01生物工藝學(xué)第一章緒論.ppt

生物工藝學(xué) 國(guó)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(jì)第四章生物工藝過(guò)程中的無(wú)菌技術(shù)第五章生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第六章發(fā)酵過(guò)程原理第七章生物反應(yīng)器及生物工藝過(guò)程的放大第八章生物反應(yīng)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)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?jī)?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(diǎn)1 1 4生物反應(yīng)的一般過(guò)程1 1 5生物工藝學(xué)的研究?jī)?nèi)容1 2生物技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史1 2 1傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)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(jí)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(guó)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(huì)服務(wù)的技術(shù) 歐洲生物技術(shù)聯(lián)合會(huì)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(dòng)植物細(xì)胞 及其組成物 用于為社會(huì)提供其所需的商品和服務(wù) 國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)對(duì)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(guò)程及環(huán)境保護(hù)的技術(shù) 1 1生物工藝學(xué)及其研究?jī)?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(guò)程技術(shù)手段 按照設(shè)計(jì)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(diǎn) 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(diǎn) 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(lái)源豐富 價(jià)格低廉 過(guò)程中廢物的危害性小 但由于原料成分難以控制 會(huì)給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)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(jiǎn)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(duì)產(chǎn)物分離提純困難 1 1 4生物反應(yīng)的一般過(guò)程 將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)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(guò)程 常稱為生化反應(yīng)過(guò)程 也稱為生物反應(yīng)過(guò)程 其實(shí)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(guò)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(guò)程的種類和規(guī)模都在不斷地?cái)U(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(guò)程 采用游離酶或固定化酶為催化劑時(shí)的反應(yīng)過(guò)程 稱為酶催化反應(yīng)過(guò)程 細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程 采用活細(xì)胞為催化劑時(shí)的反應(yīng)過(guò)程 包括微生物發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程 固定化細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程和動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程 廢水的生物處理過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程分為如下五種類型 2 利用微生物從簡(jiǎn)單營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成有用產(chǎn)品 包括初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)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(guò)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(guò)程分為如下五種類型 4 利用酶制劑或非生長(zhǎng)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(guò)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?jī)?nèi)容 生物工藝學(xué)主要研究生物反應(yīng)過(guò)程中具有普遍意義的工藝技術(shù)問(wèn)題 以探討生物產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的共性為目的 從工藝角度闡明細(xì)胞生長(zhǎng)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(guò)程的優(yōu)化提供理論依據(jù) 1 2生物技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 1 2 1傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)制造技術(shù) 天然發(fā)酵階段 我國(guó)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(jí)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(shí)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(gè)時(shí)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(diǎn)是 大多數(shù)為嫌氣發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)物 產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 屬于初級(jí)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(guò)細(xì)心的操作而實(shí)現(xiàn)的 生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單 生產(chǎn)設(shè)備相對(duì)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(gè)抗生素 這一時(shí)期生物技術(shù)的特點(diǎn)是 產(chǎn)品類型多 不但有初級(jí)代謝產(chǎn)物 也出現(xiàn)了次級(jí)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(guò)程中通入無(wú)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(guò)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(shuō) 這一階段是常規(guī)發(fā)酵工業(yè)的全盛時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌間性狀的轉(zhuǎn)移 同時(shí)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(cè)序技術(shù)誕生 1982年 用DNA重組技術(shù)生產(chǎn)的第一個(gè)動(dòng)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(xiàng)技術(shù)上的革命 帶動(dòng)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(shí)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(guò)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(duì)植物優(yōu)良品種進(jìn)行大量的快速無(wú)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(shí)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(jià)值的次生代謝產(chǎn)物 胡蘿卜快速無(wú)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(dòng)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(dòng)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(dòng)物免疫疾病的快速診斷 轉(zhuǎn)基因超級(jí)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(lái)自微生物或酶對(duì)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(chǎng) 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(cè)系統(tǒng)以及DNA和RNA探針技術(shù) 免疫測(cè)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(cè) 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(zhǎng)激素 干擾素 生長(zhǎng)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(chǎng) 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(lái)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(jià)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(zhǎng)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(jià)的方法 以提煉越來(lái)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(guò)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(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)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(guò)微生物發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是廢物利