生物反应工程2010.ppt

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生物工程反应姜梅2010.9联系方式：

M84396989（O）绪绪论论n本章重点：

生物反应工程生物工程概念与内容；n本章难点：

生物反应过程与生物反应工程的区别区别。

1.1生物反应过程概述生物反应过程概述1.1.1生物反应过程生物反应过程（bioprocess）n定义：

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艺过程。

n实质：

利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。

n青霉素的生产。

抗生素抗生素青霉素青霉素n罗罗伯伯茨茨（W.Roberts，1874）1874）首首次次报报道道微微生生物物的的颉颉颃颃（xiexiehanghang）现现象象（antagonism）灰灰绿绿青青霉生长旺盛的液体会使人工感染细菌困难霉生长旺盛的液体会使人工感染细菌困难n廷廷德德尔尔（J.Tyndall,1876）青青霉霉菌菌与与细细菌菌液液体体培培养养中有颉颃现象中有颉颃现象n巴巴斯斯德德和和朱朱伯伯特特（J.F.Joubert，1877）用用炭炭疽疽芽芽孢孢杆菌培养物感染动物杆菌培养物感染动物n巴巴比比斯斯和和科科尼尼尔尔（V.Babes&A.V.Cornil,1885）细细菌之间菌之间n青霉素的生产n1928.9英国Fleming发现青霉素n1938英国Flory和Chain重复（实验室）少量败血病失败n第二次世界大战美国D.Elder液体深层发酵0.001g/Ln1945青霉素高产菌株产黄青霉（Penicilliumchrysogenum）育种技术培养基设计技术搅拌通气发酵罐为反应器（六叶平板桨）氧的传递技术等等化学家钱恩化学家钱恩（E.Chain）获得精制品，获得精制品，19401940在美国产业化在美国产业化当前水平当前水平6000080000U/ml（150m3）空气净化工艺流程n生物技术biotechnology侧重技术方法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为社会服务的技术。

n生物科学bioscience：

侧重机理研究生命现象和生命活动规律的科学n生物工程bioengineering：

侧重工程

（一）描述性生物学119世纪30年代，德国植物学家施莱登、动物学家施旺提出细胞学说。

21859年，英国生物学家达尔文出版物种起源。

（二）实验生物学阶段：

（孟德尔遗传规律重新提出1900年）（三）分子生物学阶段：

11944年，美国生物学家艾弗里首次证明DNA是遗传物质。

21953年，美国沃森，英国克里克提出DNA双螺旋结构模型。

生物科学发展n生物工程专业本科授予工学学士学位，生物科学和生物技术专业本科授予理学学士学位。

n以清华大学清华大学为例，生物科学与技术系是培养在生物科技领域从事科学研究、教学和应用开发工作的高水平人才的专门系科。

现设有生物科学和生物技术两个本科专业，为了拓宽人才培养口径，招生时按生物科学一个专业招生。

虽然分为两个专业，但课程安排和教学内容上并没有什么区别，只是在写毕业论文时各有侧重。

生物科学专业主要涉及生物化学、分子生物学、生物物理学、结构生物学和细胞发育生物学等学科领域。

生物技术专业主要包括生物芯片技术、微生物发酵工程、藻类技术、细胞工程及酶工程和生态环境工程。

为使学生适应未来生物科技发展的需要，培养学生不仅注重生物学知识的学习和实验技术的训练，而且重视学生在数、理、化、计算机等方面的培养和训练，还需学习无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、普通生物学、生物化学、细胞生物学、微生物学、遗传学、分子生物学、动物生理学、生物物理学及电工与电子技术、计算机软硬件技术基础课程。

另有神经生物学、发育生物学、免疫学和生物工程学等一系列课程可选修。

n以上海交大上海交大为例，生物技术专业旨在培养具有扎实的现代生命科学理论基础和熟练的操作技能与工程基础知识、掌握计算机以及外语的高级专业人才。

研究方向为生物大分子的结构与功能、基因分子生物学、人类与动物分子遗传学、微生物代谢与调控以及植物基因工程等。

该专业主要学习与基因工程、蛋白质工程等相关的基础理论和操作技能。

主要课程有：

普通生物学、生物化学、神经生物学、微生物学、微生物原理、基因工程原理与方法、细胞工程、生化工程、酶与酶工程、发酵工程、计算机在生命科学中的应用、生命科学信息与情报、生命科学基础讲座等。

示意图细胞酶（游离或固定化）空气能量提取精制产品生物催化剂副产品灭菌废物原料基质或培养基生物反应器检测控制系统组成n原料的预处理选择、加工（物理或化学）、培养基的配制和灭菌；n生物催化剂的制备菌种的选择、扩大培养和接种，酶的纯化和固定化等；（核心）n生物反应器及反应条件的选择与监控反应器的结构、操作方式、操作条件；反应参数的检测与控制；n产物的分离纯化去除杂质，提高浓度。

以生物反应器为核心，之前反应上游以生物反应器为核心，之前反应上游加工；之后反应下游加工加工；之后反应下游加工1.1.2生物反应过程的特点生物反应过程的特点n一门综合学科生物学：

生物化学、分子生物学、微生物学化学：

无机、有机、分析、物理工程学：

化学工程、机械工程；n采用生物催化剂酶Enzyme；n采用再生资源为原料丰富、低廉，危害性小；难控制，质量不稳定；n设备简单，能耗低。

1.1.3生物反应过程的分类生物反应过程的分类

（1）酶反应过程游离、固定化酶

（2）细胞反应过程微生物和动植物反应（3）废水的生物处理过程废水的生物处理过程特点：

是由细菌等菌类、原生动物等各种微生物构成的混合培养系统；几乎全都采用连续操作；微生物所处的环境条件波动大；反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢产物和微生物细胞本身；不计成本。

1.2生物工程生物工程1.2.1生物工程的定义生物工程的定义人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。

1.2.2.生物工程的分类生物工程的分类：

n基因工程（Geneengineering）n细胞工程（Cellengineering）n酶工程（Enzymeengineering）n发酵工程（Fermentationengineering）n蛋白质工程（Proteinengineering）细胞工程细胞工程细胞工程细胞工程微生物微生物微生物微生物工程菌工程菌工程菌工程菌发酵工程发酵工程发酵工程发酵工程产产产产品品品品蛋白质或酶蛋白质或酶蛋白质或酶蛋白质或酶蛋白质或蛋白质或蛋白质或蛋白质或酶工程酶工程酶工程酶工程基因工程基因工程基因工程基因工程优良动、优良动、优良动、优良动、植物品系植物品系植物品系植物品系动、植物个动、植物个动、植物个动、植物个体或细胞体或细胞体或细胞体或细胞基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程之间的相互关系蛋白质工程之间的相互关系蛋白质工程之间的相互关系蛋白质工程之间的相互关系1.2.3.生物工程涉及的学科生物工程涉及的学科nn学科众多。

学科众多。

学科众多。

学科众多。

分子生物学、微生物生理学、生物化学、免疫生物学等等。

nn使用现代化器和设备使用现代化器和设备使用现代化器和设备使用现代化器和设备技术手段。

技术手段。

技术手段。

技术手段。

nn广阔的应用前景；广阔的应用前景；广阔的应用前景；广阔的应用前景；医药林业环境保护能源采矿冶金农业材料畜牧业化工表表表表1-11-1重要的现代生物技术仪器和设备重要的现代生物技术仪器和设备重要的现代生物技术仪器和设备重要的现代生物技术仪器和设备名称用途用途1DNA自动测序仪自动测定核酸的核苷酸2蛋白/多肽自动测序仪测定蛋白质、多肽的氨基酸序列3半自动DNA测序仪测定核酸的核苷酸序列4DNA自动合成仪合成已知寡核苷酸序列5蛋白/多肽自动合成仪的蛋白质或多肽6生物反应器细胞的连续培养7发酵罐微生物细胞培养8热循环仪（聚合酶链式反应仪、PCR仪）DNA快速扩增9序列分析软件核酸/蛋白质序列分析10基因转移设备将外源DNA引进靶细胞11色谱软件控制色谱仪、收集和处理数据12高效液相色谱仪物质的分离和纯化及纯度鉴定13电泳设备物质的分离和纯化及纯度鉴定14凝胶电泳系统蛋白质和核酸的分离和分析15毛细管电泳仪质量控制、组分分析16超速、高速离心机分离生物大分子物质17电子显微镜观察细胞及组织的超微结构图生物技术树1.2.4生物工程的研究的内容生物工程的研究的内容运用化学工程的原理与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科。

既为生物技术服务的化学工程。

n化学工程的原理与方法化学反应、原料的处理和产物的分离、能量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列工程技术问题。

n化学工程传递工程、分离工程、反应工程、化工热力学、化工过程系统工程n工程分类生物（生化）反应工程和生物分离工程1.3生物反应工程生物反应工程n1.3.1定定义义：

研究生物反应动力学，反应器的结构、设计、放大以及反应器优化的一个重要学科。

n实质：

生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。

如何从生物现象中抽象出共性的内容如何从生物现象中抽象出共性的内容n从宏观看从宏观看以获得生物量为目的：

以获得生物量为目的：

生物合成速率生物合成速率影响因素（生物体、基质、环影响因素（生物体、基质、环境因素、操作条件等）境因素、操作条件等）以获得目的产物为目的：

以获得目的产物为目的：

n从微观看从微观看转录与转译速率转录与转译速率=（基因量、（基因量、.等等）调控速率调控速率=（表达速率、酶活力、（表达速率、酶活力、等）等）1.3.21.3.2反应器反应器反应器反应器生物反应过程的关键设备。

生物反应过程的关键设备。

操作方式产品的质量操作条件产量结构能耗n原因物料的混合与流动传质与传热三传一反氧和基质的供养和传递等等1.3.3内容：

内容：

n以生物反应动力学为基础，通过运用传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学的方法，进行生物反应过程的工程分析与开发，以及生物反应器的设计、放、操作和控制等。

n1971英国阿特金逊B.Atkinson采用生化反应工程术语1974编写生化反应器n1979日本山根恒夫编生物反应工程n1985德国许盖尔特Schugerl专著生物反应工程A.生物反应动力学生物反应动力学动力学研究工业生产中生物反应速率问题；影响生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果。

本征动力学（微观动力学）反应器动力学（宏观动力系学）B.生物反应器生物反应器传递特性传质、传热和动量传递设计与放大选型、操作方式、计算优化与控制优化操作与优化设计、反应参数测定与控制。

表生物反应过程特征的比较生物反应生物反应生物反应生物反应过程过程过程过程生物生物生物生物反应特征反应特征反应特征反应特征酶反应过酶反应过酶反应过酶反应过程程程程细胞反应过程细胞反应过程细胞反应过程细胞反应过程微生物反应过程微生物反应过程微生物反应过程微生物反应过程动植物细胞培动植物细胞培动植物细胞培动植物细胞培养过程养过程养过程养过程单一菌体培养单一菌体培养单一菌体培养单一菌体培养系统系统系统系统多菌体混合培养多菌体混合培养多菌体混合培养多菌体混合培养系统系统系统系统反应水平反应水平反应水平反应水平分子水平分子水平分子水平分子水平单一群体水平单一群体水平单一群体水平单一群体水平生态系水平生态系水平生态系水平生态系水平细胞或组织水细胞或组织水细胞或组织水细胞或组织水平平平平反应过程的复反应过程的复反应过程的复反应过程的复杂性杂性杂性杂性简单简单简单简单一般一般一般一般复杂复杂复杂复杂很很很很复杂复杂复杂复杂基质的数量基质的数量基质的数量基质的数量1-21-2基质基质基质基质几种基质几种基质几种基质几种基质几种基质几种基质几种基质几种基质几种基质几种基质几种基质几种基质产物的数量产物的数量产物的数量产物的数量1-21-2种种种种菌体和几种代菌体和几种代菌体和几种代菌体和几种代谢产物谢产