生物工艺学第一章

1、生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室生物工艺学生物工艺学 Bioprocess Technology :Fundamentals and Application 主讲教师：欧树娣主讲教师：欧树娣生物工程教研室生物工程教研室本课程简介 教材：教材：生物工艺学生物工艺学邱树毅主编，邱树毅主编，2009年年4月第月第一版，化学工业出版社一版，化学工业出版社 考核：考核：期末总评成绩平时成绩期末总评成绩平时成绩2020+ +期末成绩期末成绩8080；考试方法：闭卷、笔试；考试方法：闭卷、笔试 基本内容基本内容：讲述氨基酸、有机酸、维生素、抗生素、：讲述氨基酸、有机酸、维生素、抗生素、核酸类

2、物质、酶制剂、基因工程产品、生物制品等核酸类物质、酶制剂、基因工程产品、生物制品等生物工程产品的生产工艺。生物工程产品的生产工艺。（必修课必修课 ，学时：，学时：72 ；学分：；学分：4.5）生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室课程任务课程任务 通过学习各种生物工程产品的生产工通过学习各种生物工程产品的生产工艺，掌握生物技术的基本原理和技术，提艺，掌握生物技术的基本原理和技术，提高分析和解决实际生产问题的能力，为今高分析和解决实际生产问题的能力，为今后从事专业工作打下坚实的理论基础。后从事专业工作打下坚实的理论基础。 生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.生物工艺学生

3、物工艺学李维平主编李维平主编,科学出版社科学出版社(2010.2.1)2. 新编生物工艺学新编生物工艺学俞俊棠主编俞俊棠主编,化学工业出化学工业出版社版社(2011.6.1)3. 生物工业下游技术生物工业下游技术毛忠贵主编毛忠贵主编,中国轻工中国轻工业出版社业出版社(2009.7)参考书目参考书目生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室参考期刊杂志v食品与发酵工业食品与发酵工业v工业微生物工业微生物v生物工程学报生物工程学报v微生物学报微生物学报生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室 第一章第一章 绪论绪论1.1 生物工艺学及其研究内容生物工艺学及其研究内容1.2 生物技术发

4、展简史生物技术发展简史1.3 生物技术的应用生物技术的应用生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.1 生物工艺学及其研究内容生物工艺学及其研究内容1.1.1生物工艺学定义生物工艺学定义 生物工艺学是研究生物技术产品生产的工艺技术生物工艺学是研究生物技术产品生产的工艺技术问题的学科，是以现代生命科学为基础，结合其他基问题的学科，是以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的过程技术手段，按照础学科的科学原理，采用先进的过程技术手段，按照设计改造生物体或生物原料，为人类生产出所需要产设计改造生物体或生物原料，为人类生产出所需要产品或达到某种目的的技术。品或达到某种目的的

5、技术。国际经济合作及发展组织所提出的定义是：国际经济合作及发展组织所提出的定义是：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠生生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。服务的技术。 欧洲生物技术联合会认为：欧洲生物技术联合会认为：生物技术是自然科学生物技术是自然科学(包括分子生物学、生物化学、化学和物理学包括分子生物学、生物化学、化学和物理学)和工程和工程科学科学(化学反应工程学、电子学等化学反应工程学、电子学等)的综合应用，以便的综合应用，以便将生物体系细胞将生物体系细胞(微生物和动植物细胞

6、微生物和动植物细胞)及其组成物，及其组成物，用于为社会提供其所需的商品和服务。用于为社会提供其所需的商品和服务。 国际纯粹与应用化学联合会对生物技术所作的定国际纯粹与应用化学联合会对生物技术所作的定义是：义是：生物技术是将生物化学、生物学、微生物学和生物技术是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程及环境保护的技术。化学工程应用于工业生产过程及环境保护的技术。 Biotechnology Biotechnology UPSTREAM PROCESSES DOWNSTREAM PROCESSES1.1.2 生物技术与相关学科的关系生物技术与相关学科的关系人文科学人文科学 物理学物

7、理学计算机科学计算机科学 天文学天文学 数数 学学 化化 学学 生生 物物 学学 农农 学学 医医 学学 工工 程程 学学 心心 理理 学学 生物物理学生物物理学 生物化学生物化学 生物数学生物数学宇宙生物学宇宙生物学 人工智能学人工智能学 植物生理学植物生理学 育育 种种 学学 昆昆 虫虫 学学 植物病理学植物病理学 人体及动人体及动 物生理学物生理学 药药 理理 学学 病病 理理 学学 生物工程学生物工程学 生物材料生物材料 生物传感器生物传感器 生物能源生物能源 生物信息学生物信息学生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室现代生物技术与现代生物技术与相关学科的关系树相关学科的关系

8、树生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.1.3 生物工艺学特点生物工艺学特点1.是一门综合性学科。是一门综合性学科。它是生物学它是生物学(包括生物化学、包括生物化学、分子生物学、微生物学等分子生物学、微生物学等)、化学、工程学、化学、工程学(包括包括化学工程，机械工程等化学工程，机械工程等)等多学科的交叉与综合。等多学科的交叉与综合。2.采用采用生物催化剂生物催化剂。与化学催化剂相比，具有反应与化学催化剂相比，具有反应速率快，催化选择性高，反应条件温和的优点，速率快，催化选择性高，反应条件温和的优点，也具有易失活、稳定性差的不足。也具有易失活、稳定性差的不足。摘自摘自综合生物技术

9、综合生物技术导言导言Moo-Young主编主编生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.1.3 生物工艺学特点生物工艺学特点1.采用可再生资源为主要原料，因而原料来源丰富，采用可再生资源为主要原料，因而原料来源丰富，价格低廉，过程中废物的危害性小，但由于原料价格低廉，过程中废物的危害性小，但由于原料成分难以控制，会给产品质量带来一定的影响。成分难以控制，会给产品质量带来一定的影响。2.与一般化工产品生产相比，其生产设备比较简单，与一般化工产品生产相比，其生产设备比较简单，能耗较低。但反应器生产效率较低。反应液中初能耗较低。但反应器生产效率较低。反应液中初产物浓度低，对产物分离提纯困难

10、。产物浓度低，对产物分离提纯困难。 副产品，杂质，纯度副产品，杂质，纯度生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室生物催化剂的制备生物催化剂的制备原料预处理原料预处理生生物物反反应应器器及及反反应应条条件件的的控控制制产物的分离纯化产物的分离纯化 1.1.4 生物反应的一般过程生物反应的一般过程 1.生物生物反应过程反应过程的概念：的概念：将生物技术的实验室将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化反应过程，也称为生物反应艺过程，常称为生化反应过程，也称为生物反应过程。其实质是利用生物催化剂进行生物技术产过程。

11、其实质是利用生物催化剂进行生物技术产品的生产过程。品的生产过程。 Bio-reaction Process ControlBio-reaction process上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES从广义上讲，由三部分组成：从广义上讲，由三部分组成：上游工程、反应过程、下游工程生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室酶催化反应过程采用游离酶或固采用游离酶或固定化酶为催化剂定化酶为催化剂时的反应过程，时的反应过程，称为酶催化反应称为酶催化反应过程。过程。 细胞反应过程采用活细胞为催采用活细胞为催化剂时的反应过化剂时的

12、反应过程。包括微生物程。包括微生物发酵反应过程，发酵反应过程，固定化细胞反应固定化细胞反应过程和动植物细过程和动植物细胞培养过程。胞培养过程。 废水的生物处理过程废水的生物处理过程它是利用微生物本它是利用微生物本身的分解能力和净身的分解能力和净化能力，除去废水化能力，除去废水中污浊物质的过程。中污浊物质的过程。 2.随着生物技术的发展，生物反应过程的种随着生物技术的发展，生物反应过程的种类和规模都在不断地扩大。目前已进行工类和规模都在不断地扩大。目前已进行工业生产的主要有以下三种：业生产的主要有以下三种：生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室3.3.生物反应过程的类型生物反应过程的类

13、型 工业上根据微生物是单一菌种或混合菌种，工业上根据微生物是单一菌种或混合菌种，把生物反应过程分为两类把生物反应过程分为两类 根据生产工艺的不同，可将生物反应过程根据生产工艺的不同，可将生物反应过程分为五种类型分为五种类型（P3）生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.1.5 生物工艺学的研究内容生物工艺学的研究内容 生物工艺学生物工艺学主要研究生物反应过程中具有主要研究生物反应过程中具有普遍意义的工艺技术问题。以探讨生物产普遍意义的工艺技术问题。以探讨生物产品生产过程中的共性为目的，从工艺角度品生产过程中的共性为目的，从工艺角度阐明阐明细胞生长和代谢产物与细胞的培养条细胞生长和代

14、谢产物与细胞的培养条件之间的相互关系件之间的相互关系，为生产过程的优化提，为生产过程的优化提供理论依据。供理论依据。 生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室(1)(1)工业微生物菌种的选育、制备与保藏工业微生物菌种的选育、制备与保藏 (2)(2)工业培养基的制备及其设计工业培养基的制备及其设计 (3)(3)生物工艺过程中的无菌技术生物工艺过程中的无菌技术 (4)(4)生物反应动力学生物反应动力学 (5)(5)发酵过程原理发酵过程原理 (6)(6)生物反应器及生物工艺过程放大生物反应器及生物工艺过程放大 (7)(7)生物工艺过程中的参数检测与控制生物工艺过程中的参数检测与控制 (8)(

15、8)生物产品分离纯化技术生物产品分离纯化技术 (9)(9)生物产品的工艺学生物产品的工艺学 生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.2 生物技术发展简史生物技术发展简史1.2.1 传统经验制造技术传统经验制造技术天然发酵阶段天然发酵阶段酿酒制醋是人类最早通过酿酒制醋是人类最早通过实践所掌握的生物技术之实践所掌握的生物技术之一；酱油、泡菜、奶酒、一；酱油、泡菜、奶酒、干酪制作、面团发酵、粪干酪制作、面团发酵、粪便和秸秆的沤制等便和秸秆的沤制等我国我国古代的酿酒作坊古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）（四川新都县出土的汉代画像）生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.

16、2.2 纯种培养技术的成功初级代谢产物生产阶段纯种培养技术的成功初级代谢产物生产阶段19世纪末到世纪末到20世纪世纪30年代，开创了工业微生物的新世纪年代，开创了工业微生物的新世纪发明显微镜，发明显微镜，首次观察到微首次观察到微生物的存在生物的存在 证实发酵是由微证实发酵是由微生物引起生物引起,发明发明了巴氏消毒法等了巴氏消毒法等创立了微生物分创立了微生物分离、培养、染色离、培养、染色技术技术巴斯德巴斯德路易斯路易斯 曲颈瓶实验曲颈瓶实验 巴氏消毒法巴氏消毒法 酒精发酵酒精发酵, ,醋酸发酵的机理醋酸发酵的机理 减毒疫苗减毒疫苗如预防斑疹伤寒和如预防斑疹伤寒和脊髓灰质炎等疾脊髓灰质炎等疾病病

17、；狂犬病疫苗；狂犬病疫苗 生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室 新产品新产品主要为酵母、甘油、乳主要为酵母、甘油、乳 酸、柠檬酸、丁醇和丙酮等；并为战酸、柠檬酸、丁醇和丙酮等；并为战前的军工业以及战后的汽车业提供原前的军工业以及战后的汽车业提供原料。料。（厌氧发酵）（厌氧发酵） 首次采用了大量纯培养技术，但首次采用了大量纯培养技术，但并非是现在的无菌操作。并非是现在的无菌操作。生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.2.3 搅拌技术成熟搅拌技术成熟好氧培养阶段：好氧培养阶段：纯种发酵纯种发酵Alexander Fleming 1928年年发现了青霉素发现了青霉素（pen

18、icillin）世界第一个抗生素世界第一个抗生素生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室发酵工业大发展时期：发酵工业大发展时期：青霉素工业化生产 主要标志: 深层培养、生产大规模化，多种抗生素、氨基酸、核酸发酵成功；采用纯种发酵，进行无菌操作，对操作条件有严格的控制，相应地采用较复杂的工艺和设备。搅拌发酵罐培养方法搅拌发酵罐培养方法 深层发酵细胞生长曲线深层发酵细胞生长曲线重要生物技术产品投入生产年代（不包括现代生物技术产品）重要生物技术产品投入生产年代（不包括现代生物技术产品）年代年代产品产品公元前公元前3020世纪世纪面包发酵、果汁酿酒、原始啤酒、醋酱、奶酪面包发酵、果汁酿酒、原始

19、啤酒、醋酱、奶酪公元前公元前10世纪世纪酱油酱油公元前公元前6世纪世纪以霉治外创以霉治外创公元公元11世纪世纪人痘接种人痘接种公元公元12世纪世纪酒精（从酒中蒸出）酒精（从酒中蒸出）公元公元17世纪世纪人工培植蘑菇人工培植蘑菇公元公元18世纪世纪牛痘接种牛痘接种18801920乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮-丁醇、淀粉酶、转化酶丁醇、淀粉酶、转化酶19201940柠檬酸、葡萄糖酸、蛋白酶、核黄素、山梨糖柠檬酸、葡萄糖酸、蛋白酶、核黄素、山梨糖19401950青霉素、短杆菌肽、链霉素、金霉素、衣康酸、纤维素酶等青霉素、短杆菌肽、链霉素、金霉素、衣康酸、纤维素酶等

20、19501960谷氨酸、土霉素、四环素、卡那霉素、葡萄糖酸、赤霉素等谷氨酸、土霉素、四环素、卡那霉素、葡萄糖酸、赤霉素等19601970葡萄糖异构酶、头孢霉素、万古霉素、甾体生物转化、黄原胶葡萄糖异构酶、头孢霉素、万古霉素、甾体生物转化、黄原胶19701980阿霉素、右旋糖苷酶、维生素阿霉素、右旋糖苷酶、维生素C、苹果酸、普鲁兰多糖等、苹果酸、普鲁兰多糖等1980阿维菌素、苯丙氨酸、环氧乙烷、丙稀酰胺、聚羟基丁酸酯阿维菌素、苯丙氨酸、环氧乙烷、丙稀酰胺、聚羟基丁酸酯生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1944年，年，Avery等人通过实验证明了等人通过实验证明了DNA是遗传物质；是

21、遗传物质；1953年，年，Watson和和Crick发现了发现了DNA双螺旋结构，并阐双螺旋结构，并阐明了明了DNA半保留复制机制；半保留复制机制；1961年，年，Nirenberg等破译了遗传密码；等破译了遗传密码；1973年，年，Stanley Cohen等人研究成果标志着基因工程等人研究成果标志着基因工程从此诞生。从此诞生。（实现了基因转移）（实现了基因转移）1976年，年，DNA测序技术诞生；测序技术诞生；1982年，用年，用DNA重组技术生产的第一个动物疫苗在欧重组技术生产的第一个动物疫苗在欧洲获得批准；洲获得批准；1.2.4基因重组技术的成熟基因重组技术的成熟现代生物技术阶段现代生

22、物技术阶段（20世纪世纪70年代末开始）年代末开始）一些正在开发或已开始生产的一些正在开发或已开始生产的DNA重组技术产品重组技术产品医药产品（包医药产品（包括畜用产品）括畜用产品）干扰素（干扰素（IFN）包括白细胞干扰素，成纤维细胞干扰素和免疫干扰素）包括白细胞干扰素，成纤维细胞干扰素和免疫干扰素胰岛素胰岛素生长激素及其相关因子生长激素及其相关因子淋巴细胞活素淋巴细胞活素血纤维蛋白溶解剂血纤维蛋白溶解剂疫苗，包括腺病毒、霍乱、脑炎、乙型肝炎、流感、骨髓灰质炎、狂犬、疟疾等疫苗，包括腺病毒、霍乱、脑炎、乙型肝炎、流感、骨髓灰质炎、狂犬、疟疾等胸腺素胸腺素白蛋白白蛋白血因子血因子促红细胞生长素促

23、红细胞生长素促血小板生长素促血小板生长素降血钙素降血钙素绒毛促性腺激素绒毛促性腺激素绝经期促性腺激素绝经期促性腺激素表皮生长因子表皮生长因子-1-1胰蛋白酶抑制剂胰蛋白酶抑制剂肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子集落刺激因子集落刺激因子心钠素心钠素单克隆抗体（供诊断和治疗用）单克隆抗体（供诊断和治疗用）DNADNA探针（供诊断和治疗用）探针（供诊断和治疗用）利用重组菌生产的抗生素、氨基酸、甾体激素、维生素利用重组菌生产的抗生素、氨基酸、甾体激素、维生素食品及饲食品及饲料添加剂料添加剂氨基酸氨基酸食品加工酶食品加工酶单细胞蛋白单细胞蛋白农业农业植物品种改良（包括增加产量，提高蛋白质含量，改进抗逆性能，具有固

24、氮能力等）植物品种改良（包括增加产量，提高蛋白质含量，改进抗逆性能，具有固氮能力等）生物杀虫剂生物杀虫剂化工及能化工及能源原料源原料用生物物质生产甲烷、甲醇、乙醇、丙酮用生物物质生产甲烷、甲醇、乙醇、丙酮-丁醇、多元醇、有机酸等丁醇、多元醇、有机酸等用于化学品或生物物质（如纤维素）转化所需要的酶用于化学品或生物物质（如纤维素）转化所需要的酶用生物催化方法生产环氧烷烃、聚羟基丁酸酯（用生物催化方法生产环氧烷烃、聚羟基丁酸酯（PHB）等）等用藻类生产碳水化合物、蛋白质等物质用藻类生产碳水化合物、蛋白质等物质生产黄原胶等粘性物质（以提高油井的采油量）生产黄原胶等粘性物质（以提高油井的采油量）环境保护

25、环境保护高效生物降解或解毒菌种高效生物降解或解毒菌种截止截止1988年由美国批准生产的主要生物技术治疗药物年由美国批准生产的主要生物技术治疗药物通称通称商品名商品名生产公司生产公司用途用途1988年销售额年销售额（105美元）美元）人胰岛素人胰岛素HumulinEli Lilly治疗糖尿病治疗糖尿病115人生长激素人生长激素Protropin HumareopeGenentech Novo Eli Lilly治疗儿童生长发治疗儿童生长发育不良育不良150-干扰素干扰素Intron AReferon ASchering-Plougn Hoffman La Roche治疗毛细胞治疗毛细胞白血病白血

26、病7880乙型肝炎疫苗乙型肝炎疫苗Merck防治乙肝防治乙肝低于低于30组织血纤维蛋组织血纤维蛋白溶酶激活白溶酶激活剂剂TPAActivaseGenentech治疗心脏病突发治疗心脏病突发症症170抗抗T-细胞单克细胞单克隆抗体隆抗体Orthoclone OKT-3Ortho治疗肾移植抗异治疗肾移植抗异低于低于15生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室基因工程菌基因工程菌转基因抗虫棉转基因抗虫棉荧光转基因猪荧光转基因猪基因工程技术基因工程技术生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室1.3 生物技术的应用生物技术的应用 基因工程正在引发农业革命，不断增加农基因工程正在引发农业革

27、命，不断增加农作物的品种。通过转基因技术已培养出具有抗旱、作物的品种。通过转基因技术已培养出具有抗旱、抗除草剂、抗病毒、抗盐碱、抗病虫害等抗逆特抗除草剂、抗病毒、抗盐碱、抗病虫害等抗逆特性及品质优良的作物新品系。性及品质优良的作物新品系。涉及到的作物种类涉及到的作物种类包括马铃薯、油菜、烟草、玉米、水稻、番茄、包括马铃薯、油菜、烟草、玉米、水稻、番茄、甜菜、棉花、大豆等。甜菜、棉花、大豆等。 1.3.1 农业农业转基因抗虫番茄转基因抗虫番茄转基因技术转基因技术生物工艺学生物工艺学生物工程教研室生物工程教研室转基因超级奶牛转基因超级奶牛转基因兔子转基因兔子 利用转基因技术可以提高包括鱼在内的农畜肉的产量和品利用转基因技术可以提高包括鱼在内的农畜肉的产量和品质，提高奶产量和质量，增加动物的抗病性，此外，还可质，提高奶产量和质量，增加动物的抗病性，此外，还可以低成本地生产出贵重药物或其它生物制品，生物技术还以低成本地生产出贵重药物或其它生物制品，生物技术还可用于农业快速分析和动物免疫疾病的快速诊断可用于农业快速分析和动物免疫疾病的快