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1、01生物工艺学概论讲义1 序论1.1 生物工艺学的定义和性质生物工艺学(biotechnology)，一般称为生物技术，是一门既有悠久历史又有崭新内容的科学技术和生产工艺。1、“生物技术”的第一次提出生物技术一词最早是1919年匈牙利生物学家K. Ereky最早提出，定义为：“凡是以生物有机体（living organisms）为原料，无论用任何方法进行产品生产的技术都是生物技术”。 缺点：范围太广，包括了常规农业生产、面粉、白糖、肥皂、甚至烹调，因此，未受到重视。2、“生物技术”的再次次提出：20世纪70年代，基因工程等一类具有现代生物技术内涵或以分子生物学为基础的技术出现，人们再一次提出生

2、物技术这个概念。缺点：范围太狭窄。局限于必须采用基因工程等现代生物学技术手段或以分子生物学为基础的技术，排除了当时已经相当成熟的发酵技术、酶催化技术、生物转化技术、原生质体融合技术等。 3、国际经济合作及发展组织的定义(IECDO:1982) ： 生物技术是“应用自然科学及工程学的原理依靠生物作用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。这里所谓的生物作用剂可以是酶、整体细胞或多细胞生物体，一般也称为生物催化剂。4、国际纯粹及应用化学联合会(1981)定义： 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(包括医药卫生、能源及农业的产品)及环境保护的技术”。5

3、、从国际经济合作及发展组织的定义(IECDO:1982)解读生物技术的性质：（1）、 IECDO定义采用“生物作用剂”取代Erekey定义中“生物肌体”的模糊概念。生物催化剂的特性生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称。它们在生物反应过程中起着催化剂的作用，见表l1。优点：1、常温、常压下反应；2、速率快；催化作用专一；3、一般情况下价格较低廉等优点。4、活细胞易加以诱变，以改变其遗传特性，使有利于生产。5、随着原生质体融合技术、DNA重组技术等现代生物技术的发展，人们有可能组建出许多具有特殊性能的非天然存在的新型生物催化剂。缺点：1、易受热、受某些化学物质及杂菌的破坏而失活，因而稳定性较

4、差；2、对温度、pH等参数对反应相当敏感；3、活细胞还存在着个体差异、遗传特性差异等。4、在生长过程中对营养、微量元素、渗透压等也有一定要求。活细胞和酶两类生物催化剂的比较：（2）、被作用的物料： 生物体或有关的器官、细胞、体液或经其加工的组分以及少量的无机物质。 （3）、生物技术的产品：工、农、医、食等产品。（4）、生物技术提供的服务：指医学诊断和治疗、卫生和环保等（5）生物技术的多学科性生物技术所应用的自然学科：生物学(包括细胞学、遗传学等)、化学、物理学及其分支、交叉学科如微生物学、植物学、动物学、生物化学、分子生物学等，以及医学、药学、农学、 bio-X等。bio-X：指任何可与生物发

5、生关联的学科或工程技术。生物技术所应用的工程学： 化学工程、机械工程、电气工程、电子工程自动化工程等，并派生出交叉分支学科如生物化学工程、生物医学工程、生物药学工程、生物信息学（bioinformatics）、bio-X等 。 6、生物反应过程的特点生物反应过程实质上是利用生物催化剂以从事生物技术产品的生产过程。分类：（1）、发酵过程：采用游离的整体微生物活细胞为生物催化剂。（2）、酶反应过程：催化剂为游离或固定化酶。（3）、动、植物细胞(组织)培养过程。生物反应过程的示意图：生物反应过程有4个组成部分：A 原材料的预处理：包括原材料的选择、加工，培养基和底物的配制和灭菌。B 生物催化制的制备

6、。C 生物反应器及反应条件的选择。D 产物的分离纯化。也常称为下游加工过程。有关方法、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、超滤反渗析、絮凝、萃取、吸附、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐折、结晶。 化学方法离子交换、化学沉淀。 生物方法亲和层析、免疫层析等。生物反应过程的特点：(1)、常温常压下进行。且可运用DNA重组技术及原生质体融合等现代生物技术组建或改造生物催化剂，但生物催化剂易于失活，易受环境的影响和杂菌的污染，一般不能长时间使用。(2)、以采用可再生资源为主要原材料，来源丰富、价格低廉，过程中废物的危害性较小，但原料成分往往难以控制，给

7、产品质量带来一定影响。(3)、与化工生产相比，生产设备较为简单，能耗较少。(4)、酶反应过程的专一性强，转化率高，但成本较高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制。（5）、提取纯化较困难。7、生物技术与生物工程的关系生物工程是医学工程、环境工程、卫生工程、农业工程、仿生工程、人体工程的总称。其特点是不涉及化学，仅是物理过程与生物学的结合。而生物技术则涉及生物催化剂，因而与化学反应有关。生物工程又常是医学工程(或称生物医学工程)和生化工程的别称。国内外均有把生物技术称为生物工程的。这样就易造成名词间的混乱。为此国外已不再把生物技术(biotechnology)与生物工程(bioeng

8、ineering)混为一谈了。在国内由于没有人把医学工程或生化工程称为生物工程，因此仍有人把生物技术称为生物工程。1.2 生物技术的发展及其应用概况生物技术的发展分为四个时期：a)、经验生物技术期（人类出现-19世纪中）b)、近代生物技术建立时期c)、近代生物技术全盛时期d)、现代生物技术的建立和发展时期1.2.1 经验生物技术期（人类出现-19世纪中）1.2.2 近代生物技术建立时期（1850-1940）（1）发生的重大事件 1665，英国人胡克（R. Hooke）自从自制的显微镜中发现了霉菌； 1683年，荷兰人列文虎克（A. Van Leeuwenhoek）制作了放大倍数近300倍的显微

9、镜，观察并描绘了杆菌、球菌、螺旋菌等的图象。200年后，巴斯德证实，酒精发酵、牛奶腐败、人类某些疾病有微生物引起。巴斯德（Pasteur）的研究汉森（hansan）的研究德国库尼（W.Kuhne）的研究1897：德国的毕希纳发现磨碎的酵母细胞仍可进行酒精发酵，并认为是因酶的作用，由此获1907诺贝尔化学奖。（2）本时期主要生物技术产品A) 有机溶剂：乙醇、丙酮-丁醇-乙醇（6:3:1 ，1905）、丙酮-丁醇-异丙醇（1905）。B) 有机酸：葡萄糖酸(1880)、乳酸(1881)、柠檬酸(Citric acid，1893)、乙酸(acetic acid,1897)、丙酸(1906)、曲酸(K

10、ojic,acid，1907) 。多元醇：甘油等C) 酶制剂D) 疫苗 (Vaccines) ： 细菌、螺旋体经减毒或灭活而制成的制品称菌苗；由减毒的立克次体、病毒、类毒素等制品称疫苗（3）农业方面A) 1887年俄国维诺格拉斯基发现硝化细菌；B) 1888年德国赫尔利格(HHellriegel)和赫韦尔法斯 (HWilfarth)发现固氮细菌。C) 主要产品有细菌肥料和苏云金杆菌(Bthuringiensis)制剂(1901，产生伴胞晶体以杀死农业害虫)。D) 1914，发现赤霉素（Gibberillin）。 本时期是微生物学通过对微生物形态和生理的观察与研究后建立的时期，并为工业、农业、医

11、学开始做出比以往更多、更快的贡献，出现了不少新产品和新成就，此外，还出现了一些与微生物学相关的分支学科如细菌学、工业M、农业M、医学M等，并丰富了细胞学、生理学、生物化学、医学、药学等内容，并为下一个生物技术发展阶段打下了牢固的基础。 1.2.3 近代生物技术的全盛时期(20世纪40年代初到20世纪70年代末)。 是近代生物技术高度发展时期。青霉素工业生产是这一阶段的起始标志，由此带动了一批微生物次级代谢和新的初级代谢物产品的开发，并激发了原有生物技术产业的技术改造；这个时期，一批以酶为催化剂的生物转化(bioconversion) 产品问世；酶和细胞固定化技术的应用。次级代谢产物的生产以及生

12、物转化过程的出现，使生物技术产品除了食品、轻工以外，又增添了不少医药产品。核酸酶的出现以及分子生物学的开始形成，为基因工程的建立和新的生物技术时期的来临创造了条件。（1）青霉素的发现及生产1928年9月英国细菌学家弗莱明(AFleming)发现一个能引起化脓性炎症的金黄色葡萄球菌的培养皿被空气中青霉菌污染了，在青霉菌菌落周围形成了一个透明的抑菌圈。他研究发现为点青霉(Penicillium notatum)，分泌的抗菌物质称为青霉素(Penicillin)。青霉素是次级代谢产物，产量远比初级代谢产物低，结构复杂，性能不稳定，要投人生产还存在很多困难。M次级代谢产物：与产生这种产物的M本身的生长

13、和生命活动不是密切相关的、一般产生于M生长的稳定（静止）期；结构复杂，形成原因不是很清楚。青霉素的投产开辟了一个新的以生产上百种新的抗生素和其他次级代谢产品的工业M产品道路，同时也对原有的和新的初级代谢产品的生产方式起了很大启示作用，原来用固体发酵为主的有机酸和酶制剂生产大多都改为液体发酵生产。与此同时，一个新的交叉学科生物化学工程(Biochemical Engineering)也就诞生了。 （2）重要工业微生物产品的开发概况A. 抗生素 各种由M产生的医药用抗生素超过了1000个。B. 用于农业和畜牧的生物活性物质 a) 乳链菌肽(Nisin，1944，牛奶和食品保鲜)b) 放线菌酮(Ac

14、tidione，1953，抗植物霉菌、灭鼠)c) 杀稻瘟菌素(Blasticidin，1958，抗真菌，植物保护)d) 潮霉素(Hygromycin，1958，牲畜杀蠕虫)e) 泰乐菌素(Tyrosine，1960，抗真菌，食品保鲜)f) 越霉素(Destomycin，1965，兽用驱虫剂)g) 有效霉素(Validamysin，1970，抗植物真菌)h) 井岗霉素(Jinganmycin，1971，抗水稻纹枯病)i) 利维霉素(Lividomycin，1971，抗真菌，除草剂)j) 盐霉素(Salinomycin，1973，畜用药)。 C. 氨基酸（AA）1955：谷氨酸：日本木下祝郎年用谷

15、氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum） (其后改用黄色短杆菌Brevibacterium flarum)；其后，鸟氨酸（ 1957 ）；赖氨酸(1958)；异亮氨酸(1959)；缬氨酸(1960)；高丝氨酸(1960)等相继投产。目前几乎所有的氨基酸还包括L-多巴(L-Dopa，二羟基苯丙氨酸等)均可用发酵法生产。D. 核苷酸核苷酸(nucleotides)是M初级代谢产物。为了要通过发酵获得单的核苷酸或核苷时，也可通过营养缺陷型菌株的筛选以获得有关生产菌株。核苷酸发酵始于20世纪60年代，最早的产品是助鲜剂(加入到味精谷氨酸钠中而成为“特鲜味精”)的肌苷酸(IM

16、P)和鸟苷酸(GMP)。此后又可以生产出三磷酸腺苷(ATP)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、单磷酸尿嘧啶(UMP)等。E. 维生素 M的初级代谢产物。1940s：维生素B2(核黄素，Riboflavin)；1950s：维生素B12，(氰钴素，Cyanocobalmin)；1950s：维生素C(抗坏血酸，Ascorbic acid)维生素A原胡萝卜素(-Carotcne)；维生素D2原麦角固醇(Ergoster01)。F. 多糖用微生物生产的多糖有：a) 葡聚糖(Dextran)b) 糊精(Glucan)c) 黄原胶(Xanthan)d) 普鲁兰多糖(Pullul

17、an)e) 微生物海藻酸(Microbialalginate)f) 微生物几丁质(Microbialchitin)等。G. 多元醇a) 木糖醇(Xylirol，戊五醇，1969)b) D-阿拉伯糖醇(D-Arabitol，D-戊二醇，1970)c) 甘露糖醇(Mannitol，己六醇，1992)d) 赤藓醇(Erythritol，丁四醇，1978)等。H. 有机酸a) 己酸(1942)b) 水杨酸(Salicylicacid，邻羟基苯甲酸，1943)c) 2-氧代-L-古龙酸(2-Oxo-gulonic acid，1945)d) -酮戊二酸(1946)e) 苹果酸(Malic acid，羟基丁

18、酸，1959)f) 赤藓酸(D-Erythorbic acid，也称异抗坏血酸)。I. 酶制剂用于食品与医药工业：脂肪酶；过氧化氢酶（Catalase）；葡萄糖异构酶；葡萄糖氧化酶；碱性或中性蛋白酶；天冬氨酸酶；L-氨基酸酰化酶(L-Aminoacylase；己内酰脲酶；乙内酰脲酶；L-氨基乙内酰胺酶；富马酸酶；环氧琥珀酸水解酶；青霉素酰化酶；头孢霉素酰化酶。用于医疗工业得酶：、胃蛋白酶、胰酶、-淀粉酶、胰脂肪酶、凝乳酶、乳糖酶等助消化；、溶菌酶、超氧歧化酶、菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶、链激酶、胰蛋白酶、尿酸酶、尿素酶、-糜蛋白酶等抗炎和清创；、人血溶栓酶、尿激酶、链激酶、蚯蚓溶纤酶等溶纤；、激肽

19、释放酶、弹性酶、促凝血酶原激酶、细胞色素C、辅酶Q10、辅酶A等心血管疾病；、氨基己糖酶、-半乳糖苷酶、-葡萄糖脑苷酯酶、酸性麦芽糖酶、苯丙氨酸氨基裂解酶等先天性缺酶症；、L-天冬酰胺酶、羧基肽酶、L-亮氨酸脱水酶、L-精氨酸酶等肿瘤治疗。医疗诊断：、测定血清葡萄糖的葡萄糖氧化酶；、测定血清胆固醇的胆固醇氧化酶或胆固醇酯酶；、测定甘油三酯的脂肪酶或甘油激酶；、测定尿酸的尿酸酶；、测定脂肪酸的乙酰辅酶A合成酶；、测定肌苷的肌氨酸氧化酶；、测定ATP的甘油激酶；、测定体内乙醇含量的乙醇氧化酶等（3）、酶反应过程和生物转化过程的开发概况本时期，2大技术得到建立和发展：固定化酶或固定化细胞技术以及生物

20、转化(bioconversion)或微生物转化(microbialtransformation)技术。这两种技术的发展大大地推动了酶的应用，因为酶是一类性质脆弱、结构复杂的Pr，要从微生物或动植物体内将其分离纯化相当复杂，因此若能将其固定化后多次使用或不需将其从细胞中分离出来而直接采用细胞作催化剂，当然会在经济上和操作上带来不可比拟的合理性和方便性而得到相当广泛的应用。A、固定化酶及固定化细胞固定化酶及固定化细胞方法是1953年由格罗勃霍佛(N.Grubhofer)和希莱思(L.Schleith)提出。 1969年，日本千烟一郎用固定化L-氨基酸酰化酶拆分D，L氨基酸获得成功。目前，以玉米为原

21、料用固定化糖化酶生产葡萄糖、用固定化异构酶生产果葡糖浆；以青霉素G或V为原料用固定化青霉素酰化酶制取6-氨基青霉烷酸(6APA)，为氨苄或羟苄等半合成青霉素提供母核，通过固定化头孢菌素酰化酶制取7-氨基头孢烷酸(7ACA)以制取半合成头孢霉素。固定化酶或固定化细胞的另一优点是可以把它们装入反应柱(罐)中实现连续化生产。固定化酶技术还可用来制备有关酶传感器，如用固定化葡萄糖氧化酶的酶传感器可用来测定溶液中的葡萄糖浓度，因为在有氧的情况下葡萄糖会转化为葡萄糖酸，同时释出H2O2，而所产生的H202会被分解而释出电子，因而产生电流并被传感器测出。B、生物转化（1930中期）(bioconversio

22、n)或微生物转化(microbioltransformation) ：生产过程中的酶反应直接用产生相关酶的微生物细胞作为催化剂，即把底物直接投入细胞培养液中或将底物溶液通过装有固定化细胞的柱中进行酶促反应。省去了复杂的从微生物细胞(指胞内酶)或培养物的滤液(指胞外酶)中提取酶的过程。微生物转化法实例：微生物转化技术在甾体激素生产中的应用：甾体激素：激素是由内分泌腺体所产生的微量生物活性物质，在神经系统的控制和相互作用下，能促进体质和智力的发育，维持体内各种生理机能和代谢过程的协调，一般可分成两类，即含氮激素，如胰岛素、甲状腺素等；甾体激素，如性激素、肾上腺皮质激素等。C、单细胞蛋白(singl

23、e-cell protein，SCP)：是这一时期另一类重要产品，可用于工业化生产饲料。已用作生产单细胞蛋白的藻类或微生物有：A) 螺旋藻(Spirulinamaxima)，可在露天池塘中培养；B) 嗜甲醇细菌(Methylophilus methylotrophus)，为英国帝国化学(卜内门)公司开发，其商品名为Pruteen，其在别林汉 (Billingham)建立的生产的压力循环式发酵罐直径7m，高60m，体积2300m3，堪称全球最大的发酵罐；C) 产朊假丝酵母(Candida utillis)，以乙醇生产SCP；D) 荷兰利用造纸厂的亚硫酸废液生产SCP，其菌种为霉菌(Psecilo

24、myces varioti)商品名为Pekilo，同时还达到处理废水的目的。1.2.4 现代生物技术建立和发展时期从20世纪70年代末开始。 现代生物技术时期是以分子生物学理论为先导、基因工程技术作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术后算起的。 分子生物学是在分子水平上研究生命现象物质基础的一门跨学科的交叉学科，它研究的范围较广，因涉及生命现象物质的面较广。基因工程(遗传工程、DNA重组技术)着重于对不同生物体的DNA在体外经酶切，连接构成重组DNA分子后将其通过携带载体(克隆运载体，Vector)转入受体细胞后，使外源基因得以在受体细胞中进行表达的一种手段。常用的载体为质粒(plasmi

25、d，染色体外的一种遗传物质，通常为环状DNA，可编码为若干基因)、嗜菌体(bacteriophage)、病毒(virus)和黏粒(也称柯斯质粒，cosmid，由质粒与嗜菌体的cos位点构建而成)。美国在1978年发布的基因操作条例(Genetic Manipulation Regulations)则把基因工程定义为：基因工程是“在细胞外将以任何方法分离获得的核酸分子通过病毒、细菌质粒或其他载体系统导人原来在其染色体中不存在上述核酸分子的宿主体内，以使此宿主能形成一种新组合的可遗传物质(heritablematerial)而不影响宿主的继续增殖”的技术。 （1）、基因工程发展简史（2）、基因工程

26、的基本操作步骤 （3）、基因工程产品发展概况(4)、单克隆抗体的发现和应用在这新时期中还出现了一项属于细胞工程内容的巨大成果，这就是杂交瘤(Hybridoma)技术。原理：、B淋巴细胞(骨髓依赖淋巴细胞)的表面抗原受体仅能特异地识别一种抗原决定簇而形成其独异性抗体;、骨髓瘤细胞能在体外大量繁殖和产生分泌性抗体;、把含有目的抗体的淋巴细胞与经变异的已丧失形成自身原含抗体能力的骨髓瘤变种细胞后所获得的既能产生目的抗体又能在体外连续培养的单克隆抗体(Monoclonalantibodies，Mab，简称单抗) 。获得单克隆抗体的步骤：、将免疫抗原与免疫助剂(必要时加入脂多糖LPS)多次注入被免疫动物

27、(一般用BALBC系小白鼠)的腹膜使其免疫，处死后取得其脾脏并制成细胞液；、选用与免疫动物种系一致的动物的骨髓瘤细胞，按骨髓瘤细胞：脾脏细胞1：51：10比例进行混合；、以50的聚乙二醇溶液为融合剂，逐滴加入上述混合细胞中，经离心分离出使用过的聚乙二醇溶液后，将留下的细胞物质置于CO2培养箱中用含有次黄嘌呤、氨基蝶呤和胸苷的培养基(HAT培养基)中进行培养，因未融合的淋巴细胞和骨髓瘤细胞均不能在HAT培养基中生长而导致死亡，仅融合细胞能在此培养基中生长和增殖；、对成活的杂交瘤细胞进行检测，选出其中含目的抗体的杂交瘤细胞株。单克隆抗体应用：、目前已出现了不少单克隆抗体的商品，用来诊断有关癌抗原和

28、性传播疾病抗原等病原体抗原以及作为治疗药物，特别是用来治疗某些癌症(如结肠癌、肺癌、卵巢癌等)；、单克隆抗体还可以携带抗肿瘤等药物至病灶部位而称为“生物导弹的运载体”。、单抗还广泛用于肾脏、肝脏、骨髓等移植后加强机体的抗感染能力。单抗还可作为一类提取纯化蛋白质的亲和层析介质。 (5)、动、植物细胞培养技术的应用对动物细胞的研究和应用是在基因工程技术开发后才受到人们重视的，其原因是有些结构较复杂的蛋白质不能在具有原核细胞的细菌或简单的真核细胞的酵母中进行表达而必须用哺乳动物细胞来进行表达； 1967年凡韦泽(VanWazel)发明了一种适用于培养贴壁细胞一类用多孔玻璃、高分子聚合物、胶原等材料制

29、成的多孔微载体(microcarriers)；另有关科技人员还开发了若干种适于实验室培养用玻璃转瓶(spinningbottle)和滚瓶(rollerbottle)以及多种用于生产的生物反应器，如装有帆式搅拌桨、下吸式涡轮搅拌桨、具有圆锥形由织物制成的网笼通气装置等型式的搅拌反应器、无搅拌装置的气升式反应器、中空纤维反应器、适用于微囊化细胞的反应器装置等，并运用灌注(peffusion)培养操作把细胞截留在反应器内而将部分的原培养液抽出并补充等体积的新鲜培养液以延长操作周期和提高最终培养液的细胞浓度等设备和措施都促使动物细胞的培养技术提高到一个崭新的阶段。目前应用动物细胞生产的产品：除了一部分

30、属单克隆抗体外，主要是基因工程中必须用动物细胞进行表达的复杂蛋白质，其中一部分为糖蛋白。如：、病毒疫苗，如口蹄疫(FMD)、狂犬(Rabies)、小儿麻痹症(Polio)、乙肝表面抗原(HBsAg)疫苗等；、非抗体免疫调节剂，如干扰素(IFN)、白介素(IL)、集落生长因子(CGF)、B细胞生长因子(BCGF)、T细胞替代因子(TCRF)、迁移抑制因子(MIF)、巨噬细胞激活因子(MAF)等；、多肽生长因子，如神经生长因子(MAF)、成纤维生长因子(FGF)、血清扩展因子(SEF)、表皮生长因子(EGF)、纤维黏结素(Fibronectin)等；、酶或酶激活剂，如组织血纤维溶酶原激活剂(TPA

31、)、血因子及等；、激素，红细胞生成素(EPO)、促黄体生成素(LH)、促滤泡素(FSH)等；、其他尚有病毒杀虫剂，如杆状病毒、癌胚抗原(CEA)等。 组织培养目前组织培养的内容已逐步扩展为两个方面：、器官培养，指将一块组织或胚胎的外植体经体外培养后以获得能保持组织结构、细胞作用以及进行组织学和生物化学分化的增殖组织；、细胞培养，指将一块外植体经酶或机械作用将其分散后以获得细胞悬浮液或相互连接的单层细胞。 目前组织培养以人造皮肤的研究进展最快，有望首先突破；其他如人造耳朵(人造软骨)等也取得了较大进展。干细胞(stemcells)的培养： 干细胞是哺乳动物胚胎发育初期出现的全能性的尚未发育分化的原始细胞，随着胚胎的发育成长，胚胎干细胞就分化成各种组织干细胞，如血液干细胞、肌肉干细胞、骨骼干细胞、器官干细胞、神经干细胞、皮肤干细胞等。 过去认为干细胞分化为成熟细胞后就不再分裂了，但后来发现各种器官中还存在一些未分化的原始干细胞，而这些未分化的细