第1章 生物工藝學(xué)-緒論課件

生物工藝學(xué)李昆太

江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院第1章生物工藝學(xué)-緒論第一章緒論第一部分課程簡介

生花生產(chǎn)工藝學(xué)是一門利用生物代謝過程并借助于對代謝過程的控制來獲得生物產(chǎn)品的過程的共性為研究對象的學(xué)科。

第1章生物工藝學(xué)-緒論授課教材：

生化生產(chǎn)工藝學(xué)科學(xué)出版社梅樂和等編著

參考教材：

新編生物工藝學(xué)化學(xué)工業(yè)出版社俞俊棠等編著

多尺度微生物過程優(yōu)化化工出版社張嗣良儲炬編著

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵調(diào)控學(xué)化工出版社儲炬李友榮編著

第1章生物工藝學(xué)-緒論生化生產(chǎn)的一般流程圖第1章生物工藝學(xué)-緒論

微生物培養(yǎng)生物反應(yīng)器產(chǎn)品代謝（表達）產(chǎn)揚生物轉(zhuǎn)化酶（生物催化劑）酶反應(yīng)（生物催化）分離制品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)包裝倉庫運輸…

原料：碳水化合物碳氫化合物生物質(zhì)…醫(yī)藥、食品、化工品、酶制劑、能源、環(huán)境保護、…生產(chǎn)菌株生物反應(yīng)器過程第1章生物工藝學(xué)-緒論一條主線、兩個基礎(chǔ)一條主線：菌種→培養(yǎng)基→種子擴培→發(fā)酵過程控制兩個基礎(chǔ)：生物學(xué)基礎(chǔ)、工程學(xué)基礎(chǔ)第1章生物工藝學(xué)-緒論本課程所涉及學(xué)科普通微生物學(xué)微生物生理學(xué)微生物遺傳學(xué)基因工程第1章生物工藝學(xué)-緒論本課程所涉及學(xué)科發(fā)酵調(diào)控學(xué)化工原理參數(shù)檢測與控制生物化學(xué)化學(xué)第1章生物工藝學(xué)-緒論本課程所涉及學(xué)科分離工程小分子：AminoacidAntibiotics大分子：ProteinEnzyme第1章生物工藝學(xué)-緒論機械設(shè)備工程制圖物理：自動控制工程數(shù)學(xué)本課程所涉及學(xué)科第1章生物工藝學(xué)-緒論第二部分本學(xué)科的發(fā)展趨勢

第1章生物工藝學(xué)-緒論發(fā)酵的發(fā)展歷史──生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的歷史發(fā)酵現(xiàn)象釀造食品工業(yè)（酒、醬、曲等）非食品工業(yè)（乳酸、乙醇等）抗生素（青霉素，淺盤培養(yǎng)）抗生素工業(yè)（深層液浸培養(yǎng)：無菌空氣和攪拌）代謝控制發(fā)酵（氨基酸、核酸）基因工程菌發(fā)酵（重組大腸桿菌、酵母）第一個轉(zhuǎn)折點：非食品工業(yè)第二個轉(zhuǎn)折點：青霉素→抗菌素發(fā)酵工業(yè)第三個轉(zhuǎn)折點：切斷支路代謝:酶的活力調(diào)控,酶的合成調(diào)控，解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié),突變株的應(yīng)用,前體、終產(chǎn)物、副產(chǎn)物等

近代轉(zhuǎn)折點：基因、動物、海洋第1章生物工藝學(xué)-緒論

發(fā)酵現(xiàn)象的早期認識1680年制成顯微鏡───微生物的存在1857年巴斯德證明了酒精是由活的酵母發(fā)酵引起的1897年畢希納發(fā)現(xiàn)磨碎的酵母仍使糖發(fā)酵形成酒精───酶第1章生物工藝學(xué)-緒論發(fā)酵工程的早期階段

人們的對發(fā)酵技術(shù)的認識起始于19世紀末，主要來自于厭氧發(fā)酵，如利用酵母菌、乳酸菌生產(chǎn)酒精、乳酸和各種發(fā)酵食品。

20世紀初期，1916年英國采用梭狀芽孢桿菌生產(chǎn)丙酮丁醇，德國采用亞硫酸鹽法生產(chǎn)甘油（第一次世界大戰(zhàn)）──由食品工業(yè)向非食品工業(yè)發(fā)展。好氧發(fā)酵技術(shù)：速釀法從乙醇生產(chǎn)醋酸，通氣法大量繁殖酵母，用米曲霉的麩曲代替麥芽糖作糖化劑生產(chǎn)酒靖，用微小毛霉生產(chǎn)干酪。

1933年等人發(fā)明了搖瓶培養(yǎng)法代替了傳統(tǒng)的靜置培養(yǎng)法。生長均勻，增殖時間短。第1章生物工藝學(xué)-緒論

發(fā)酵工程的重大轉(zhuǎn)折點

二十世紀四十年代初，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，青霉素的發(fā)現(xiàn)，迅速形成工業(yè)大規(guī)摸生產(chǎn)。1928年由Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素1941年美國和英國合作對青霉素進行生產(chǎn)研究

表面培養(yǎng)：1升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝200mL麥麩培養(yǎng)基───40u/ml1943年沉浸培養(yǎng)：

5m3───200u/ml當(dāng)今：100m3-200m3───5-7萬u/ml

鏈霉素、金霉素、新霉索、紅霉素第1章生物工藝學(xué)-緒論主要的技術(shù)進展：通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)時的供氧問題?？闺s菌污染的純種培養(yǎng)技術(shù)：無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、無污染接種、大型發(fā)酵罐的密封與抗污染設(shè)計制造。意義：抗生素工業(yè)的發(fā)展建立了一套完整的好氧發(fā)酵技術(shù)，大型攪拌發(fā)酵罐培養(yǎng)方法推動了整個發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展為現(xiàn)代發(fā)酵工程奠定了基礎(chǔ)第1章生物工藝學(xué)-緒論大型發(fā)酵罐攪拌裝置第1章生物工藝學(xué)-緒論發(fā)酵車間的空氣過濾器第1章生物工藝學(xué)-緒論現(xiàn)代生物技術(shù)──分子生物學(xué)

與發(fā)酵工程氨基酸發(fā)酵工業(yè)──谷氨酸、賴氨酸核酸發(fā)酵工業(yè)──肌苷酸、鳥苷酸微生物變異株通過代謝調(diào)節(jié)──代謝控制發(fā)酵技術(shù)

切斷支路代謝轉(zhuǎn)折點:酶的活力調(diào)控，酶的合成調(diào)控(反饋控制和反饋阻遏)→解除菌體自身的反饋調(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)物等第1章生物工藝學(xué)-緒論20世紀70年代

細胞融合技術(shù)、基因操作技術(shù)等生物技術(shù)發(fā)展，打破了生物種間障礙，能定向地制造出新的有用的微生物：增加微生物體內(nèi)控制代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的基因拷貝數(shù)，可以大幅度地提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量將動、植物或某些微生物特有產(chǎn)物的控制基因植入細胞中，快速經(jīng)濟地大量生產(chǎn)這些產(chǎn)物將具有不同性能的多種質(zhì)粒植入，使新菌株在清除污染或以非糧食物質(zhì)為原料進行發(fā)酵生產(chǎn)或環(huán)境保護第1章生物工藝學(xué)-緒論動物細胞反應(yīng)器第1章生物工藝學(xué)-緒論

動物反應(yīng)器利用動物生產(chǎn)藥用蛋白及其它高附加值產(chǎn)品。完善以轉(zhuǎn)基因動物、體細胞克隆和基因工程等技術(shù)為核心的新型高效動物乳腺生物反應(yīng)器技術(shù)平臺。第1章生物工藝學(xué)-緒論

植物反應(yīng)器高效植物生物反應(yīng)器技術(shù)體系的建立與創(chuàng)新性研究；利用植物生產(chǎn)藥用蛋白、生物農(nóng)藥、功能食品及其它高附加值產(chǎn)品。第1章生物工藝學(xué)-緒論

目前動植物生物反應(yīng)器的主要研究和應(yīng)用動向為：轉(zhuǎn)基因方法改良動植物產(chǎn)品品質(zhì)、轉(zhuǎn)基因動植物用于人類遺傳疾病研究、生物藥和器官移植、生產(chǎn)國防產(chǎn)品等。

第1章生物工藝學(xué)-緒論人類基因組測序完成的后向功能基因組學(xué)轉(zhuǎn)變──功能基因及其表達產(chǎn)物的獲得。大規(guī)模、全方位的蛋白質(zhì)研究是勢在必行第1章生物工藝學(xué)-緒論大規(guī)模基因測序第1章生物工藝學(xué)-緒論高通量蛋白生產(chǎn)第1章生物工藝學(xué)-緒論細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)細胞大規(guī)模培養(yǎng)──微生物、動植物細胞、藻類細胞等細胞代謝產(chǎn)物、生物轉(zhuǎn)化、酶、基因表達產(chǎn)物和基因質(zhì)粒等占生物技術(shù)產(chǎn)品的40%以上，達1500億美元。

第1章生物工藝學(xué)-緒論世界生物醫(yī)藥產(chǎn)品的發(fā)展勢態(tài)以年均30％的速度增長，預(yù)計至2010年生物技術(shù)藥物的銷售額將達1500億美元，占醫(yī)藥的市場的25%。以基因工程為主要內(nèi)容的現(xiàn)代生物醫(yī)藥工程以及用現(xiàn)代化技術(shù)改造傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。培養(yǎng)的細胞不僅只是微生物，還有動物細胞、植物細胞和藻類細胞大規(guī)模培養(yǎng)。在人類今后發(fā)現(xiàn)的一切具有生物活性的物質(zhì)都可以借助于細胞培養(yǎng)方法得到。第1章生物工藝學(xué)-緒論哺乳類動物細胞培養(yǎng)技術(shù)產(chǎn)品

近年來，應(yīng)用哺乳動物工程細胞系統(tǒng)生產(chǎn)藥用蛋白顯示了越來越重要的地位，包括疫苗、干擾素、激素、生長因子和單克隆抗體等，是開發(fā)生物技術(shù)產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)，出現(xiàn)了以干細胞技術(shù)為核心的現(xiàn)代再生醫(yī)學(xué)，顯露出今人鼓舞的技術(shù)進展。抗體藥物居所有醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)品之首

1995年前美國市場上僅有OKT3一種治療單抗

2002年：14種

2003年：20種

2004年以后：十幾種進入臨床后期實驗，90億美元第1章生物工藝學(xué)-緒論我國生物醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展勢態(tài)每年將有大量的基因工程醫(yī)藥產(chǎn)品（基因工程藥物、抗體、基因治療等）投入生產(chǎn)，提供小試、中試工藝優(yōu)化與放大研究技術(shù)，各種生物反應(yīng)器裝備技術(shù)，直到提供各種符合GMP標(biāo)準(zhǔn)的工程設(shè)計依據(jù)。以抗生素為代表的傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)品在相當(dāng)長時期內(nèi)仍是我國生物醫(yī)藥的主要產(chǎn)品。每年我國新投入的生物醫(yī)藥產(chǎn)品工程達上百億元，這些工程最大發(fā)酵罐裝備可達數(shù)百M3，急需合理的高效節(jié)能的工程裝備和設(shè)計，本項目以工程技術(shù)為背景，開展從生物技術(shù)到多學(xué)科工程技術(shù)交叉研究，從菌種細胞構(gòu)建到工藝、裝備、工程設(shè)計的系統(tǒng)化研究。對目前國內(nèi)正在組織生產(chǎn)的大中型生物醫(yī)藥企業(yè)有近300家，總產(chǎn)值達1500億元以上，對如何實現(xiàn)現(xiàn)有過程高技術(shù)改造將是另一個具有巨大需求的技術(shù)。第1章生物工藝學(xué)-緒論我國醫(yī)藥生物技術(shù)的基本情況雖然起步較晚，但逐步縮短了與先進國家的差距，已經(jīng)步入國際先進國家行列，具備了一定的國際競爭能力。我國在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的差距是全面的，在生物醫(yī)藥中下游技術(shù)方面差距尤為嚴重。我國中試環(huán)節(jié)薄弱，導(dǎo)致生物制藥產(chǎn)業(yè)的“上游”與“下游”銜接不良，相互脫節(jié)，科研成果轉(zhuǎn)化率不高，生物工程的產(chǎn)業(yè)化水平低，生物制藥產(chǎn)業(yè)化水平明顯落后與國際先進水平。第1章生物工藝學(xué)-緒論發(fā)酵工程產(chǎn)業(yè)化發(fā)展目前，全球發(fā)酵產(chǎn)品的年銷售額在1000億美元左右，并以每年約7％～8％的速率增長。我國發(fā)酵行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)有5000多家，主要發(fā)酵產(chǎn)品的年產(chǎn)值高達1300億元。發(fā)酵工程技術(shù)給人類社會生產(chǎn)力的發(fā)展帶來了巨大的潛力。涉及到解決人類所面臨的食品與營養(yǎng)、健康與環(huán)境、資源與能源等重大問題

第1章生物工藝學(xué)-緒論人類社會經(jīng)濟發(fā)展的危機

隨著人類社會經(jīng)濟發(fā)展，當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)、資源結(jié)構(gòu)、環(huán)境狀態(tài)已不能支撐現(xiàn)有的發(fā)展模式。特別重要的是隨著煤、石油等能源的耗竭以及環(huán)境保護的急需，如果沒有基于科技進步的大力開發(fā)，能源和資源將難以支撐人類社會進一步發(fā)展的目標(biāo)。

傳統(tǒng)的粗放型經(jīng)濟增長方式必定走到盡頭必需走資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的道路第1章生物工藝學(xué)-緒論基于碳氫化合物的經(jīng)濟轉(zhuǎn)變?yōu)榛谔妓衔锏慕?jīng)濟

將工業(yè)革命世紀轉(zhuǎn)變到生物技術(shù)世紀

只有工業(yè)微生物才能將來源于太陽能的可再生資源碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代社會所需要的化工原料和能源。這種能源結(jié)構(gòu)和資源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變直接關(guān)系到我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，社會的穩(wěn)定、和國家安全。第1章生物工藝學(xué)-緒論Figure

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Idealizedbiorefineryconcept.

(ImagecourtesyofOakRidgeNationalLaboratory,OakRidge,TN,USA.)第1章生物工藝學(xué)-緒論第三部分本課程的內(nèi)容

培養(yǎng)基優(yōu)化淀粉制糖工藝氧的供需與傳遞發(fā)酵染菌及其防治發(fā)酵過程的工藝控制動植物細胞的大規(guī)模培養(yǎng)第1章生物工藝學(xué)-緒論核心問題與最終目的——

工業(yè)微生物發(fā)酵過程的放大與優(yōu)化

關(guān)鍵理論指導(dǎo)：微生物的生理代謝調(diào)控

常見實際措施：提高菌種的生產(chǎn)潛能；

工藝的優(yōu)化及過程放大第1章生物工藝學(xué)-緒論現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用

數(shù)學(xué)模型靜態(tài)和動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)識別自適應(yīng)控制專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)各種混沌現(xiàn)象的研究第1章生物工藝學(xué)-緒論發(fā)酵過程放大技術(shù)的應(yīng)用幾何相似流體運動學(xué)相似流體動力學(xué)相似因次分析法經(jīng)驗法則法數(shù)學(xué)模擬法時間常數(shù)法第1章生物工藝學(xué)-緒論

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在已提供高產(chǎn)菌株的基礎(chǔ)上，如何把這些高產(chǎn)菌種在培養(yǎng)過程中進一步考察它的生理生化特性，穩(wěn)定或改進微生物反應(yīng)工藝過程，這里要求對生物物性的動態(tài)有詳盡的了解，對生化反應(yīng)做定量的和動力學(xué)方面的考察▲發(fā)酵過程是以微生物反應(yīng)為核心的，有很多過程環(huán)節(jié)參與的綜合結(jié)果，整個過程貫穿著以"速率"為內(nèi)容的基礎(chǔ)研究——與化學(xué)工程相結(jié)合形成了生化工程第1章生物工藝學(xué)-緒論動力學(xué)與反應(yīng)器工程▲本征動力學(xué)：即沒有在生物反應(yīng)器中各種形式的傳遞過程等工程因素影響時的微生物反應(yīng)的固有反應(yīng)速率。───形成了經(jīng)典的以動力學(xué)為基礎(chǔ)的工程學(xué)概念▲生物反應(yīng)工程：它涉及二方面的內(nèi)容，即宏觀微生物反應(yīng)動力學(xué)和生物反應(yīng)器工程。其中反應(yīng)器工程是指包括影響微生物反應(yīng)宏觀動力學(xué)的生物反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物料混和傳遞過程特性等▲宏觀動力學(xué)：但是實際發(fā)酵過程是在生物反應(yīng)器中進行，因此，從實用意義出發(fā)，人們重視一定反應(yīng)器內(nèi)檢測到的反應(yīng)速率即總反應(yīng)速率及其影響因素，這就是宏觀動力學(xué)研究。第1章生物工藝學(xué)-緒論

微生物生長和反應(yīng)過程研究

必須從基質(zhì)進入細胞，胞內(nèi)反應(yīng)，代謝產(chǎn)物的胞內(nèi)外分泌等全過程進行分析。───形成了經(jīng)典的以化學(xué)計量學(xué)和熱力學(xué)研究為基礎(chǔ)的發(fā)酵工程生物學(xué)從工程學(xué)角度研究對生長反應(yīng)的影響。研究各類微生物代謝平衡的理論、方法和實際有效的實驗量化數(shù)據(jù)。例如胞內(nèi)反應(yīng)中分解代謝、合成代謝和大分子物質(zhì)合成之間的物質(zhì)和能量的關(guān)系。要經(jīng)過1000多步胞內(nèi)反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物和細胞成分，我們不可能對這些反應(yīng)進行一一定量的計算第1章生物工藝學(xué)-緒論對過程參數(shù)變化提供的信息缺乏理解維持最佳工藝控制點的過程操作思想，過于簡化的動力學(xué)分析缺乏以細胞代謝流分析與控制為核心的研究內(nèi)容在生物技術(shù)沒有深入研究之前───以胞外過程研究為主：

混和、傳遞動量、質(zhì)量、熱量理論方法的局限性第1章生物工藝學(xué)-緒論仍舊局限于尋求培養(yǎng)基配方和最佳的溫度、pH、DO等缺乏微觀的實時的代謝調(diào)控代謝調(diào)控研究代謝工程研究發(fā)酵過程酶學(xué)研究的困難過程數(shù)據(jù)采集和處理的困難發(fā)酵工藝優(yōu)化研究的基本思路發(fā)酵罐單一生理調(diào)控制，缺乏全局性的概念第1章生物工藝學(xué)-緒論第四部分生化生產(chǎn)過程的特點一、特點生化生產(chǎn)過程是利用生物體的生命活動來獲得產(chǎn)品的，與化學(xué)過程相比，他們具有如下特點：1.生產(chǎn)過程在常溫下進行，一般操作條件比較溫和。2.生產(chǎn)所用的原料比較簡單。3.生產(chǎn)過程中的反應(yīng)以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行，因此可以在單一反應(yīng)器中進行。4.能夠很容易的生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物。

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