作用和靜電作用則隨著氣流速度的增大而變?nèi)?。若從提高過(guò)濾效果著想，空氣過(guò)濾器的設(shè)計(jì)和操作應(yīng)選擇較高的氣流速度。三、大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)：這一節(jié)內(nèi)容的大部分在前面已作介紹。同學(xué)們自學(xué)。四、生物反應(yīng)器：?jiǎn)栴}：什么是生物反應(yīng)器？生物反應(yīng)器工程研究的內(nèi)容是什么？生物反應(yīng)器：是為細(xì)胞培養(yǎng)（或發(fā)酵）或酶反應(yīng)提供良好的反應(yīng)環(huán)境以完成生物催化反應(yīng)的核心設(shè)備，通常稱為發(fā)酵罐或多酶反應(yīng)器。用于污水生物處理的曝氣池和厭氣消化罐也可作為生物反應(yīng)器。生物反應(yīng)器是生物學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)、操作方式和操作條件對(duì)生物過(guò)程產(chǎn)品的質(zhì)量、轉(zhuǎn)化率和能耗有密切關(guān)系。它研究的內(nèi)容有：1）、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、操作條件與混合、傳質(zhì)、傳熱之間的關(guān)系；2）、生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和放大；3）、在生物反應(yīng)器中進(jìn)行微生物發(fā)酵、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)和酶反應(yīng)結(jié)合反應(yīng)器的類型、生物催化劑和培養(yǎng)液的特征研究生物反應(yīng)器的優(yōu)化操作方法和條件，以及過(guò)程檢測(cè)與控制。（一）、生物反應(yīng)器的類型、結(jié)構(gòu)與操作原理1、反應(yīng)器的類型：根據(jù)催化劑的類型分：酶反應(yīng)器：適用于酶的反應(yīng)器。細(xì)胞反應(yīng)器：分為微生物反應(yīng)器、植物細(xì)胞反應(yīng)器和動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器。對(duì)反應(yīng)器的要求：1）、能維持溫度、PH值和反應(yīng)物濃度的穩(wěn)定；2）、具有良好的傳質(zhì)及混合性能，以便為轉(zhuǎn)化提供最適的條件；3）能防止外界微生物的侵染。2、微生物細(xì)胞反應(yīng)器：微生物細(xì)胞反應(yīng)器通常稱為發(fā)酵罐。對(duì)工業(yè)發(fā)酵罐的要求：1）、有效地防止雜菌及噬菌體的污染。要求內(nèi)壁及管道焊接部位平整，無(wú)裂縫及塌陷，主體構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于清洗，當(dāng)外壓大于內(nèi)壓時(shí)，能防止外部液體及空氣流入反應(yīng)器內(nèi)；2）、發(fā)酵過(guò)程溫度和PH值調(diào)節(jié)等操作方便；3）、對(duì)于好氧發(fā)酵罐來(lái)說(shuō)在攪拌和通風(fēng)過(guò)程中，要求能充分混合并能提高溶氧濃度，促進(jìn)發(fā)酵液散發(fā)，耗能盡可能低。微生物發(fā)酵設(shè)備：固體發(fā)酵設(shè)備（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)少用）；液體發(fā)酵設(shè)備分厭氧發(fā)酵設(shè)備和好氧發(fā)酵設(shè)備。好氧發(fā)酵設(shè)備分：機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐；自吸式發(fā)酵罐；鼓泡塔；氣升式發(fā)酵罐；高位篩板式發(fā)酵罐。3、動(dòng)植物細(xì)胞反應(yīng)器：1）、機(jī)械攪拌細(xì)胞反應(yīng)器：攪拌器有所不同，轉(zhuǎn)速要低得多，常用的攪拌漿有螺旋漿、斜葉漿、帆形漿等；2）、氣升式細(xì)胞反應(yīng)器：與一氣升式發(fā)酵罐沒(méi)有什么差別，只是通氣不宜太劇烈，氣泡不宜太大。一般只適用于植物細(xì)胞和雜交瘤細(xì)胞的培養(yǎng)；3）、中空纖維細(xì)胞反應(yīng)器：

4、固定化酶反應(yīng)器：采用固定化酶進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器稱為固定化酶反應(yīng)器。理想的固定化酶反應(yīng)器要符合如下要求：1）、固相催化劑在反應(yīng)器內(nèi)可實(shí)現(xiàn)均勻分布，反應(yīng)器內(nèi)部各部位之間可不計(jì)變量差異；2）、對(duì)攪拌罐反就器（CSTR）來(lái)說(shuō)，其中流體混合均勻，停留時(shí)間可用平均停留時(shí)間表示；3）、相關(guān)參數(shù)要保持恒定；4）、無(wú)器壁效應(yīng)等。類型：根據(jù)反應(yīng)器進(jìn)出料方式及操作方式的不同分為二大類；批量反應(yīng)器（BSTR）：又稱間歇式酶反應(yīng)器。是一類最簡(jiǎn)單的反應(yīng)器。連續(xù)液流反應(yīng)器分：攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）。此種反應(yīng)器在投入固定化酶和底物后，攪拌反應(yīng)至平恒，再連續(xù)流入底物溶液，同時(shí)以相同的流速輸出反應(yīng)液。本反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)是在理想狀態(tài)下，混合良好