生化工程教學(xué)課件

生化工程匯報(bào)人：AA2024-01-25contents目錄生化工程概述生化反應(yīng)原理與技術(shù)生物分離純化技術(shù)生物轉(zhuǎn)化與合成策略發(fā)酵過程優(yōu)化與控制典型案例分析01生化工程概述定義與發(fā)展歷程定義生化工程是應(yīng)用生物化學(xué)和工程學(xué)的原理和方法，研究和開發(fā)用于生產(chǎn)生物制品、轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源、治理環(huán)境污染等領(lǐng)域的工程技術(shù)的總稱。發(fā)展歷程生化工程起源于20世紀(jì)初的生物化學(xué)和微生物學(xué)領(lǐng)域，隨著基因工程、細(xì)胞工程等技術(shù)的快速發(fā)展，生化工程逐漸成為一個(gè)新興的交叉學(xué)科。生化工程的研究領(lǐng)域包括基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、酶工程、生物分離工程等。生化工程對(duì)于解決人類面臨的資源、能源、環(huán)境等問題具有重要意義，如開發(fā)新能源、生產(chǎn)高附加值生物制品、治理環(huán)境污染等。研究領(lǐng)域及意義意義研究領(lǐng)域

與其他工程領(lǐng)域關(guān)系與化學(xué)工程關(guān)系生化工程與化學(xué)工程在工藝原理、設(shè)備設(shè)計(jì)等方面有很多相似之處，但生化工程更注重生物體系的特性和復(fù)雜性。與生物工程關(guān)系生物工程是生化工程的重要分支，主要研究生物體系的分子和細(xì)胞水平上的操作和調(diào)控，而生化工程則更注重實(shí)際應(yīng)用和工程技術(shù)開發(fā)。與環(huán)境工程關(guān)系生化工程在環(huán)境工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如廢水處理、垃圾填埋氣治理等，通過生物技術(shù)的手段實(shí)現(xiàn)環(huán)境的凈化和修復(fù)。02生化反應(yīng)原理與技術(shù)酶作為生物催化劑，具有高效催化作用和專一性，能夠加速特定化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，提高反應(yīng)速率和選擇性。酶的高效性和專一性酶具有特定的空間構(gòu)象，通過降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)易于進(jìn)行。酶的活性中心與底物結(jié)合，形成酶-底物復(fù)合物，從而催化反應(yīng)的進(jìn)行。酶的結(jié)構(gòu)與功能酶催化反應(yīng)遵循米氏方程，反應(yīng)速率受底物濃度、酶濃度、溫度、pH等因素的影響。通過調(diào)節(jié)這些因素，可以優(yōu)化酶催化反應(yīng)的效果。酶催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)酶催化反應(yīng)原理細(xì)胞培養(yǎng)的基本原理01細(xì)胞培養(yǎng)是指在人工模擬體內(nèi)環(huán)境的條件下，使細(xì)胞生長、繁殖并維持其結(jié)構(gòu)和功能的一門技術(shù)。細(xì)胞培養(yǎng)的基本原理包括細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化和細(xì)胞凋亡等。細(xì)胞培養(yǎng)的類型02根據(jù)培養(yǎng)細(xì)胞的來源和性質(zhì)，細(xì)胞培養(yǎng)可分為原代培養(yǎng)、傳代培養(yǎng)和細(xì)胞系培養(yǎng)等類型。不同類型的細(xì)胞培養(yǎng)具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。細(xì)胞培養(yǎng)的條件和影響因素03細(xì)胞培養(yǎng)需要適宜的營養(yǎng)物質(zhì)、溫度、pH、滲透壓和無菌環(huán)境等條件。同時(shí)，細(xì)胞培養(yǎng)的效果受細(xì)胞來源、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)條件等多種因素的影響。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)基因工程的基本原理基因工程是指通過改變生物體的遺傳物質(zhì)來創(chuàng)造新的生物性狀或生產(chǎn)有用的生物產(chǎn)品的技術(shù)。基因工程的基本原理包括DNA重組技術(shù)、基因克隆和基因表達(dá)等?；蚬こ淘谏こ讨械膽?yīng)用基因工程在生化工程中的應(yīng)用主要包括優(yōu)化生物催化劑、生產(chǎn)重組蛋白和抗體、改造生物代謝途徑等。通過基因工程技術(shù)，可以構(gòu)建高效表達(dá)特定蛋白的工程菌或細(xì)胞系，提高生物產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。基因工程技術(shù)的挑戰(zhàn)與前景盡管基因工程技術(shù)在生化工程中取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，如基因表達(dá)的穩(wěn)定性、安全性問題和倫理道德問題等。未來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，基因工程技術(shù)將在生化工程中發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)生物產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展?；蚬こ碳夹g(shù)在生化工程中應(yīng)用03生物分離純化技術(shù)通過加入中性鹽使蛋白質(zhì)等生物大分子溶解度降低而沉淀析出。鹽析法有機(jī)溶劑沉淀法選擇性沉淀法利用有機(jī)溶劑使生物大分子溶解度降低而沉淀析出。利用某些試劑選擇性地沉淀某些成分，如核酸、多糖等。030201沉淀法分離純化技術(shù)利用吸附劑對(duì)生物大分子的吸附能力不同進(jìn)行分離純化。吸附色譜法利用生物大分子在固定相和流動(dòng)相中的分配系數(shù)不同進(jìn)行分離純化。分配色譜法利用離子交換劑與生物大分子之間的離子交換作用進(jìn)行分離純化。離子交換色譜法色譜法分離純化技術(shù)超濾膜分離技術(shù)納濾膜分離技術(shù)反滲透膜分離技術(shù)膜蒸餾技術(shù)膜分離技術(shù)在生化工程中應(yīng)用01020304利用超濾膜對(duì)生物大分子的截留作用進(jìn)行分離純化。利用納濾膜對(duì)生物大分子的選擇性透過作用進(jìn)行分離純化。利用反滲透膜對(duì)生物大分子的高截留作用進(jìn)行分離純化。利用膜蒸餾原理對(duì)生物大分子進(jìn)行分離純化。04生物轉(zhuǎn)化與合成策略利用微生物的代謝活動(dòng)，將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物，如酒精、抗生素等。發(fā)酵工程通過改變微生物的遺傳物質(zhì)，使其具有生產(chǎn)特定化合物的能力，如重組蛋白、酶等?；蚬こ虄?yōu)化微生物的代謝途徑，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量和純度，如氨基酸、有機(jī)酸等。代謝工程微生物轉(zhuǎn)化策略固定化培養(yǎng)將植物細(xì)胞或組織固定在固體支持物上，提供適宜的營養(yǎng)和環(huán)境條件，促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物的合成。懸浮培養(yǎng)將植物細(xì)胞或組織置于液體培養(yǎng)基中，通過不斷攪拌和通氣，使其保持懸浮狀態(tài)進(jìn)行生長和合成?；蜣D(zhuǎn)化通過基因工程技術(shù)，將外源基因?qū)胫参锛?xì)胞或組織中，使其具有生產(chǎn)特定化合物的能力。植物細(xì)胞培養(yǎng)合成策略03基因編輯利用CRISPR-Cas9等基因編輯技術(shù)，對(duì)動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行基因修飾，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的合成和分泌。01貼壁培養(yǎng)將動(dòng)物細(xì)胞接種在培養(yǎng)瓶或培養(yǎng)皿中，使其貼附在固體支持物上生長和繁殖。02懸浮培養(yǎng)將動(dòng)物細(xì)胞置于液體培養(yǎng)基中，通過不斷攪拌和通氣，使其保持懸浮狀態(tài)進(jìn)行生長和合成。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)合成策略05發(fā)酵過程優(yōu)化與控制溫度是影響發(fā)酵過程的重要因素，過高或過低的溫度都會(huì)影響酶的活性和微生物的生長速率。溫度pH值的變化會(huì)影響微生物的生長和代謝產(chǎn)物的合成，因此需要嚴(yán)格控制發(fā)酵液的pH值。pH值溶氧是需氧發(fā)酵過程中的關(guān)鍵因素，溶氧濃度的高低直接影響微生物的生長和代謝。溶氧合適的營養(yǎng)物濃度是微生物正常生長和代謝的基礎(chǔ)，過高或過低的營養(yǎng)物濃度都會(huì)影響發(fā)酵過程。營養(yǎng)物濃度發(fā)酵過程影響因素分析遺傳算法通過模擬自然進(jìn)化過程，對(duì)發(fā)酵過程的參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行建模和優(yōu)化。模糊控制運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)發(fā)酵過程中的不確定因素進(jìn)行模糊化處理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。發(fā)酵過程優(yōu)化方法探討分段控制前饋控制反饋控制多變量控制發(fā)酵過程控制策略制定根據(jù)發(fā)酵過程的不同階段，制定相應(yīng)的控制策略，以滿足不同階段的需求。根據(jù)發(fā)酵過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對(duì)控制策略進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)反饋控制。通過對(duì)發(fā)酵過程中關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)測，提前采取相應(yīng)的控制措施，實(shí)現(xiàn)前饋控制。綜合考慮多個(gè)因素對(duì)發(fā)酵過程的影響，制定相應(yīng)的多變量控制策略，實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化。06典型案例分析通過特定的微生物在發(fā)酵罐中進(jìn)行培養(yǎng)，產(chǎn)生抗生素類物質(zhì)。微生物發(fā)酵利用物理和化學(xué)方法將發(fā)酵液中的抗生素分離出來，并進(jìn)行純化。分離純化將純化的抗生素進(jìn)行制劑加工，制成適合臨床使用的藥物劑型。制劑加工抗生素類藥物生產(chǎn)過程剖析氨基酸提取通過特定的方法將原料中的氨基酸提取出來，如離子交換、萃取等。精制與結(jié)晶對(duì)提取的氨基酸進(jìn)行精制和結(jié)晶，得到高純度的氨基酸產(chǎn)品。原料處理將含蛋白質(zhì)豐富的原料進(jìn)行預(yù)