生物化工简介.pdf

本文由g u o h u a s h i 贡献 p d f 文档可能在WAP端浏览体验不佳 建议您优先选择TXT 或下载源文件到本机 查看 生物化工简介 1 定义 1 1 生物化学 Bi o c h e m i s t r y 用化学的原理和方法 研究生命现 象的学科 通 过研究生物体的化学组成 代谢 营养 酶功能 遗传信息传递 生物 膜 细胞 结构及分子病等阐明生命现象 1 2 生物技术 Bi o t e c h n o l o g y 应用 生命科学研究成果 以人们意志设计 对 生物或生物的成分进行改造和利用的技术 现代生物技术综合分子生物学 生物 化学 遗传学 细胞生物学 胚胎学 免疫学 化学 物理学 信息学 计算机 等多学科技术 可用于研究生命活动的规律和提供产 品为社会服务等 1 3 生物化工 Bi o c h e m i c a l En g i n e e r i n g 是生物学 化学 工 程学等多学科组成 的交叉学科 研究有生物体或生物活性物质参与的过程中的基本理 论和工程技 术 它是一级学科 化学工程与技术 中的一个重要分支和重点发展的二 级学科 在生物技术产业化过程中起着关键作用 生物化工学科起始于第二次世界 大战时期 以抗生素的深层发酵和大规模生 产技术的研究为标志 20 世纪 60 年代 末至 80 年代中期 精基因技术 生物催 化与转比技术 动植物细胞培养技术 新型 生物反应器和新型生物分离技术等开 发和研究的成功 使本学科进入了新的发展时期 学科体系逐步完善 20 世纪 后期 随着以基因工程为代表的高新技术的迅速崛起 为本学科的进一步发展开 辟了新领域 2 生物化工的特点 生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科 它以生物来源 的物质为原料 通过生物活性物质为催化剂使其转化 或用其他生物 技术进行制 备 纯化 从而得到我们预期的产品 目前世界面临着粮食 环境和能 源三大危机 这也是制约各国发展的瓶颈 生物化工的任务不仅是要把生命科学上游 技术的发展转化为实际的产品以满足 社会需要 而且在创造新物质 新材料 设计新 过程 生产新产品 创建新产业 中也将起到关键作用 对可持续发展将做出巨大贡献 与传统生物化学工业相比 较 生物化学工程具有以下特点 1 以生物为对象 常以有生命的活细胞或 酶为催化剂 创造必要的生化 反应条件 不依靠地球上的有限资源 着眼于再生资源 的利用 2 由于细菌不耐高温 需在常温常压下连续化生产 工艺简单 并可节 约能源 减少环境污染 3 定向地按人们的需要创造新物种 新产品和有经济价 值的生命类物质 开辟了生产高纯度 优质 安全可靠的生物制品的新途径 4 生物化工为生物技术提供了高效率的反应器 新型分离介质 工艺控 制技术和后处理 技术 扩大了生物技术的应用范围 由于生物化工技术具有反应条件温和 能耗低 效率高 选择性强 投资少 三废少以及可用再生资源作原料等优点 已成为化工领 域战略转移的目标 2 1 主要应用菌株 2 1 1 细菌 醋杆菌属的醋化醋杆菌 弱氧 化醋杆菌等不生孢子的需氧菌 乳杆菌属的德氏乳杆菌 链球菌属 片球菌属 串 珠菌属等 芽孢杆菌属的枯草杆菌是本属最主要的菌种 梭菌属的丙酮丁醇梭 菌 可生产丙酮和丁醇 是工业发酵的重要菌种 大肠杆菌和产气气杆菌为革兰氏 阴性 无孢子的杆菌 在动物肠中形成细 菌群 2 1 2 放线菌 链霉菌属包括金霉素 氯霉素 卡那霉素 红霉素等 这些链霉菌可以生 产葡萄糖异构酶 是很好的葡萄 糖异构酶产生菌 2 1 3 霉菌 工业上最常用的霉菌以曲霉菌和青霉菌为主 根霉属 和红曲霉属也较常用 2 1 4 酵母 酵母有酵母属 裂殖酵母属 假丝酵母属 毕赤 酵母属和汉逊酵母属 2 2 生物化工的关键 2 2 1 生物催化剂 生物催化剂是指由常 规选育或经现代生物工程方法获得的菌株 细胞系或从 中提取的酶 它的作用相当于化学反应中的催化剂 是生化反应中不可缺少的 从自然界得到的菌种要进行筛选 分离 遗传育种 有的还要经过菌种变异才能 使 用 2 2 2 生物反应器 生物反应器是整个生物反应过程的关键设备 为特定的细胞 或酶提供适宜的 增殖环境 也可在反应器中进行特定的生化反应 它的结构 操作方 式和操作条 件与产品的质量 转化率和能耗有着密切的关系 根据反应器的操作方式 可分 为间歇操作 连续操作和半间歇操作 根据生物催化剂在反应器中的分布方式 进 行分类 可分为生物团块 包括细胞 絮凝物 菌丝体 反应器和生物膜反应器 两大类 生物反应器的分类如下 p a g e 1 3 生物化工的主流方向 3 1 现代生物制药 把生物工程技术应用到药物制造的过 程称之为生物制药 生物药品是以微生 物 寄生虫 动物毒素 生物组织为原材料 采用生物学工艺和分离 纯化技术 并以生物学的分析技术控制中间产物和成品质量 制成的生物活化制剂 包括菌 苗 疫苗 毒素 类毒素 血清 血液制品 免疫制剂 细胞因子 抗原 单克 隆抗体及基因工程产品等 3 1 1 生物有机酸的应用 采用 发酵法生产的有机酸已在食品 医药 塑料 香料等行业得到应用 柠 檬酸用途很广 其中用于食品和饮料行业的为 50 医药行业为 20 化学工 业为 20 化妆品为 2 其他 8 柠檬酸是我国最大的出口发酵产品 L 苹 果酸主要用于食品业 保健品 化妆品及饮料的酸味剂和防腐剂 3 1 2 酶制 剂的应用 酶是细胞原生质合成的一种高活性的生物催化剂 由许多氨基酸组成 其催 化性能具有高效和专一性 酶普遍存在于动物 植物 微生物中 通过采取适当 的 理化方法 将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来 加工成具有一定纯 度标准 的生化制品 成为酶制剂 酶制剂主要有 淀粉酶 葡萄糖淀粉酶 纤维 素酶 碱性蛋白酶和中性蛋白酶等 3 1 3 石油微生物炼制 1 石油脱蜡 利用解 脂假丝酵母 拟圆酵母 粉孢霉菌 诺卡氏菌等进 行发酵法脱蜡可出去石油及其馏分 产物的蜡质 获得高质量 低凝固点的航空汽 油 高级柴油 变压器油和多种机油 2 石油脱硫 许多地区的原油中含硫量高 这些硫化物腐蚀设备 影响 产品质量 而且石油产品燃烧时 还生成 SO2 污染环境 因此石油脱硫十分重要 3 石油脱氮 利用土壤中培养出的微生物 通过环羟基化和断裂机理 使吡啶降解成 NH3 CO2 和 H2O 这些微生物能对含氮杂环化合物分子的氧化有 专一性 并能把油 中的含氮杂环化合物氧化 4 生物化工的主要工艺 4 1 分离与提纯 从生物反应器中排出的反应产物是一种 混合物 里面除含有目的产品外 还 含有未转化的基质 不能转化的物质 大量的水 微生物体及各种微量杂质 为 了获得合格的生化产品 并且不浪费其他有用的物质 必须对需要的生化产品进 行分离或提纯 这一过程称之为 下游加工 这样可以 使其他物质循环使用或再 进行综合利用 既降低了成本又保护了环境 4 1 1 固体 物质的去除 分离生化反应液的细胞或其他固体物质 是提取生化产品的重要一步 分 离 过程是基于它们的粒度 密度 溶解度和扩散度等的不同实现的 分离的粒度范 围为 0 3 10 m 为了提高分离效率要进行预处理 以促进细胞的絮凝 常用的 去除 固体的分离方法是过滤 离心分离 沉降及倾析等 4 1 2 初步分离 当从反应器出来的反应液除去了不需要的固体颗粒后 一般要 进一步把溶液 浓缩 以提高目的产品在溶液中的浓度 为了实现这一过程 可以使用 蒸发 萃 取 沉淀和膜分离等单元操作 如膜分离技术是一种新型的分离技术 近年 来发 展很快 它是用一种半透明的薄膜 使溶液中的某些组分通过 其他组分被阻止 或截留 从而达到分离的目的 它包括反渗透法和超滤法 膜分离法不同于萃取 和 沉淀法那样 需要加入溶剂或盐类等其他物质 也不同于蒸发操作 需要加入 热量 膜分离法只是根据物质粒度的大小这一几何特性的差异 来分离物质 因 此产品的损 失很少 产率和质量较高 4 1 3 产品提纯 产品提纯的目的主要是去除溶液中的各 种微量杂质 进一步提高产物的纯 度 常用的方法有沉淀法 层析法和吸附法 但是 生物产品的提纯 更多用的是 层析法 层析法有吸附层析法 离子交换层析法 分子筛层析法和亲和层析法等 根据不同被分离物的特性 选择不同的层析分离方法 4 1 4 产品的最终分离 最后一步必须使产品达到规定的质量指标 以适合销售市 场的要求 主要的 单元操作是先离心分离 然后进行干燥或冷冻干燥等 干燥操作往 往是生物产品 的最后工序 其目的是除去物料中的水分 便于产品的保藏和运输 由 于很多的 生物产品 如味精 柠檬酸 酶制剂 抗生素及单细胞蛋白等均是固体产品 因 此干燥操作在生物产品的最终分离方面十分重要 5 典型生物化工品的生产工艺举例 5 1 有机化工品 丙烯酰胺 AM 丙烯酰胺 无色 无味 分子式是 C3H5ON 固体是粉剂的结晶产品 含量 大于 97 熔点为 84 5 水剂产品含丙烯酰胺分别是 25 30 40 50 等 25 或 40 的水剂产品 直接用于聚合 结构式 反应方程式如下 工艺流程 p a g e 2 5 2 食品添加剂 柠檬酸 柠檬酸 c i t r i c a c i d 别名枸橼酸 化学名称为 2 羟基丙三羧酸 分子式是 C6H8O7 无水物 柠檬酸有无水物和一水合物两种 无 臭 有强酸味 易溶于 水 乙醇和乙醚 无水柠檬酸为白色晶体颗粒或粉末 相对密 度 1 67 熔点是 153 在潮湿空气中吸潮 能形成一水合物 一水合物是无色半透 明结晶 相 对密度 1 542 熔点是 100 133 结构简式 柠檬酸的生产方法有三种 一是由水果提取 二是用化学方法合成 即用草 酰 乙酸与乙烯酮缩合制得 三是用发酵法制取 发酵法生产柠檬酸是用黑曲霉菌做发酵 剂 主要原料是碳水化合物 如从蔗 糖或甜菜中提取的糖蜜 甘薯淀粉 玉米淀粉 马铃薯加工废渣和废液 木薯粉 等 生产工艺过程 6 生物化工的现状与前景 生物化工的发展已经历了半个多世纪 最早主要是生 产抗生素 随后 是为 氨基酸发酵 甾体激素的生物转化 维生素的生物法生产 单 细胞蛋白生产及淀 粉糖生产等工业化服务 自 20 世纪 80 年代起 随着现代生物技 术的兴起 生物 化工又利用重组微生物 动植物细胞大规模培养等手段生产药用多肽 蛋白 疫 苗 干扰素等 现在 生物化工的应用已涉及到人民生活的方方面面 包 括农业 生产 化轻原料生产 医药卫生 食品 环境保护 资源和能源的开发等各领 域 国际著名咨询公司麦凯锡 Mc Ki n s e y Co 预测 生物化工产业 2007 年 占化 学工业总营业收入的 6 即 1000 亿欧元 到 2012 年将增长至 1530 亿欧 元 根据 OECD 经济合作与发展组织 Or g a n i s a t i o n f o r Ec o n o m i c Co o p e r a t i o n a n d De v e l o p m e n t 预测 到 2030 年 生物技术在工业领域当中的应用将占到生 物技术 总产量的 39 农业领域应用占到 36 医疗保健领域占到 25 其中 工业应用 潜力最大 世界上很多国家已将生物产业作为后国际金融危机时期促进经济社会可 持 续发展 抢占世界经济科技制高点的战略选择 国家发展改革委副主任张晓强 说 生物产业在保障人口健康与粮食安全的同时 在节能减排 资源替代 环境 改善 等方面发挥着越来越重要的作用 未来工业生物技术的发展主要呈现以下几个特点 1 关键过程科学技术的突破 目前工业上应用的生物过程大多是 自然 的过 程 其过程的效率还较低 副产物较多 通过过程工程的设计和改造 大幅度提 高过程水平很有希望 2 技术的综合性 也即技术的集成 包括生物技术 工 程技术和控制技术 出于成本和环境的考虑 综合利用技术正在迅速发展 3 对原 料的依存性 能源短缺推动了工业生物技术浪潮的到来 开始了从 碳氢化合物经济向 碳水化合物经济的战略过渡 并出现了淀粉经济及纤维素经济 等新经济形态 4 企业 研发和各项条件的综合作用 创新是产业化的灵魂 企业在创新 中发挥着主体 的作用 5 风险性的考虑 生物技术产业是高风险 高投入 高回报产业 必须进 行风险 C J 析 如竞争 创新 技术风险 原料风险 市场风险 环境风险 政 策 风险和产品的全生命周期分析 6 1 产品结构 传统的生物化工行业主要是指抗生素 如青霉素等 食品 如酒精 味精 等 等行业 目前已渗透到生活的各方面 如医药 保健 农业 环境 能源 材料等 生物化工产品也得到了极大的拓展 医 药方面有各种新型抗生素 干扰 素 胰岛素 生长激素 各种生长因子 疫苗等 氨 基酸和多肽方面有赖氨酸 天冬氨酸 丙氨酸 苏氨酸 脯氨酸等以及各种多肽 酶 制剂有 160 多种 主要 有糖化酶 淀粉酶 蛋白酶 脂肪酶 纤维素酶 青霉素酶 过氧化氢酶等 生 物农药有 Bt 春日霉素 多氧霉素 井岗霉素等 有机酸有柠 檬酸 乳酸 苹 果酸 衣康酸 延胡索酸 已二酸 脂肪酸 卜酮戊二酸 亚麻酸 透明质酸等 还有微生物法 1 3 丙二醇 丙烯酞胺等 6 2 技术水平 6 2 1 发酵 工程技术已见成效 据估计 全球发酵产品的市场中 抗生素占 46 氨基酸占 16 3 有机 酸占 13 2 酶占 10 其它占 14 5 发酵产品市场的增大与发酵技 术的进 步分不开 现代生物技术的进展推动了发酵工业的发展 发酵工业的收率和纯 度 都比过去有了极大的提高 6 2 2 酶工程技术有了长足的进步 酶工程技术包括酶 源开发 酶制剂生产 酶分离提纯和固定化技术 酶反应 器与酶的应用 目前世界酶制剂从酶源开发到酶的应用都已进入了良性发展阶 段 各阶段生产企业和用户关系密切 合作广泛 据报道 1998 年全球工业酶 制剂 的销售额为 13 亿美元 预计到 2010 年将增长到 30 亿美元 每年以 6 5 的 速率 增长 其中食用酶占 40 洗涤用酶占 33 其它 主要是纺织 造纸和 饲料等用 酶 占 27 6 2 3 分离与纯化技术也有很大进步 影响生化产品价格的因素 首当 p a g e 3 其冲的是分离与纯化过程 其费用通常占生 产成本的 50 70 有的甚至高达 9 0 分离步骤多 耗时长 往往成为制 约生产的 瓶颈 寻求经济适用的分离纯 化技术 已成为生物化工领域的热点 已大规模应用的分离纯化技术有 双水相革 取 新型电泳分离 大规模制备色谱 膜分离等 6 2 4 上游技术广泛应用于下 游生产 利用基因工程技术 不但成倍地提高了酶的活力 而且还可以将生物酶基因 克隆到微生物中 构建基因菌产生酶 利用基因工程 使多种淀粉酶 蛋白酶 纤维 素