g第一章-@@生化工程-绪论-王岁楼PPT课件

生化工程BiochemicalEngineering,河南科技学院新科学院,魏燕丽,1,.,Period：54（授课学时54）Credithour：3Weekperiod：3,ArrangementandAssignment,2,.,References,1.生化工程王岁楼、熊卫东编著.中国医药科技出版社2.生化工程伦世仪主编.中国轻工业出版社.3.生物反应工程岑沛霖、关怡新、林建平编著.高等教育出版社.4.生物反应工程戚以政、夏杰编著.化学工业出版社.5.生物工艺原理贺小贤主编.化学工业出版社.,3,.,课程介绍,本课程是生物工程专业本科生的专业主干课程，是研究和解决生物反应过程中具有共性的工程技术问题的学科，是一个新的典型的交叉学科，涉及高等数学、化工原理、物理化学、生物化学和微生物学等学科的相关知识，具有很强的理论性和应用性。该课程主要讲授生物反应过程中带有共性的工程技术问题，其特点是综合性强，难度较大。,4,.,课程介绍,课程基本内容包括培养基灭菌和空气除菌原理及设计方法、氧传递理论、搅拌与通风、细胞培养理论与技术、细胞培养动力学、固定化酶和细胞反应原理与技术、生物反应器结构与类型、生物反应器操作、生物反应器的比拟放大、生化反应过程质量和能量衡算，生化反应过程的控制与优化。介绍生物工程领域的发展前沿及趋势。,5,.,课程介绍,随着生物工程和生物技术的快速发展，不断有新的带有共性的工程技术问题出现并需要解决，因此生化工程又是个快速发展的学科，它关系到生物工程和生物技术产品的产业化进程快慢，因此该课程越来越受到生物工程和生物技术学者和工程技术人员的关注。,6,.,第一章绪论Chapter1IntroductiontoBiochemicalEngineering,一、生化工程学的诞生与发展二、生化反应工程三、生化工程的任务和内容四、课程内容,7,.,一、生化工程学的诞生与发展,生化工程学诞生于上世纪40年代。早期的发酵工业只有较少种类的产品，其中厌氧发酵产品居多。如酒类、乳酸。厌氧发酵由于不大量供应氧气，染杂菌导致生产失败的机会较少，故而深层液体厌氧发酵早就具有相当大的规模。那时只有少数的好氧发酵产品采用了深层液体发酵生产法，如面包酵母，醋酸。前者因为酵母的比生长速率较高，后者因为醋酸的生成导致发酵液中pH降低，不易污染杂菌。,8,.,40年代前期，正好是第二次世界大战期间，战场上有成千上万的伤员需要救治，急需药物（非磺胺类）防止伤口感染。早在1928年英国的学者Fleming发现了青霉素；1940年分离出纯品，19411942年在临床上应用，证明有非常好的疗效，这时急待将青霉素投入工业化生产。这就给传统的发酵工业提出了一个巨大的难题。为什么说是巨大的难题呢？,9,.,图1-1,10,.,图1-2,11,.,图1-3,12,.,青霉菌常生长于土壤、皮革、果皮和衣类，约有150多种。由于分生孢子大都是青绿色，所以称为青霉菌。,13,.,14,.,15,.,图1-4,16,.,一、生化工程学的诞生与发展,Bacteriaposeacontinualthreatofinfection,bothtohumansandtootherhigherorganisms.Thus,whenlookingfornewwaystofightinfection(感染),itisoftenproductivetolookathowotherplants,animalsandfungiprotectthemselves.Thisishowpenicillinwasdiscovered.Throughachanceobservationin1928,AlexanderFlemingdiscoveredthatcoloniesofPenicilliummoldgrowinginhisbacterialcultureswereabletostaveoff（延缓、避开）infection.Withmorestudy,hefoundthatthemoldwasfloodingtheculturewithamoleculethatkilledthebacteria,penicillin.,17,.,图1-5,酰基侧链,内酰胺环,噻唑环,18,.,一、生化工程学的诞生与发展,PenicillinBy-productofcertainPenicilliumspeciesInhibitsthegrowthofgram-positivebacteriaBlockswallsynthesisinbacteriaandresultsindeathofthebacterialcellbylysisSurpassedknowntherapeuticagentsbysuppressingbacterialgrowthwithoutbeingtoxic,19,.,一、生化工程学的诞生与发展,Researchcontinues1928Fleming发现了青霉素1929年，弗莱明发表了学术论文，报告了他的发现，但当时未引起重视，而且青霉素的提纯问题也还没有解决。,20,.,一、生化工程学的诞生与发展,1935年，OxfordUniversityHowardFlorey（弗洛里）andErnstChain（钱恩）对弗莱明的发现大感兴趣。钱恩负责青霉菌的培养和青霉素的分离、提纯和强化，使其抗菌力提高了几千倍，弗罗里负责对动物观察试验。至此，青霉素的功效得到了证明。图中央是青霉菌，周围是致病细菌。距青霉素最远的细菌个大、色浓，活力十足；距青霉菌较近的细菌个较小、色较浅，活力较差；而最接近青霉菌的细菌个最小、色发白，显然已经死亡,21,.,1940年分离出纯品1941firsthumantests1941researchmovedtotheUS由于青霉素的发现和大量生产，拯救了千百万肺炎、脑膜炎、脓肿、败血症患者的生命，及时抢救了许多的伤病员。青霉素的出现，当时曾轰动世界。1945NobelPrize（澳大利亚病理学家霍华德.弗罗里因进行青霉素化学制剂的研究，而与弗莱明、钱恩同获1945年诺贝尔生理学和医学奖）,22,.,23,.,24,.,25,.,26,.,27,.,28,.,葡萄球菌这些形如珍珠的东西就是危害人体健康的葡萄菌，青霉素能消灭它们。这时急待将青霉素投入工业化生产。这就给传统的发酵工业提出了一个巨大的难题。,29,.,1是严格的好氧菌.2青霉素是次级代谢产物，前期生长及后期合成青霉素周期长达100h，要想发酵成功，必须解决长达100h不间断供氧，保持无杂菌状态；3另外随发酵时间的延续，菌丝体的繁殖，发酵液的流变特性明显变化，溶氧速率本来就慢，这时更慢，为此必须增大通气速率，使无杂菌的状态更难保持。,Whyisitadifficultthing?,30,.,在这种状态下，许多微生物学家、生物化学家、化学工程师们走到了一起，他们将微生物在工业上应用的大量散在资料进行搜集、分析与综合，并简明引进化学工程中一些概念，把发酵作用看作化学上的一种催化反应即生物化学反应，从而诞生了生物化学工程（BiochemicalEngineering)。,31,.,在诸多的研究工作中，最重要的首次突破是在美国哥伦比亚大学化学工程系系主任指导下于19461948年完成的关于“通风搅拌传质问题的博士论文”。人们普遍认为这篇文章是关于通气搅拌发酵罐设计的第一次理性尝试，也标志着生化工程学的诞生第二次世界大战促使青霉素大量生产。1943年，已有足够青霉素治疗伤兵；1950年产量可满足全世界需求。年月，中国第一批国产青霉素诞生，揭开了中国生产抗生素的历史。1958年在华北制药厂开始工业生产青霉素，摆脱了大量进口青霉素的困扰。截至年年底，我国的青霉素年产量已占世界青霉素年总产量的，居世界首位。,32,.,生化工程的定义：生化工程是生物化学工程的简称，是生物化学与化学工程相互渗透而形成的一门新学科。同时，生化工程是为生物技术服务的化学工程，是化工原理及单元操作结合了生物及其产品特性的一门学科，是将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门科学。,33,.,生化工程的实质：是研究生化反应工程中带有共性的特殊性工程技术原理问题。（细胞培养、灭菌、代谢调控、细胞生长和产物形成动力学、生化反应器设计与操作、产品的分离纯化等）。,34,.,生化工程是生物化学与化学工程相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学技术，以微生物为研究主角，以生物化学为理论基础，从动态、定量、微观角度揭示生物化学工业过程的本质；是一门典型的交叉学科。,35,.,1.2DifferencesbetweenBiochemicalEngineeringandChemicalEngineering,生化工程是以生物（包括微生物、植物、动物）活细胞或由细胞提取出来的酶为催化剂的生物化学反应过程。化学工程着重于化学、数学与物理学等基础学科，一般不提供生物学基础。主要涉及的问题是工厂的设计与建立运转，利用强有力的非生物催化剂使物质发生反应以生产新的产品。,36,.,一、生化工程学的诞生与发展,StillthemostwidelyusedantibioticStillthedrugofchoicetotreatmanybacterialinfectionsPenicillinTodayScientistshavecontinuedtoimprovetheyieldofthedrugPresentdaystrainsofP.chrysogenum（橄榄青霉，黄青霉）arebiochemicalmutantsthatproduce10,000timesmorepenicillinthanFlemingsoriginalisolate,37,.,生化工程学的诞生开创了发酵工业的新纪元。好氧发酵产品得以迅速开发和工业化。、一方面，它开辟了微生物次级代谢产物生产的先河。、另一方面，对原有和新的初级代谢产物的生产方式有了新的启示。1945年弗莱明、弗洛里（病理学家）和钱恩（生化学家）因发现青霉素被授予诺贝尔NobelPrize医学奖,38,.,一、生化工程学的诞生与发展,生化工程的定义生化工程是生物化学工程的简称。生化工程是为生物技术服务的化学工程，是化工原理及单元操作结合了生物及其产品特性的一门学科，是将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门科学。实质是研究生化反应工程中带有共性的特殊性工程技术原理问题。（细胞培养、灭菌、代谢调控、细胞生长和产物形成动力学、生化反应器设计与操作、产品的分离纯化等）。,39,.,一、生化工程学的诞生与发展,两次飞跃1、20世纪四十年代中期青霉素、链霉素深层发酵给生化工程带来重大转变，促进许多发酵工业的兴起（调味剂、氨基酸、酶制剂、维生素、高效药物等）2、20世纪七十年代后期随分子生物学和遗传学等的发展，围绕DNA重组菌的获得及融合技术的发展，打破了生物界菌属之间遗传信息的转换,40,.,（一）转基因动物应用改良动物经济性状促进生长、提高肉类品质：鱼类、瘦肉型猪。提高产量：蛋鸡产蛋量、奶牛产奶量。提高抗病害能力：抗病毒鱼、抗猪瘟病毒猪、耐冻基因鲶鱼。改变动物生产性状：羊毛自动脱落。改变生存方式：转叶绿体基因、纤维单细胞蛋白基因。改变动物行为：聪明鼠。乳腺生物反应器：奶牛、山羊、猪等。,41,.,42,.,43,.,二）转基因植物的应用改良植物经济性状抗病害、虫害：如番茄、棉花、马铃薯、玉米、油菜等。抗除草剂：如烟草、番茄、马铃薯、棉花、油菜、大豆、水稻、玉米等。后熟控制：如番茄、芒果、木瓜等。将非豆科植物转变为固氮作物。建立作物不育系和恢复系：菊苣。改变花卉颜色、香味、发光：如多色兰花、蓝色玫瑰、单朵彩色玫瑰、香味百合、发光圣诞树。植物生物反应器：烟草、马铃薯、番茄、香蕉等。,44,.,45,.,46,.,47,.,一、生化工程学的诞生与发展,重点发展方向1、新型生物反应器的研究与开发特别是针对基因工程产品和动、植物细胞培养产品的投产研制新型生物反应器。2、新型分离方法和设备3、生物反应过程数学模型的建立研究4、生产过程控制手段的改进在线传感器、计算机硬件和软件等,48,.,二、生化反应工程,图1-6,49,.,二、生化反应工程,50,.,二、生化反应工程,一般的生化（物）反应工程由四个部分组成。、原材料的预处理包括原材料的选择，必要的物理化学方法加工，培养基的配制和灭菌、生物催化剂的制备包括菌种的选择，扩大培养和接种，酶催化反应中酶的选择，固定化。,51,.,二、生化反应工程,、生化反应器及反应条件的选择和监控生化反应器是进行生化反应的核心设备。它应为细胞或酶提供适宜的反应环境，以达到细胞生长和进行反应的目的。反应器的结构、操作方式和操作条件对反应、原料的转化率、产品的质量和生产成本有密切的关系。同时反应参数的检测与控制对生化反应过程的顺利进行也至关重要。,52,.,二、生化反应工程,、产物的分离纯化（包括初提纯和精提纯）这部分工序也常成为下游加工过程（downstreamprocessing）包括用适当的方法和手段将含量较低的产物从反应液（胞外产物）或细胞中（胞内产物）初步提取出来，然后再用进一步的方法和手段加工精制，使之达到最好的产品的质量要求。下游提取的有关方法和手段包括：物理方法：研磨、高压匀浆、过滤、离心、蒸发、干燥。物理化学方法：冻溶、透析、反渗透、絮凝、萃取、吸附、透析、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐析、结晶。化学方法：离子交换、化学沉淀。生物方法：亲和层析、免疫层析。,53,.,二、生化反应工程,当过程采用游离的整体微生物活细胞为生物催化剂时，一般称此为发酵工程。当生物催化剂为酶（游离固定化）时，此过程称为酶反应工程。另外还有动植物细胞培养工程。常常也把污水处理和从天然生物物质中提取有效成分也归入生物反应工程范围。,54,.,三生化工程的内容和任务,（一）生化工程的四个分支1、生化反应工程2、生化控制工程3、生化分离工程4、生化系统工程,55,.,三生化工程的内容和任务,（二）生化工程的内容1、胞外控制部分固定化技术、搅拌通气技术、动力学与反应器设计、过程的放大与优化、产品分离和纯化等2、胞内控制部分遗传育种、代谢控制、培养基平衡等,56,.,三生化工程的内容和任务,（三）生化工程的任务1、培养技术2、自控技术3、分离及精制技术4、外围技术5、系统化技术6、放大技术7、成熟的定律或理论,57,.,四课程内容,1、生化反应动力学生物在表观上所显示的一切生理现象（生物体内化学反应）都与酶的作用密切相关实质是研究酶催化反应动力学，主要研究酶催化反应的速度及各种因素（酶浓度、底物浓度、产物pH值、温度、抑制剂和激活剂等）对反应速度的影响，并提出从反应物到产物之间可能进行的历程。,58,.,四课程内容,2、生物反应动力学生物反应动力学是研究在特定的环境条件下，微生物的生长、产物的生成、底物的消耗之间的动态关系及规律，以及环境因子对这些关系的影响。发酵过程的优化控制，生产强度的提高均离不开动力学的研究，这是涉及提高生产工程经济效益的一个重要方面。,59,.,四课程内容,图1-7,60,.,四课程内容,图1-8,61,.,四课程内容,图1-9,62,.,四课程内容,微生物的连续培养是50年代以来发展起来的新的培养技术。连续培养有很多优点（comparedwithbatchculture），最突出的优点是能长时间保持菌体较高的代谢活力状态。目前由于一些技术问题没有得到很好的解决，所以近代发酵工业中应用连续发酵的例子不多，然而在某些特殊的情况下，如使用高的生产速率的菌株以及发酵环境条件不易造成杂菌污染的情况下，连续培养技术则充分显示其对于分批培养的明显优势而获得大规模的应用。,63,.,四课程内容,Example：SCP连续培养的单只反应器容积超1500m3；乙醇发酵单只罐300m3，10个罐串联；废水的好氧和厌氧生物处理，最完整的实践了连续培养的恒化器理论及部分细胞浓缩反馈的理论。70年代末期开发的上流式厌氧颗粒污泥床反应器的单只容量超过5500m3。连续培养技术具有广阔的应用前景，该内容纳入生化课程之内。,64,.,四课程内容,图1-20,65,.,四课程内容,3、培养基灭菌、空气除菌、通气搅拌、反应器及比拟放大。这几章的内容是生化工程学研究的焦点之一。它涉及生物产品开发过程中的小试放大到工业化生产以及保持发酵体系必须的无杂菌状态的系统理论和技术。理所应当是发酵过程人员应当具备的最基本的生化工程学知识。,66,.,四课程内容,4、固定化酶技术及应用70年代初，第一