生物化学工程-绪论

1、1,生物化学工程,2,生物化学工程,第一章：绪论 第二章：工业微生物概论 第三章：灭菌技术 第四章：氧的供需与传递 第五章：生物反应器 第六章：微生物培养技术与动力学 第七章：动物细胞大规模培养技术 第八章：植物细胞大规模培养技术 第九章：生物物质分离与纯化 第十章：生化生产工艺实例,3,第一章 绪 论,1.1 生化工程的定义及其与生物工程的关系 生物化学工程简称生化工程（biochemical engineering)，是应用化学工程的原理和方法将生物工程的实验室成果进行工业开发的学科。它即可视为化学工厂的一个分之，又可认为是生物工程的一个组成部分。是以应用基础研究为主，是走向产业化的必由之

2、路。 生物工程则是（biotechnology，又称生物技术）是应用生物体（包括微生物，动物细胞，植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶），在最适条件下，生产有价值的产物，或进行有益的过程技术。以生命科学为基础。 现代生物技术包括基因工程，细胞工程，酶工程，蛋白质工程和发酵工程,4,下游过程,生物反应过程(中游过程),上游过程,5,6,7,1.2 生化工程发展简史 传统的生物技术制品： 如传统的发酵制品, 生产技术带有浓郁的地方性和经验性的特点,设备简单. 20世纪初, 微生物产品有所发展,但主要属于初级代谢产物, 厌气发酵, 设备也相对简单（乳酸，乙醇，丙酮）。 20世纪40年代,抗生素的发展,

3、使生化工程诞生. 特点是好气发酵,产物结构复杂,次级代谢物, 培养液含量低,无菌条件高. 20世纪50年代, 氨基酸工业, 60年代: 酶制剂. 70 年代: 干扰素, 胰岛素, 生长激素, 乙肝疫苗, 单克隆抗体.,8,我国现代生物技术产品年销售情况,9,10,生物化工产品的特定产物和反应条件，决定了常规工业反应装置和分离纯化设备必须经过专门的设计和改进后才能得以应用，新型高性能的生化反应器和高效分离纯化设备、分离介质以及反应工艺及分离工艺的研制开发是生物化工产业开发的重点领域。生物化工是化学工业的前沿领域之一，在生物技术转化为生产力的过程中起决定性的作用。在生物技术发展初期，生物化工的重要

4、作用并没有得到足够的重视，随着生物技术产业的发展和化学工业结构和产品结构的调整，越来越多的生物技术产品极大地依赖生物化工技术才能实现规模化生产，而且许多化学品的生产工艺有生物法取代，显示了很大的优势。据美国和欧盟预测生物技术产业在未来10年内将增长10-20倍，生物化工产品在化学工业中的比重也将提高一倍。,11,目前生物化工的发展速度显然不能适应生物技术产业化的飞速发展。生物化工面临着改造传统产业和发展生物高技术产业的双重任务。加强生物技术的研究开发，大力发展生物化工不仅是化学工业自身发展的需要，也是生物技术产业化的保证。,12,1.3 生化工程的基本内容 新型生物反应器的研究开发，特别是针对

5、基因工程产品和动、植物细胞培养的产品的投产研制新型生物反应器。重点在于生物安全。植物细胞对剪切力和环境敏感以及培养周期长而防止污染的问题。动物细胞的附壁生长的特点。 新型分离方法和设备的研发，特别是针对蛋白质、多肽产品的分离。 各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有利于过程的控制和优化以及计算机的应用。 生物反应器内重要参数的传感器的研制和有关计算机控制系统硬件及软件的建立和完善。,13,第二章 工业微生物学概论,2.1 工业生产中常见的微生物 2.1.1细菌（bacteria）分布广，数量多，与人的关系密切。按其形态分为球菌、杆菌和螺旋菌 其中发酵工业中常用的为杆菌。包括醋酸杆菌属（Ac

6、etobacter）,乳酸杆菌属（Lactobacillus）,芽孢杆菌属（Bacillus）,如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）可生产-淀粉酶和蛋白酶和5-核苷酸酶等。梭菌属（Clostridium）如丙酮丁醇的梭状芽孢杆菌（Clostridium acetobutylium）。大肠杆菌（Escherichia coli）：判断食品被动物排泄物污染的可能，公共卫生的重要指标。，在工业上利用大肠杆菌的谷氨酸脱羧酶进行谷氨酸定量分析。利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨酸和缬氨酸。医药方面用大肠杆菌制造治疗白血病的天冬酰氨酶，基因工程菌。产氨短杆菌（Brevibacterium am

7、moniagenes）：短杆菌属，为氨基酸、核苷酸和酶法生产辅酶A的菌种。,14,Staphylococcus aureus,15,2.1.2 放线菌（Actinomyces） 因菌落呈放射状而得名，大多数是腐生菌。介于细菌和霉菌呈长的细丝，与霉菌相似，但宽度与细菌相似，无横隔，为单细胞，菌丝无完整的核，为原核生物。土壤中含有104-106/g，有特有的土腥味。它的一大贡献是产生抗生素。不完全统计，目前，自然界发现和分离了5500种以上的抗生素，其中放线菌产生的有4400多种。其中链霉菌属（Streptomyces）自1942年，Waksman 发现灰色链霉菌（产链霉素）相继发现了发酵工业中常

8、用的有龟裂链霉菌（生产土霉素），红链霉菌（产红霉素），金黄色链霉菌（产金霉素），委内瑞拉链霉菌（产氯霉素），卡那链霉菌（产卡那霉素）。小单孢菌属（Micromonospora）不形成气生菌丝体，在基内菌丝体上长出孢子梗，顶端着生一个球形、椭圆、或长形的孢子。菌落常带有颜色。此属产抗生素的菌种有30多种。如绛红小单胞菌和棘孢小单孢菌属都产（产庆大霉素）,16,单细胞，卵圆形，圆形或圆柱形。酵母对发酵生产特别有利，自古酿制含酒饮料，而后做面包，发馒头，进行酒精、甘油的生产，近年又用酵母进行石油发酵脱腊、生产各种有机酸。又因酵母内含有丰富的蛋白质、维生素和各种酶，所以酵母本身又是医药、化工和食品工业

9、中的重要原料。如单细胞蛋白质、酵母片、核糖核酸、核苷酸、辅酶A、脂肪酸及乳糖酶等。酵母的繁殖通常以芽殖为主。工业中常用的菌主要有酿酒酵母菌属和假丝酵母菌属，前者用于酿酒，后者用于其他的发酵生产。,2.1.3 酵母菌（yeast）,17,2.1.4霉菌（molds） 凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌为霉菌。在自然界中分布广，存在土壤、空气、水和生物体内外等处，喜偏酸性环境，多数为好氧性、多腐性，少数寄生。其繁殖能力强，以无性和有性孢子繁殖，生长方式以菌丝末端伸长和顶端分支。霉菌是菌丝体结构，呈分支状，它既可以引起食品、衣服、粮食及生活用品的霉烂，又可以用于发酵生产。例如远古时代

10、，用霉菌作曲制酱；近代利用霉菌生产酒精、有机酸、抗生素、酶制剂、维生素及激素等多种制品。发酵工业中常用的霉菌有曲霉属（Aspergillus）如黑曲霉（生产淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶）它的变异株可生产柠檬酸、葡萄糖酸、草酸和抗坏血酸），米曲霉含有多种酶类，糖化型淀粉酶和蛋白酶都较强主要用在酿酒的糖化曲和制酱油的酱油曲。黄曲霉，产生液化型的淀粉酶。但某些菌种产生黄曲霉毒素，特别在花生和花生饼粕上易形成，导致人蓄中毒或致癌。青霉属1929年Fleming首先发现青霉素以来，一些典型的青霉菌如产黄青霉（产青霉素），展开青霉（产灰黄霉素），根霉属（用于制曲和生产乳酸等）。,18,Some f

11、ungi produce antibiotics,Penicillin was the first antibiotic to be discovered,19,Aspergillus,20,2.1.5其他微生物 ：担子菌，即菇类微生物，其资源利用越来越受人们的重视。如多糖，橡胶物质，抗癌药物的开发“1，2-葡萄糖苷酶及某些多糖物质具有抗癌作用。：藻类，是分布最广的自养微生物。可作为人类保健品和饲料。培养螺旋藻60吨（GW）/公顷，大豆4吨/公顷，是大豆的28倍。 2.1.6 噬菌体 凡用细菌和放线菌为生长菌株的发酵工业，均存在噬菌体的问题。,21,22,巨大螺旋蛋白质含量6570；含有多种维

12、生素，VB12最丰富，富含八种必须氨基酸；螺旋藻多糖，多种微量元素，如铁、钾、钠、镁和钙等；含高量胡萝卜素，七是含高含量的gamma-linoleic acid (gamma-亚麻油酸)，可降低人体血脂；另外还含有大量的藻胆蛋白，这是一种能促进机体免疫系统功能增强的生物活性物质。由此可见，螺旋藻是一种高级营养食品，同时还是多种药品特别是保健药品的重要原料。,23,小球藻：繁殖能力强，利用太阳能生产蛋白质，占其胞重的50%，超过牛肉和大豆，另外还含有糖类、脂肪、维生素和矿物质以及一种生长因子，可促进儿童的生长发育和增强体质，用于食品或是食品添加剂。 杜氏藻（盐藻) 光能转化率高，生长繁殖快的单细

13、胞藻。在条件适当的情况下，这种藻可大量合成胡萝卜素，从10公斤鲜藻内可获得1公斤-胡萝卜素，这比胡萝卜高出了500倍左右。由于-胡萝卜素抗氧化能力强，又是人体必需的最重要的活性物质，加上其资源极其丰富和易加工等特点，,24,Phage reproductive cycle,Figure 10.1C,Phage attaches to bacterial cell.,Phage injects DNA.,Phage DNA directs host cell to make more phage DNA and protein parts. New phages assemble.,Cell l

14、yses and releases new phages.,25,目前在国际下备受关注，如澳大利亚、以色列和日本等国每年都生产出大量的杜氏藻粉，除进行深加工外还出口到世界种地。当前这种海洋生物技术也是许多国家竞争的热点。我国是海洋大国，海洋生物资源十分丰富，在即新的世纪，利用我们自身的这种优越的自然条件发展海洋生物技术，开发海洋生物新产品已刻不容缓。,26,27,International Culture Collections,Domestically, strains can be purchased from: CGMCC or China General Microbiological

15、 Culture Collection Center 中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，北京中关村,28,第三章: 灭菌技术,3.1. 灭菌的原理和方法 3.2. 培养基灭菌 3.3. 空气灭菌,生物生产过程是一个纯培养过程，必须保证在生产的各个环节是无菌的(空气、培养基、管路和设备),29,3.1. 灭菌的方法和原理,. 化学试剂灭菌法. . 电磁波、射线灭菌法. . 热灭菌法 (干热、湿热和火焰灭菌法). . 过滤除菌法 (阻留微生物，达到除菌的目的),30,常用化学消毒剂及其使用方法,常用化学消毒剂及其使用方法,31,由于该方法灭菌与培养基中的一些成分发生反应， 并且会残留在培

16、养基中，所以只适合一些环境及器皿 表面的消毒而不适合于培养基的灭菌。,化学消毒剂方法的局限性,32,. 电磁波、射线灭菌法.,1：原理：利用高能电磁波、紫外线或放射性物质产生的高能粒子可以起到灭菌的作用。 波长在(2.1-3.1) 10-7 m的紫外线 表面或空气灭菌。 波长在(0.06-1.4) 10-7 m的 X 射线/射线(Co60) 在 工业上还少采用。,穿透力差,设备投资高,33,. 热灭菌法.,干热灭菌法：160，1 h。使微生物体内的蛋白质发生氧化作用而死亡。用于实验器具和材料的灭菌。 湿热灭菌法：利用饱和蒸汽灭菌。使微生物体内的蛋白质发生凝固作用而致死。 由于蒸汽有很强的穿透力

17、，冷凝时放出大量的潜热，来源方便，价格低廉，灭菌效果好，是目前最基本的适合培养基和设备的灭菌方法。一般条件为：121，30 min。,34,利用过滤的方法截留微生物的方法。适合于澄清的液体和气体的除菌。工业上常用此法制备大量的无菌空气，供好气性微生物的培养使用。,火焰灭菌法： 利用火焰直接把微生物杀死。方法简单、灭菌彻底，但适用范围有限,.过滤除菌法：,35,36,3.2. 培养基灭菌,培养基中含有丰富的营养，工业化生产中，体积大，生产的时间长，很易受到杂菌的污染。 工业上常采用湿热灭菌的方法。 灭菌的要求：工业上无菌（灭菌度为1000）。即尽可能的出去杂菌的同时，还要尽可能的减收营养物的损失

18、。 常采用的条件为：121，20-30 min。 3.2.1：灭菌的基本理论（一）微生物的死亡动力学 A:对数残存定律： 微生物受热死亡的主要原因是高热能使蛋白质变性，这种反应可认为是单分子反应，死亡速率可视为一级反应，即与残存的微生物数量成正比，,37,式中 N经时间t后残存的活菌浓度（个/L)，N0开始灭菌时原有活菌浓度（个/L)； t灭菌时间（s,min） K灭菌速率常数或比死亡速率常数（s-1,min-1）它的大小与微生物的种类和加热温度有关。在同等温度下，其值小，微生物的耐热性强。 从上式得出：t,N之间的关系为对数,t=（2.303/K）(N0/ N),38,式中N/N0, 菌体存

19、活率，而N0/N，为灭菌度。 B:非对数死亡规律： 对于耐热性的微生物芽孢，其死亡不符合对数规律。具有代表性的模型为Prpkop T 绝对温度，K; E 微生物死亡活化能，J/mol. K= A (E /RT). dK/dT= E /RT2. 从（2）式看出： E 大， K对T的变化率越大，即对温度变化敏感。 培养基中的热灭菌既要杀死杂菌，又要保存其中的有效成分，因而研究热对营养物质的影响是十分必要的,42,（三）温度对营养物质分解破坏速率常数K的影响 同样是为一级反应：dC/dt=KC 其中：C 培养基内易被破坏成分的浓度mol/L; t 灭菌时间（min,s); K 分解速度常数。 而且K

20、同样受到温度的影响， 符合Arrhenius方程，即有：K= A (E /RT). dK/dT= E /RT2. ,43,当培养基温度从T1升至T2时： 对微生物其死亡速度常数的得比值 K2/K1=exp( E /R)(1/T2 1/T1) (K2/K1)= (E /R)(1/T2 1/T1).(3) 同理：对培养基中的营养物质 (K2/K1)= (E /R）(1/T2-1/T1)(4) (3)/(4)得： (K2/K1) / (K2/K1) =E/E(5) 从(5)中看出，活化能大，反应速度常数变化程度也大。,44,细胞芽孢和热敏性营养物的活化能,判断采用高温或是在低温条件下杀菌是由该反应的

21、活化能的大小决定。灭菌温度升高时，微生物杀死速率的提高要超过营养成分破坏的速率。在灭菌度相同的条件下，Kt=常数，因而高温K值增大，时间必定大大缩短，营养物质总的损失可以减少，因此高温短时灭菌比低温长时要好。此为灭菌动力学得出的最重要的结论之一。,45,例1：当杀菌温度从120升至150 ，试计算维生素B1的分解速率常数KB和嗜热脂肪芽孢杆菌的死亡速率常数KS。已知ES=283460 J/mol, As=1.061036 (min-1) ；EB=92114 J/mol, AB=1.061010 (min-1) 解： 由（1）式，即K= A (E /RT)得 Ks= As ES /(2.303

22、RT) Ks在120 时为0.024 (min-1) 150 时为11.12 (min-1)灭菌速率常数提高463倍。 同样地： KB在120 时为0.055 (min-1)，150 时为0.404 (min-1)，同样的温度变化仅提高7.3倍,46,解：因营养物质的损失为一级反应； 固有 C/C0=Kt=0.418 C/C0=0.658 B1的损失（ C0 0.658 C0)/ C0=0.342,例2：在120 时灭菌7.6 min,计算维生素B1的损失度。已知K=0.055(1/min)。,47,48,3.2.2：影响灭菌的因素 培养基成分：影响微生物的耐热性。 培养基的物理状态：导热方式

23、 培养基的pH 培养基中的微生物量。N正比于N0 微生物细胞中的水含量。水 微生物细胞菌龄 微生物的耐热性，细菌芽孢最耐热 空气排出情况 泡沫：热量传递难 避免突然进汽或加大排气。 搅拌,M失活易,49,3.2.3灭菌操作 一、间歇灭菌 （一）、间歇灭菌 又称实罐灭菌，将配置好的培养基放在发酵罐中或其它装置中，通入蒸汽将培养基和所用的设备一起进行灭菌的过程。此法对设备要求简单，灭菌可靠，无需专门的灭菌设备，投资少，是中小型工厂厂采用的一种方法。 分为三个阶段：升温、保温和冷却。,50,（二）间歇灭菌的计算 升温阶段：采用间接加热（夹套、蛇管）；直接加热（在培养基中直接通入蒸汽）；或二者同时进行

24、的加热方式。,51,由微生物死亡动力学公式 dN/dt= KN K=Aexp( E/RT),总=N0/N=0t Aexp( E/RT)dt,N0/N= (N0/ N1)(N1/ N2)(N2 /N) = (N0/ N1)+ (N1/ N2)+ (N2 /N) = 加+ 保+ 冷,52,在加热或冷却工程中,温度随时间而发生改变， 加=Aexp( E/RT)dt关系式复杂，积分困难，目前可用Richards简易算法算出。其认为当温度超过100后，才能具有杀灭微生物的作用，并且随着温度的升高，该作用也随之增大。据此他以嗜热脂肪芽孢杆菌为指示菌，在每分钟升高1的条件下，在不同温度下的(N0/ N1)，

25、并汇总于表（p84) 加= 查表升至恒温的时间/(恒温温度-100 ) 冷= 查表降温的时间/(开始降温温度-100 ),53,例3:培养基在30 min内从100 升至121 ，或在17 min内从121 冷却至100 ，Richards简便方法计算加和冷?,解： 在 1 /min 条件下，培养基从120 121 ， 加为12.549， 加= 查表升至恒温的时间/(恒温温度-100 ) 加= 12.549 30/21=17.93 冷= 查表降温的时间/(开始降温温度-100 ) 同理: 冷= 12.549 17/21=10.16,54,例4:若某发酵液中原含活菌1011个,灭菌后的活菌数为1

26、0-3个,且发酵液在16 min内从100 被加热到121 ，之后，在此温度下保温t min，接着，发酵液再在17 min内从121 冷却到100 ，求所需保温时间t。已知121 的K=2.54 min-1,解：发酵液在杀菌前后体积不变 总= N0/N= 1011/ 10-3= 1014 = 32.2 加= 12.549 16/21=9.56 冷 =12.549 17/21=10.16 又 总=加+ 保+ 冷 保=32.2-9.56-10.16=12.48,55, 保= 0t Aexp( E/RT)dt=Kt t= 保/K=12.48/2.54=4.91 (min),升温阶段对灭菌的贡献加/

27、总=9.56/32.2=0.29 降温阶段对灭菌的贡献冷/ 总=10.16/32.2=0.31 从上例说明升温和冷却阶段对整个灭菌过程来说，效果十分可观。 一般地加/ 总占0.2，而冷/ 总占0.05，保温阶段保/ 总占0.75,56,二、培养基的连续灭菌,将配置好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温、和冷却而进行灭菌。连续灭菌可在短时间内加热到保温的温度，并且能很快地冷却，因此可在比间歇灭菌更高的温度下进行灭菌，有利于减少营养物质的损失。,培养基连续灭菌过程中的温度的变化,1、基本流程,57,配料罐将培养基预热60-70，防止培养基在杀菌时料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击

28、声。 连消塔（加热塔）使培养基迅速（20 s)升温（126-132 ）。 维持罐：使培养基温度保持在灭菌温度下一段时间。2-7min. 冷却管：将培养基迅速冷却到40-50 ，输送到灭菌后的发酵罐内,58,2、喷射加热连续灭菌流程,59,3、薄板换热器连续灭菌流程,作业：P90; 1;3;6,60,3.3. 空气灭菌,好氧微生物在发酵过程中需氧。而空气中夹带有大量的各类杂菌，因而在培养系统通入空气之前须除菌。生产中应用的无菌空气认为10-3 。一般空气中的含量103-104个/m3,菌体的平均尺寸为0.6 m。,3.3.1 空气灭菌的方法,空气中微生物种类：包括细菌、细菌和霉菌孢子，酵母菌和病

29、毒。研究其分布情况有利于选取良好的取风位置和提高空气除菌效率。 数量与环境温度和湿度有关。 城市中空气微生物的含量大于农村和山区的 地面空气微生物的含量大于高空中的。 潮湿温暖的南方地区微生物的含量大于干燥寒冷的北方地区。 尘埃数量与微生物量呈线性关系（y=0.003x-2.6),61,热灭菌法 Decker等发现悬浮于空气中的细菌孢子在218 ，24 s内可被杀死。利用空气压缩时温度升高来杀死微生物热灭菌方法（属于干热灭菌)。压力与温度的关系为,T2=T1(P2/P1)(m-1)/m 式中, T1, T2分别是空气压缩前后的温度, K; P1, P2 分别是压缩前后的的空气压力，Pa; m

30、多变指数，1.25。 实际工艺所采用进口空气温度T1=60-70 , P2/P1=6,则出口温度达到200 以上（203-217），即可达到灭菌的目的。 该方法已成功地应用在丙酮、丁醇、淀粉酶和2，3 丁二醇的发酵生产。 其工艺流程为,62,63,辐射灭菌和化学灭菌法在发酵工业上大规模 的制备无菌空气尚待经一步研究.,静电除菌法,使空气中的微粒（水雾、油雾、尘埃和微生物）在静电场的作用下会被电离成带电微粒，然后将其铺集在电极上。对1 的微粒去除率高达99%，耗电量小处理1000 m3空气/(0.4-0.8 kW),气体压力损失小，但对很小的微粒，由于所带电荷小，静电引力接近于气流对微粒的拖动力

31、或布朗扩散动量时，不能除去。同时设备庞大，一次性投资费用高。,65,介质过滤除菌法,工业上最常用的空气除菌方法。是通过过滤介质阻截空气中所含微生物，从而获得无菌空气。,过滤介质孔隙,绝对过滤:孔径(0.01-0.2 )小于微生物粒子（0.5-2 )的微孔过滤膜。,相对过滤：过滤介质孔隙大于微生物直径。如棉花、活性炭、玻璃纤维等,3.3.2 过滤介质除菌的原理,棉花纤维直径16-20 , 孔隙直径20-50 ,微生物直径0.5-2 .微粒随空气流通过一定厚度的过滤层时，滤层纤维所形成的网格对气流进行无数次的阻碍，从而无数次的改变气流的运动速度和方向而绕流运动，这将引起微粒对滤层纤维产生惯性撞击、

32、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电引力等作用，将微粒捕获在纤维表面实现过滤。,66,惯性撞击截流作用机理,为空气过滤器的主要作用。滞留微粒的宽度区间b与纤维 直径的df之比惯性撞击捕集率1=b/df 其中1是惯性准数(）的函数。 即，1 =f( ) 与纤维直径、 微粒的直径和微粒的速度关系为, =(Cpd2p0)/(18df),其中:C,克宁汉修正系数； 0，空气在纤维间的真实速度； p，dp为微粒的密度和直径； 为空气的黏度； df为纤维直径。,从公式可以看出：当过滤器和空气中的微粒一定时，影响铺集率的参数为0。 0为某一临界值，1 =0，实验测得=1/16时满足此条件，求出c=1.25(df)/ (Cpd2p).,67,拦截滞留作用机理,当气流速度小于惯性撞击的临界速度时， 显著下降，若继续下降时， 不再继续下降，反而有所回升，即为拦截滞留在起作用;其经验公式为,从式中看出2与微粒直径和纤维直径之比有关，同时与空气流速成反比，即当气流速度低时截流才起作用，,当微粒直径为1 m,C=11.46, =1.86 10-5(Pa.s), p=1000(kg/m3),则vc=1.8 104 df (m/s),纤维细,对捕集有利