生化反應(yīng)工程緒論版

1、生物化學(xué)反應(yīng)工程 Biochemical Reaction Engineering2009年09月1 第一章 緒 論 Ch 1 Introduction生物技術(shù)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的生化反應(yīng)工程 2知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代 六大技術(shù)組成的高技術(shù)群支撐： 生物技術(shù)、信息技術(shù)、新材料技術(shù)、 新能源技術(shù)、海洋技術(shù)、航空航天技術(shù)。 3 生物技術(shù)是六大高新技術(shù)之首； 生物技術(shù)是世界各國(guó)普遍關(guān)注和重視 的熱點(diǎn)。42005年全球生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值633.1億美元，增長(zhǎng)了15.9%，投資高達(dá)320億美元，其中美國(guó)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-

2、杜郎北卡羅來(lái)納州西雅圖-塔柯瑪-布雷默頓華盛頓州紐約-北新澤西-長(zhǎng)島紐約州、新澤西州費(fèi)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(guó)9大生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群5中國(guó)政府高度重視生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2009年6月，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論并原則通過促進(jìn)生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策。會(huì)議認(rèn)為，必須抓住世界生物科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的機(jī)遇，將生物產(chǎn)業(yè)培育成為我國(guó)高技術(shù)領(lǐng)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(diǎn)，大力發(fā)展現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)。促進(jìn)生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策的頒布，標(biāo)志著我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)已步入快速發(fā)展期。6生物技術(shù)對(duì)解決當(dāng)今社會(huì)發(fā)展

3、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。 The Biotechnology Century7Biochemical engineering may be loosely defined as the use of living organisms, or part of them (for example, enzymes), for the production of chemical or biological materials or the development of new processes.8化學(xué) 生物 生物化學(xué)反應(yīng)工程生物化學(xué)工程

4、 化學(xué)工程生物工程生物化學(xué)反應(yīng)工程基因工程現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化9A Brief History of Biochemical engineering 經(jīng)驗(yàn)生化工程時(shí)期（人類出現(xiàn)到19世紀(jì)中期） 近代生化工程建立時(shí)期 （19世紀(jì)50年代到20世紀(jì)40年代） 近代生化工程全盛時(shí)期 （20世紀(jì)40年代到20世紀(jì)70年代末） 現(xiàn)代生化工程建立和發(fā)展時(shí)期 （從20世紀(jì)70年代末開始）10 公元前40003000年： 酒、醋（vinegar = vin +nargre）釀造 （埃及人） 公元前2000年： 葡萄酒釀造 （希伯來(lái)人） 公元前60005000年：中國(guó)開始釀酒 公元前25世紀(jì)：黃帝與岐伯談?wù)擋?夏

5、代：儀狄釀酒 公元前14世紀(jì)： 若作酒醴，爾唯曲蘗（詩(shī)經(jīng)） 11遠(yuǎn)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12我國(guó)古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫像）13公元前2300年左右，埃及人釀制啤酒的場(chǎng)面（某金字塔壁畫）豐富多彩的酒文化14 16世紀(jì)發(fā)明顯微鏡。1897年Buchner提出酶理論，對(duì)發(fā)酵機(jī)制開始認(rèn)識(shí)。發(fā) 酵 ： 有機(jī)化合物能同時(shí)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(xué)） 微生物在無(wú)外源電子受體時(shí)，通過部 分 氧化有機(jī)化合物而獲得產(chǎn)物并釋放 少量能量的過程。（微生物學(xué)） 任何通過大規(guī)模培養(yǎng)微生物來(lái)生產(chǎn)產(chǎn) 品的過

6、程 15生化工程的幾個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn) 第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：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(guó)，酵母 發(fā)酵生產(chǎn)甘油。當(dāng)時(shí)每月生產(chǎn) 1000T。目前，美國(guó)仍采用耐 高滲酵母大規(guī)模生產(chǎn)甘油。16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pH3.54.5以及厭氧的條件下發(fā)生。乙醇脫氫酶17當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會(huì)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(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+

7、 此時(shí)也由磷酸二羥丙酮擔(dān)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+2CO218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 19酵母菌的第三型發(fā)酵 當(dāng)酵母在堿性條件(pH 7.6)進(jìn)行發(fā)酵，二個(gè)分子 乙醛起歧化反應(yīng)，相互氧化還原，生成等量的乙醇和乙酸 20第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)： 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(chǔ) 液體深層培養(yǎng)需解決的兩個(gè)問題： 供 氧：高效通氣攪拌供氧問題， 無(wú)菌空氣過濾技術(shù) 純種培養(yǎng)：大型發(fā)酵罐培養(yǎng)基滅菌技術(shù)， 發(fā)酵罐防雜菌污染技術(shù)等 目前，大型化、高

8、效、自動(dòng)化、多樣化。 基本操作模式?jīng)]有變21第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：切斷支路代謝轉(zhuǎn)折點(diǎn)， 酶活力調(diào)控，酶合成調(diào)控（反饋控 制與反饋?zhàn)瓒簦┙獬w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(yīng)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(xì)胞內(nèi)的一系列生化反應(yīng)過程。22發(fā)酵的人工控制最大限度的積累對(duì)人類有用的代謝產(chǎn)物措施 改變微生物細(xì)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、

9、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23代謝的人工控制 改變膜的透性 改變細(xì)胞膜的透性，使谷氨酸迅速排放到細(xì)胞外面，解除谷氨酸的抑制作用。抑制葡萄糖中間產(chǎn)物-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24抑制黃色短桿菌合成賴氨酸的途徑天冬氨酸中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物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25O2： 如：酵母菌在有氧條件下大量繁殖，在無(wú)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(shí)，生 成的產(chǎn)物是乳酸或是琥珀酸。C：N 如在谷氨酸發(fā)

10、酵過程中，當(dāng)培養(yǎng)基中C： N=4：1時(shí)，菌體大量繁殖而產(chǎn)生谷氨酸少； 當(dāng)C：N=3：1時(shí)，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26 近代轉(zhuǎn)折點(diǎn)： 基因、動(dòng)物、海洋。 增加微生物控制代謝產(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(dòng)、植物； 海洋微生物技術(shù)。海洋：復(fù)雜的生態(tài)大系統(tǒng)、環(huán)境條件復(fù)雜多變 、孕育了約 陸地微生物20倍以上的海洋微生物物種27組合生物合成：根據(jù)微生物的多樣性和次級(jí)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(bǔ)形成高水平或新結(jié)構(gòu)化合物的多酶體系來(lái)生產(chǎn)人類需要的物質(zhì)。28 Traditional Biochemi

11、cal engineering Modern 29 目前能廣泛接受的-國(guó)際合作及發(fā)展組織的定義 生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠微生物、動(dòng)物、植物體作為反應(yīng)器將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品來(lái)為社會(huì)服務(wù)的技術(shù)。 從這個(gè)定義中，可歸納出生物技術(shù)三個(gè)特點(diǎn)： 1）生物技術(shù)的多學(xué)科性和綜合性 2）微生物、動(dòng)植物體或酶作為催化劑，有別于化學(xué)催化劑 3）最終目的將生物反應(yīng)開發(fā)成為工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程， 即生物反應(yīng)過程（Bioprocess）?，F(xiàn)代生物技術(shù)30 2、現(xiàn)代生物技術(shù)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(xué)的基礎(chǔ) （1973）Boyer和Cohe

12、n-發(fā)明了DNA目的基因重組技術(shù) -DNA重組技術(shù)在很大程度上得益于分子生物學(xué)、 微生物遺傳學(xué)和核酸酶學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展 反過來(lái)DNA重組技術(shù)的逐步成熟和發(fā)展 -對(duì)生命科學(xué)的許多領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響 -成為20世紀(jì)以來(lái)發(fā)展最快的學(xué)科之一 -而受DNA重組技術(shù)影響最為深刻的是生物技術(shù)， -完成了從傳統(tǒng)生物技術(shù)向現(xiàn)代生物技術(shù)的飛躍 現(xiàn)代生物技術(shù)是隨著DNA重組技術(shù)的發(fā)展而提出來(lái)313.對(duì)現(xiàn)代生物技術(shù)的理解 現(xiàn)代生物技術(shù)-是如何利用DNA重組技術(shù) -把它作為有效手段 -并非DNA重組技術(shù)就是現(xiàn)代生物技術(shù) 僅僅有DNA重組技術(shù)實(shí)現(xiàn)不了生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化4.現(xiàn)代生物技術(shù)的內(nèi)涵 根據(jù)當(dāng)前生物技術(shù)的發(fā)展，給現(xiàn)代

13、生物技術(shù)下一個(gè)定義： 32 現(xiàn)代生化工程（生物技術(shù)）： 以DNA重組為主要手段，依靠清潔、經(jīng)濟(jì)的生 物反應(yīng)器（bioreactor）,利用可再生性資源 （renewable resource）加工人類所需產(chǎn)品的具有 可持續(xù)發(fā)展 （sustainable development）特性 的技術(shù)。33幾個(gè)概念之間的異同： 國(guó)外，生物工程（bioengineering）一般指醫(yī)學(xué)工程（medical engineering）、農(nóng)業(yè)工程（agricultural engineering）、環(huán)境工程（environmental engineering）、衛(wèi)生工程（sanitary engineering）

14、、人體功能工程（body function engineering）等的總稱，特點(diǎn)是不涉及化學(xué)催化反應(yīng)（chemocatalytic reaction）過程，而僅僅是生物過程（biological process）與物理過程（physical process）的結(jié)合。生物技術(shù)（biotechnology，又名生物工藝學(xué)）則涉及的是生物催化反應(yīng)（biocatalytic reaction）過程。國(guó)外已經(jīng)將生物技術(shù)與生物工程區(qū)分開。34 國(guó)內(nèi)，一般生物工程理解為一個(gè)廣義的概念。 因?yàn)楣こ淌侵父鶕?jù)科學(xué)原理和有關(guān)技術(shù)，組合 出高效、合理的具有一定結(jié)構(gòu)的技術(shù)系統(tǒng) （technological syste

15、m）；而技術(shù)（technique）泛 指根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)原理發(fā)展而成各種工藝操 作方法和技能。35生物技術(shù)的多學(xué)科性示意圖361、產(chǎn)業(yè)化（Industrialization）-技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)化過程 -目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量 -市場(chǎng)需求 -可商業(yè)化程度2、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化-當(dāng)今生物高技術(shù)研究成果的必然 -生物技術(shù)具有顯示強(qiáng)大生命力體現(xiàn) -涉及領(lǐng)域極其廣泛（太空、海洋）3、生化工程重點(diǎn)研究生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中瓶頸問題 -保證生物加工工藝設(shè)備條件，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量 -技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀念貫穿于生化工程研究始末，降低成本生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化與生物化學(xué)工程37生物化學(xué)工程與生物技術(shù)上中下游關(guān)系1、生物技術(shù)的上、中、下游過程生物反應(yīng)

16、器-作為生物反應(yīng)過程的中心 即中游加工 -反應(yīng)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(yīng)用常規(guī)選育、基因工程、細(xì)胞工程和酶工程手段獲得優(yōu)良菌株、細(xì)胞系或固定化的菌體等38FERMENTATIONProcess ControlBiotechnology上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES生物技術(shù)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39UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development media

17、 formulation sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程Biotechnology40DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatmentby product recoveryFERMENTATIONProcess Control下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16Biot

18、echnology41菌種篩選搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)42l 下游加工-從反應(yīng)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(yīng)器為中心 生物化學(xué)工程-包括中、下游兩部分43生物化學(xué)工程學(xué)科-研究生物反應(yīng)過程中共性工程技術(shù)問題-為生物工程服務(wù)的化學(xué)工程-它既可視為化學(xué)工程的一個(gè)分支-又可認(rèn)為是生物工程的一個(gè)組成部分-生化工程為生物學(xué)和化學(xué)工程的紐帶441、基本概念科學(xué)-探討是什么？發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、認(rèn)識(shí)自然技術(shù)-解決如何做？工程-根據(jù)科學(xué)原理和有關(guān)技術(shù)，組合出高效、 合理的一定結(jié)構(gòu)的技術(shù)系統(tǒng)工程概念理解與生物化學(xué)工程452、工程學(xué)家的角色 科學(xué)-粘合劑 技術(shù)-各種材料 工程學(xué)家象藝術(shù)家一樣 -如

19、何利用好它們雕塑成一副工藝品 工程學(xué)家也類似于音樂家一樣 -把七個(gè)音符組合出優(yōu)美的樂曲 46工藝品或樂曲-必須具有市場(chǎng) -產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值 -要有經(jīng)濟(jì)學(xué)家的頭腦 要把科學(xué)原理、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合考慮 -也有哲學(xué)家的思維 工程學(xué)家-組合藝術(shù)47 總之，工程學(xué)家 -即要具有藝術(shù)家的眼光 -又要有哲學(xué)家的思維 -還要有經(jīng)濟(jì)學(xué)家的頭腦 -同時(shí)具有科學(xué)家的知識(shí) 說明工程學(xué)家-重要 不容易48 3、科學(xué)與工程發(fā)展歷程 科學(xué)最早由哲學(xué)家提出 -進(jìn)行研究 -得出規(guī)律-成為科學(xué)。 而工程學(xué)是慢慢的發(fā)展而來(lái)的 494、自然科學(xué)家與工程科學(xué)家的比較 科學(xué)家按學(xué)科分類，根據(jù)結(jié)果分析、嚴(yán)格理論推導(dǎo) -分解的觀點(diǎn) 工程師面對(duì)實(shí)際

20、問題的綜合性的、多學(xué)科 -靠工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，半理論、半經(jīng)驗(yàn)性的 -系統(tǒng)性、整體性的觀點(diǎn)50生命現(xiàn)象的本質(zhì)？生命活動(dòng)的規(guī)律？19世紀(jì)：細(xì)胞是生命的基本單位細(xì)胞學(xué)說：細(xì)胞是動(dòng)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(xì)胞為基礎(chǔ)表達(dá)的生命本質(zhì)理解與生物化學(xué)工程51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(wú)功能活性）翻譯生命活動(dòng)的分子基礎(chǔ)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(chǔ)，細(xì)胞和有機(jī)體所有生命活動(dòng)都是以這些生物大分子及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)構(gòu)與功能分子生物學(xué)：21世紀(jì)生物學(xué)的主流52生命是什么？無(wú)序與有序問題 在自然科學(xué)中，生命科學(xué)-非生命科學(xué) 一直存在一條

21、鴻溝 非生命過程-按照克勞修斯熱力學(xué)第二定律 -認(rèn)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(gè)自然界永遠(yuǎn)只能從有序走向無(wú)序， -這就完全排除了從無(wú)序走向有序的可能性。 -存在著從無(wú)序向有序、從低級(jí)向高級(jí)發(fā)展的過程 -是一個(gè)熵減少的過程 這就激勵(lì)許多理論物理學(xué)家研究生命現(xiàn)象53 如40年代理論物理學(xué)家薛定鄂-生命是什么 - 指出生命過程是熵減少，是負(fù)熵。 68年比利時(shí) 普里高津-從非平衡熱力學(xué)理論出發(fā) -提出耗散結(jié)構(gòu)理論 -嚴(yán)格證明了遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的開放系統(tǒng)中 -過程的復(fù)雜性特征可自然產(chǎn)生穩(wěn)定的自組織行為 -從無(wú)序演化出時(shí)空上的有序結(jié)構(gòu) 負(fù)熵概念和耗

22、散結(jié)構(gòu)理論 -讓人們加深對(duì)生命科學(xué)有序性的理解54時(shí)間可逆與不可逆問題-非線性問題 牛頓力學(xué)的“決定論”和嚴(yán)格的“因果關(guān)系” -影響到自然科學(xué)的全部思維方式 -解決了自然科學(xué)許多重大課題 -又發(fā)展了量子論和相對(duì)論-引向微觀世界和整個(gè)宇宙。 而牛頓力學(xué)、量子論和相對(duì)論的時(shí)間卻是可逆的 在生命科學(xué)中-時(shí)間不可逆 -一切生物從出生到死亡是不可逆的 -也就是說時(shí)間是不可逆的，是單方向的 為什么？ -主要是由于生命科學(xué)極其復(fù)雜的-非線性過程 -非線性是生命科學(xué)中帶有根本性的、普遍性的問 題，是生物系統(tǒng)所固有的動(dòng)態(tài)屬性 非線性-已經(jīng)成為當(dāng)今自然科學(xué)基礎(chǔ)理論研究的重大課題55生命的本質(zhì)問題 因此，生命科學(xué)的

23、基本特征 -是生命過程的有序性和非線性 -是整個(gè)生物界之所以能在這錯(cuò)綜紛繁的世界中不斷生 衍繁殖、不斷進(jìn)化發(fā)展的根本因素 -也是沖擊其他自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)不斷更新發(fā)展的動(dòng)力。 生物學(xué)是一門最廣、最古老，但也是年輕的學(xué)科， -古老 -仍是生與死的問題 -年輕 -是典型的非線性問題56生命本質(zhì)活體 工程裝置 生物學(xué)工程學(xué) 57生物催化反應(yīng)過程： 微生物培養(yǎng)、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)、污水的生化處理、生物技術(shù)提取天然產(chǎn)物等均為生物反應(yīng)過程（生化工程）。 分類： 生物催化劑是酶： 酶反應(yīng)過程 生物催化劑是生物細(xì)胞：發(fā)酵過程58生物反應(yīng)過程由四個(gè)部分組成： 原材料的預(yù)處理及培養(yǎng)基的制備 生物催化劑的制備 生物反應(yīng)

24、器及反應(yīng)條件的選擇 產(chǎn)品的分離純化59生物反應(yīng)過程（bioprocess）的特點(diǎn)：60生物反應(yīng)過程的特點(diǎn)： 生產(chǎn)過程通常在常溫下進(jìn)行，操作條件溫和， 不需要考慮防爆問題，一種設(shè)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(yīng)過程是以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行 的，多個(gè)反應(yīng)像一個(gè)反應(yīng)一樣，可在單一設(shè)備 中進(jìn)行； 易于進(jìn)行復(fù)雜的高分子化合物的生產(chǎn)，如酶、 光學(xué)活性體等61 能高度選擇性地進(jìn)行復(fù)雜化合物在特定部 位的反應(yīng)，如氧化、還原、官能團(tuán)導(dǎo)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(huì)對(duì)人和動(dòng)物造成危害； 生產(chǎn)過程中需要注意防止雜菌

25、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(shè) 備投資的條件下，利用原有的生產(chǎn)設(shè)備使 生產(chǎn)能力飛躍上升。62 生物過程工程（bioprocess engineering）基本概念 盡管生物過程所生產(chǎn)的產(chǎn)品性質(zhì)（product characteristics）、加工方法（processing method）、工藝流程（technological flow）以及設(shè)備型式（equipment type）等完全不同，甚至差異很大。但卻有共同點(diǎn)，即從原料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，均包括一系列生物反應(yīng)過程、化學(xué)反應(yīng)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(yīng)過程是具有

26、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(yīng)過程服務(wù)的。63工程理念： 工程學(xué)：研究工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)規(guī)律性的科 學(xué)，實(shí)際上是探索如何有效地在合理的生產(chǎn) 設(shè)備將原料轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)產(chǎn)品的科學(xué)。 據(jù)此，對(duì)待任何工程問題，均需有以下四種工程 理念（engineering thought）： 理論上的正確性（valid theory） 技術(shù)上的可行性（technical feasibility） 操作上的安全性（safety operation） 經(jīng)濟(jì)上的合理性（economical rationality）（核心） 64生物反應(yīng)過程應(yīng)關(guān)注的普遍性問題： 目的產(chǎn)物中心觀點(diǎn) 能量最小的觀點(diǎn) 細(xì)胞

27、經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)矛盾的觀點(diǎn)65目的產(chǎn)物中心的觀點(diǎn) 為提高產(chǎn)物對(duì)原料的轉(zhuǎn)化率（transformation rate），要求關(guān)注生物反應(yīng)代謝過程和培養(yǎng)產(chǎn)物分離純化兩個(gè)方面。對(duì)于前者，要促進(jìn)細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；減少與目的產(chǎn)物形成無(wú)關(guān)的代謝支流，使各個(gè)分支的物質(zhì)相對(duì)集中流向目的產(chǎn)物；消除目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑。在設(shè)計(jì)育種（breeding）和生物反應(yīng)工藝控制中要建立該工程理念。 對(duì)于后者的單元操作，應(yīng)根據(jù)質(zhì)量守恒定律（law of mass conservation）對(duì)目的產(chǎn)物進(jìn)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66能量最小的觀點(diǎn) 在細(xì)胞代謝

28、（cell metabolism）和生產(chǎn)過程中均消耗一定能量，并以不同形式提供。對(duì)于細(xì)胞代謝，生物能（biological energy）是細(xì)胞獨(dú)立自主生活的基礎(chǔ)，每個(gè)細(xì)胞都有能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，此亦是生物技術(shù)工業(yè)具有生物學(xué)屬性的重要體現(xiàn)。在控制細(xì)胞代謝中，可通過減少支流途徑（by-pass path）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(duì)于生產(chǎn)過程，可根據(jù)能量守恒定律（law of energy conservation）和能量系統(tǒng)集成（integrated energy system）技術(shù)進(jìn)行衡算，減少生產(chǎn)過程中的能量消耗。67細(xì)胞經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)矛盾的觀點(diǎn) 生物進(jìn)化（bio

29、logical evolution），細(xì)胞形成了越來(lái)越完善的代謝調(diào)節(jié)（metabolic regulation）機(jī)制，使細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的代謝反應(yīng)高度有序進(jìn)行。故，細(xì)胞平衡生長(zhǎng)不會(huì)有代謝產(chǎn)物（metabolites）積累。細(xì)胞經(jīng)濟(jì)（cell economy）。細(xì)胞過量生產(chǎn)目的產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞來(lái)講不經(jīng)濟(jì)。要獲得細(xì)胞代謝產(chǎn)物的過量生產(chǎn)，一是要改變細(xì)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(dá)代謝產(chǎn)物的細(xì)胞是“病態(tài)”細(xì)胞。工業(yè)上利用“病態(tài)”細(xì)胞的不經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)對(duì)人類經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。68生化工程中涉及到的工程學(xué)基本概念： 恒算概念 速率概念 最優(yōu)化概念 技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念 上游生物技術(shù)工程化概念

30、 細(xì)胞代謝和培養(yǎng)工藝過程一體化概念69衡算概念 通過質(zhì)量衡算、熱量衡算、動(dòng)量衡算達(dá)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(jìn)行物料衡算，運(yùn)用此概念分析和解決工程問題；根據(jù)能量守恒定律進(jìn)行工程過程的系統(tǒng)能量衡算，達(dá)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(dòng)量衡算概念是保證技術(shù)上可行性和經(jīng)濟(jì)上合理性的重要工程措施和環(huán)節(jié)。70速率概念 速率問題是理論上正確性和技術(shù)上可行性的一個(gè)重要衡量標(biāo)志和判斷標(biāo)準(zhǔn)，也是技術(shù)先進(jìn)性的反映，更是生物反應(yīng)工藝、工程探索結(jié)果的表現(xiàn)。 一般來(lái)講，過程速率與過程推動(dòng)力（driving force）成正比，與過程阻力成反比。即： 過程速率f（過程推動(dòng)率/過

31、程阻力）71最優(yōu)化概念 生物技術(shù)反應(yīng)過程優(yōu)化中，目前主要采用基于動(dòng)力學(xué)（kinetics）的最佳工藝控制點(diǎn)為依據(jù)的靜態(tài)（static state）操作方法，是化學(xué)工程宏觀動(dòng)力學(xué)概念在發(fā)酵工程（fermentation technology）上的延伸?，F(xiàn)在，以細(xì)胞代謝流分析與控制為核心的生物反應(yīng)最優(yōu)化觀點(diǎn)正日益受到重視。生物反應(yīng)過程中的基因、細(xì)胞、工程三個(gè)水平上進(jìn)行過程優(yōu)化。從單元操作到系統(tǒng)工程，從宏觀經(jīng)驗(yàn)描述到微觀的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，對(duì)于過程工藝優(yōu)化具有重要意義。72技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念 技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念始終貫穿于生物技術(shù)產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)中，對(duì)于不同階段，均應(yīng)有技術(shù)評(píng)價(jià)（estimates of technical

32、 economics）。特別在小試（small-scale production）階段，往往不容忽視?？梢酝ㄟ^技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析判斷科學(xué)自由探索中的潛在應(yīng)用價(jià)值，以便進(jìn)一步開發(fā)。在中試（pilot-scale production）和示范工程建設(shè)（demonstrating engineering construction）中，更不能離開技術(shù)經(jīng)濟(jì)的參與。只有經(jīng)過反復(fù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。才能確保所開發(fā)的生物技術(shù)方案的科學(xué)性和合理性。73上游生物技術(shù)工程化的概念 隨著基因重組（gene recombination）技術(shù)、蛋白修飾（protein modification）技術(shù)，細(xì)胞融合（cell conjug

33、ation）技術(shù)和固定化（immobilization）技術(shù)的逐步成熟，上游生物技術(shù)（up-stream bioprocessing）已經(jīng)進(jìn)入工程化階段。特征是可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)改進(jìn)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(fù)合物等）以及新的代謝步驟與途徑，并對(duì)他們?cè)谏矬w內(nèi)外的作用加以研究與應(yīng)用。74細(xì)胞代謝與培養(yǎng)工藝過程一體化的概念 生物反應(yīng)過程產(chǎn)物實(shí)質(zhì)上是細(xì)胞代謝產(chǎn)物，胞內(nèi)基因水平（intracellular gene level）的信息流決定了細(xì)胞代謝流分布的空間與時(shí)間的基本特征，而生物反應(yīng)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(yīng)上對(duì)這一代謝流產(chǎn)生影響。當(dāng)前生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的特點(diǎn)是必須將細(xì)胞代謝過程（微觀分子細(xì)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(jìn)行深度結(jié)合；由宏觀推向微觀，強(qiáng)調(diào)在對(duì)細(xì)胞代謝深入發(fā)展的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，以多尺度的工程學(xué)觀點(diǎn)研究過程特性。75生化反應(yīng)過程的目的： 利用生物體或細(xì)胞或其部分，特別是微生物細(xì)胞本身的代謝（發(fā)酵）能力獲得相應(yīng)產(chǎn)物（品）（發(fā)酵產(chǎn)品）。76微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞，酶，藥物活性物質(zhì)， 特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑77 定義： 以獲得具