《生物反应工程》PPT课件.ppt

生物反应工程 绪 论 本章重点：生物反应工程 生物工程概念与内容； 本章难点：生物反应过程与 生物反应工程的 区别 。 1.1生物反应过程概述 1.1.1生物反应过程 (bioprocess) 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 。 实质：利用生物催化剂从事生物技术产品的生 产过程 。 青霉素的生产 。 抗生素 青霉素 罗伯茨 （ W. Roberts， 1874)首次报道微生物的颉 颃 （ xie hang） 现象 （ antagonism） 灰绿青霉生 长旺盛的液体会使人工感染细菌困难 廷德尔 （ J.Tyndall,1876） 青霉菌与细菌液体培养 中有颉颃现象 巴斯德和朱伯特 （ J.F.Joubert， 1877)用炭疽芽孢 杆菌培养物感染动物 巴比斯和科尼尔 （ V.Babes & A.V.Cornil,1885)细 菌之间 青霉素的生产 1928.9 英国 Fleming 发现青霉素 1938 英国 Flory和 Chain 重复（实验室） 少量 败血病 失败 第二次世界大战 美国 D.Elder 液体深层发酵 0.001g/L 1945 青霉素高产菌株 产黄青霉 （ Penicillium chrysogenum) 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 （ E.Chain） 获得精制品 ， 1940在美国产业化 当前水平 60000 80000U/ml(150m3) 空气净化工艺流程 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 。 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 生物工程 bioengineering ：侧重工程 （一）描述性生物学 1 19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。 2 1859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： 1 1944年，美国生物学家艾弗里首次证 明 DNA是遗传物质。 2 1953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 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。 以 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。 以 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 原料的预处理 选择 、 加工 （ 物理或化 学 ） 、 培养基的配制和灭菌； 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 ） 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； 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 加工；之后反应下游加工 1.1.2 生物反应过程的特点 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； 采用生物催化剂 酶 Enzyme； 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； 设备简单 ， 能耗低 。 1.1.3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； 1.2生物工程 1.2. 1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 ： 基因工程 (Gene engineering) 细胞工程 (Cell engineering) 酶工程 (Enzyme engineering) 发酵工程 (Fermentation engineering) 蛋白质工程 (Protein engineering) 细胞工程 微生物 工程菌 发酵工程 产 品 蛋白质或酶 蛋白质或 酶工程 基因工程 优良动、 植物品系 动、植物个 体或细胞 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 1.2.3.生物工程涉及的学科 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 。 使用现代化器和设备 技术手段 。 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 1-1重要的现代生物技术仪器和设备 名称 用途 1 DNA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 4 DNA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 生 物 技 术 树 1.2.4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。 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 。 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 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 1.3.1定义 ：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 。 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 从宏观看 以获得生物量为目的： 生物合成速率 影响因素（生物体、基质、环境 因素、操作条件等） 以获得目的产物为目的： 从微观看 转录与转译速率 =（基因量、 .等 ) 调控速率 =（表达速率、酶活力、 等） 1.3.2反应器 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 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： 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 、 放大 、 操作和控制等 。 1971 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 1979 日本 山根恒夫 编 生物反应工程 1985 德国 许盖尔特 Schugerl 专著 生物反 应工程 A. 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 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 过程 生物 反应特征 酶反应过 程 细胞反应过程 微生物反应过程 动植物细胞培 养过程 单一菌体培养 系统 多菌体混合培养 系统 反应水平 分子水平 单一群体水平 生态系水平 细胞或组织水 平 反应过程的复 杂性 简单 一般 复杂 很复杂 基质的数量 1-2基质 几种基质 几种基质 几种基质 产物的数量 1-2种 菌体和几种代 谢产物 几种菌体和二氧 化碳，厌氧反应 过程、甲烷 细胞或组织或 几种产物和二 氧化碳 反应速率或生 长速率 快 一般 慢 很慢 1.3.4发展历史 a 酿酒 、 生产酱油和醋 容器 最简单 、 最 原始的生物反应器 b. 1857 Pasteur 酵母发酵生产酒 控制 发酵罐 c. 第一次世界大战 深层培养技术 、 无菌空气 制备技术 分批 、 连续与流加操作 d. 60年代固定化技术 新概念 生物反 应器 e.70年代基因工程 特殊生物反应器 20世纪中期前后生物化学工程学科的形成 。 20世纪后期 （ 1970 80年 ） 生物反应工程学科的形成 。 英国学者阿特金逊 （ 1971） 首次提出生化反应工程 。 20世纪 90年代基因工程与生物反应工程不断融合 、 发展 。 1.3.5发展方向 新型生物反应器的研究与开发； 各种描述生物反应过程的数学模型的建立； 生产过程参数与控制手段的改进 。 生物反应工程与相关学科的关系 1.4生物反应工程的研究方法 数学模型法 用数学语言表达生物法反应过 程中各个变量之间的关系 。 不能替代实验研究 。 方法 机理模型或结构模型既过程机理出发推 倒的 。 -可外推使用半经验模型 经验模型 经验法 参考资料 国外 1975年日本学者合叶修一等 生物化学工程 -反应动力学 1979年日本学者山根恒夫 生物反应工程 1985年德国学者许盖特 （ Schugerl） 生物反应工程 1993年日本学者川濑义矩 生物反应工程基础 1994（ 02） 年丹麦学者 Nielsen 等 生物反应工程原理 国内 生物反应工程原理 （ 1990和 2003天津科技大学贾士儒 ） 生物工艺学 （ 1992华东理工大学俞俊棠等 ） 生化工程 （ 1993江南大学伦世仪 ） 生化反应动力学与反应器 （ 1996北京化工大学戚以政等 ） 生物反应工程 （ 2004戚以政等 ） 生物反应工程 2005浙江大学岑沛林等 ） 生物反应工程 （ 2005清华大学邢新会译 ） 参考期刊杂志 1.食品与发酵工业； 2.生物工程学报； 3.中国生物工程杂志 4.微生物学报； 5.微生物通报； 6.医药生物技术； 7.食品与生物技术； 8.工业微生物； 9.生物技术通报； 10.生物工程进展。