《生化反应工程绪论》PPT课件

生 物 化 学 反 应 工 程 Biochemical Reaction Engineering东 华 大 学 生 物 科 学 与 技 术 研 究 所张 兴 群2009年 09月 第 一 章 绪 论 Ch 1 Introduction生 物 技 术 经 济 时 代 的 生 化 反 应 工 程 知 识 经 济 时 代 六 大 技 术 组 成 的 高 技 术 群 支 撑 ： 生 物 技 术 、 信 息 技 术 、 新 材 料 技 术 、 新 能 源 技 术 、 海 洋 技 术 、 航 空 航 天 技 术 。 生 物 技 术 是 六 大 高 新 技 术 之 首 ； 生 物 技 术 是 世 界 各 国 普 遍 关 注 和 重 视 的 热 点 。 2005年 全 球 生 物 技 术 产 业 总 产 值 633.1亿 美 元 ， 增 长了 15.9%， 投 资 高 达 320亿 美 元 ， 其 中 美 国 为 147亿美 元 。都 市 区 名 称 所 在 州波 士 顿 -渥 斯 特 -劳 伦 斯 马 萨 诸 塞 州旧 金 山 -奥 克 兰 -圣 何 塞 加 利 福 尼 亚 州圣 迭 戈 加 利 福 尼 亚 州洛 丽 -杜 郎 北 卡 罗 来 纳 州西 雅 图 -塔 柯 玛 -布 雷 默 顿 华 盛 顿 州纽 约 -北 新 泽 西 -长 岛 纽 约 州 、 新 泽 西 州 费 城 -威 明 顿 -大 西 洋 城 宾 西 法 尼 亚 州洛 杉 矶 -河 滨 -佶 县 加 利 福 尼 亚 州华 盛 顿 -巴 尔 的 摩 哥 伦 比 亚 特 区 、 马 里 兰 州美 国 9大 生 物 技 术 产 业 集 群 中 国 政 府 高 度 重 视 生 物 产 业 发 展 。 2009年 6月 ， 国 务 院 常 务 会议 讨 论 并 原 则 通 过 促 进 生 物 产 业 加 快 发 展 的 若 干 政 策 。会 议 认 为 ， 必 须 抓 住 世 界 生 物 科 技 革 命 和 产 业 革 命 的 机 遇 ，将 生 物 产 业 培 育 成 为 我 国 高 技 术 领 域 的 支 柱 产 业 。 以 生 物 医药 、 生 物 农 业 、 生 物 能 源 、 生 物 制 造 和 生 物 环 保 产 业 为 重 点 ，大 力 发 展 现 代 生 物 产 业 。 促 进 生 物 产 业 加 快 发 展 的 若 干 政策 的 颁 布 ， 标 志 着 我 国 生 物 产 业 已 步 入 快 速 发 展 期 。 生 物 技 术 对 解 决 当 今 社 会 发 展 面 临 的许 多 重 大 问 题 ， 如 人 口 、 粮 食 、 能 源 、环 境 污 染 、 人 类 健 康 等 的 解 决 具 有 极重 要 的 作 用 。 The Biotechnology Century Biochemical engineering may be loosely defined as the use of living organisms, or part of them (for example, enzymes), for the production of chemical or biological materials or the development of new processes. 化 学 生 物 生 物 化 学 反 应 工 程生 物 化 学 工 程 化 学 工 程生 物 工 程生物化学反应工程基 因 工 程现 代 生 物 技 术 产 业 化 A Brief History of Biochemical engineering 经 验 生 化 工 程 时 期 （ 人 类 出 现 到 19世 纪 中 期 ） 近 代 生 化 工 程 建 立 时 期 （ 19世 纪 50年 代 到 20世 纪 40年 代 ） 近 代 生 化 工 程 全 盛 时 期 （ 20世 纪 40年 代 到 20世 纪 70年 代 末 ） 现 代 生 化 工 程 建 立 和 发 展 时 期 （ 从 20世 纪 70年 代 末 开 始 ） 公 元 前 4000 3000年 ： 酒 、 醋 （ vinegar = vin +nargre） 酿 造 （ 埃 及 人 ） 公 元 前 2000年 ： 葡 萄 酒 酿 造 （ 希 伯 来 人 ） 公 元 前 6000 5000年 ： 中 国 开 始 酿 酒 公 元 前 25世 纪 ： 黄 帝 与 岐 伯 谈 论 醴 夏 代 ： 仪 狄 酿 酒 公 元 前 14世 纪 ： 若 作 酒 醴 ， 尔 唯 曲 蘖 （ 诗 经 ） 远 古 人 类 发 现 ， 吃 剩 的 米 粥 数 日 后 变 成了 醇 香 可 口 的 饮 料 人 类 最 早 发 明 的 酒丰富多彩的酒文化 (微 生 物 )发 酵 我 国 古 代 的 酿 酒 作 坊（ 四 川 新 都 县 出 土 的 汉 代 画 像 ） 公 元 前 2300年 左 右 ， 埃 及 人 酿 制 啤 酒 的 场 面 （ 某 金 字 塔 壁 画 ）丰 富 多 彩的 酒 文 化 16世 纪 发 明 显 微 镜 。 1897年 Buchner提 出 酶 理 论 ， 对发 酵 机 制 开 始 认 识 。发 酵 ： 有 机 化 合 物 能 同 时 作 为 电 子 供 体 和 最 终 电 子 受 体 并 产 生 能 量 的 过 程 。 （ 生 物 化 学 ） 微 生 物 在 无 外 源 电 子 受 体 时 ， 通 过 部 分 氧 化 有 机 化 合 物 而 获 得 产 物 并 释 放 少 量 能 量 的 过 程 。 （ 微 生 物 学 ） 任 何 通 过 大 规 模 培 养 微 生 物 来 生 产 产 品 的 过 程 生 化 工 程 的 几 个 重 要 转 折 点 第 一 个 转 折 点 ： 非 食 品 工 业 (酒 精 发 酵 ) 甘 油 发 酵 ： 第 一 次 世 界 大 战 ， 德 国 ， 酵 母 发 酵 生 产 甘 油 。 当 时 每 月 生 产 1000T。 目 前 ， 美 国 仍 采 用 耐 高 渗 酵 母 大 规 模 生 产 甘 油 。 酵 母 菌 的 三 型 发 酵 ：酵 母 的 第 一 型 发 酵 (酵 母 菌 的 乙 醇 发 酵 ) 乙 醇 发 酵 过 程 只 在 pH3.54.5以 及 厌 氧 的 条 件 下 发 生 。 乙 醇 脱 氢 酶 当 发 酵 液 处 在 碱 性 条 件 下 ， 酵 母 的 乙 醇 发 酵 会 改 为 甘 油 发 酵 。原 因 ： 该 条 件 下 产 生 的 乙 醛 不 能 作 为 正 常 受 氢 体 ， 结 果 2分 子 乙醛 间 发 生 歧 化 反 应 ， 生 成 1分 子 乙 醇 和 1分 子 乙 酸 ；CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此 时 也 由 磷 酸 二 羟 丙 酮 担 任 受 氢 体 接 受 3-磷 酸 甘 油 醛 脱 下的 氢 而 生 成 -磷 酸 甘 油 ， 后 者 经 -磷 酸 甘 油 酯 酶 催 化 ， 生成 甘 油 。2葡 萄 糖 2甘 油 +乙 醇 +乙 酸 +2CO 2 酵 母 菌 的 第 二 型 发 酵加 入 亚 硫 酸 氢 钠 ， 与 乙 醛 起加 成 作 用 生 成 难 溶 的 乙 醛亚 硫 酸 氢 钠 加 成 物 酵 母 菌 的 第 三 型 发 酵 当 酵 母 在 碱 性 条 件 (pH 7.6)进 行 发 酵 ， 二 个 分 子 乙 醛起 歧 化 反 应 ， 相 互 氧 化 还 原 ，生 成 等 量 的 乙 醇 和 乙 酸 第 二 个 转 折 点 ： 青 霉 素 抗 菌 素 发 酵 工 业 奠 定 了 微 生 物 发 酵 规 模 化 的 基 础 液 体 深 层 培 养 需 解 决 的 两 个 问 题 ： 供 氧 ： 高 效 通 气 搅 拌 供 氧 问 题 ， 无 菌 空 气 过 滤 技 术 纯 种 培 养 ： 大 型 发 酵 罐 培 养 基 灭 菌 技 术 ， 发 酵 罐 防 杂 菌 污 染 技 术 等 目 前 ， 大 型 化 、 高 效 、 自 动 化 、 多 样 化 。 基 本 操 作 模 式 没 有 变 第 三 个 转 折 点 ： 切 断 支 路 代 谢 转 折 点 ， 酶 活 力 调 控 ， 酶 合 成 调 控 （ 反 馈 控 制 与 反 馈 阻 遏 ） 解 除 菌 体 自 身 的 反 馈 调 节 ， 特 殊 调 节 控 制 的 利 用 ， 突 变 株 的 应 用 ， 前 体 、 终 产 物 、 副 产 物 等 。 氨 基 酸 发 酵 工 业 （ Glu、 Lys） 。 核 酸 发 酵 工 业 （ 肌 苷 、 鸟 苷 ）通 过 代 谢 调 节 的 改 变 ， 有 目 的 和 最 合 理 的 地 控 制 细胞 内 的 一 系 列 生 化 反 应 过 程 。 发 酵 的 人 工 控 制目 的 最 大 限 度 的 积 累 对 人 类 有 用 的 代 谢 产 物措 施 改 变 微 生 物 细 胞 膜 的 通 透 性 改 变 微 生 物 的 遗 传 特 性 （ 诱 变 、 重 组 等 ） 控 制 发 酵 条 件 （ 如 温 度 、 pH、 O2等 ）发 酵 概念 通 过 微 生 物 的 培 养 ， 大 量 生 产 各 种 代 谢 产 物 的过 程种类 1、 固 体 发 酵 和 液 体 发 酵2、 抗 生 素 发 酵 、 维 生 素 发 酵 、 氨 基 酸 发 酵 等3、 需 氧 发 酵 和 厌 氧 发 酵 代 谢 的 人 工 控 制 改 变 膜 的 透 性 改 变 细 胞 膜的 透 性 ， 使谷 氨 酸 迅 速排 放 到 细 胞外 面 ， 解 除谷 氨 酸 的 抑制 作 用 。抑 制葡萄糖中间产物-酮 戊 二 酸谷 氨 酸谷 氨 酸 脱 氢 酶NH 4+谷氨酸棒状杆菌 合成谷氨酸的途径 抑 制黄 色 短 杆 菌 合 成 赖氨 酸 的 途 径天冬氨酸中间产物中间产物高丝氨酸甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸天 冬 氨 酸 激 酶高 丝 氨 酸脱 氢 酶 +v利 用 诱 变 育种 等 方 法 ， 选育 不 能 合 成 高丝 氨 酸 脱 氢 酶的 菌 种 用 于 生产 .代 谢 的 人 工 控 制 改 变 遗 传 特 性 O2： 如 ： 酵 母 菌 在 有 氧 条 件 下 大 量 繁 殖 ， 在 无 氧 条 件 下 才 大 量 产 生 酒 精 。 又 如 ： 谷 氨 酸 棒 状 杆 菌 在 溶 氧 不 足 时 ， 生 成 的 产 物 是 乳 酸 或 是 琥 珀 酸 。 C： N 如 在 谷 氨 酸 发 酵 过 程 中 ， 当 培 养 基 中 C： N=4： 1时 ， 菌 体 大 量 繁 殖 而 产 生 谷 氨 酸 少 ； 当 C： N=3： 1时 ， 菌 体 繁 殖 受 抑 制 而 合 成 谷 氨 酸 多代 谢 的 人 工 控 制 改 变 发 酵 条 件 近 代 转 折 点 ： 基 因 、 动 物 、 海 洋 。 增 加 微 生 物 控 制 代 谢 产 物 产 量 的 基 因 拷 贝 数 ， 提 高 产 量 ； 构 建 基 因 工 程 菌 株 ； 转 基 因 动 、 植 物 ； 海 洋 微 生 物 技 术 。海 洋 ： 复 杂 的 生 态 大 系 统 、 环 境 条 件 复 杂 多 变 、 孕 育 了 约 陆 地 微 生 物 20倍 以 上 的 海 洋 微 生 物 物 种 组 合 生 物 合 成 ： 根 据 微 生 物 的 多 样 性 和次 级 代 谢 产 物 的 多 样 性 ， 以 及 天 然 资 源中 获 得 的 有 意 义 基 因 ， 通 过 重 组 、 组 合或 互 补 形 成 高 水 平 或 新 结 构 化 合 物 的 多酶 体 系 来 生 产 人 类 需 要 的 物 质 。 Traditional Biochemical engineering Modern 1. 目 前 能 广 泛 接 受 的 -国 际 合 作 及 发 展 组 织 的 定 义 生 物 技 术 是 应 用 自 然 科 学 及 工 程 学 的 原 理 ， 依 靠 微 生 物 、动 物 、 植 物 体 作 为 反 应 器 将 物 料 进 行 加 工 以 提 供 产 品 来 为 社会 服 务 的 技 术 。 从 这 个 定 义 中 ， 可 归 纳 出 生 物 技 术 三 个 特 点 ： 1） 生 物 技 术 的 多 学 科 性 和 综 合 性 2） 微 生 物 、 动 植 物 体 或 酶 作 为 催 化 剂 ， 有 别 于 化 学 催 化 剂 3） 最 终 目 的 将 生 物 反 应 开 发 成 为 工 业 生 产 的 工 艺 过 程 ， 即 生 物 反 应 过 程 （ Bioprocess） 。现 代 生 物 技 术 2、 现 代 生 物 技 术 的 产 生 （ 1953） Watson和 Crick-发 现 了 DNA双 螺 旋 结 构 -奠 定 了 现 代 分 子 生 物 学 的 基 础 （ 1973） Boyer和 Cohen-发 明 了 DNA目 的 基 因 重 组 技 术 -DNA重 组 技 术 在 很 大 程 度 上 得 益 于 分 子 生 物 学 、 微 生 物 遗 传 学 和 核 酸 酶 学 等 领 域 的 发 展 反 过 来 DNA重 组 技 术 的 逐 步 成 熟 和 发 展 -对 生 命 科 学 的 许 多 领 域 产 生 了 革 命 性 的 影 响 -成 为 20世 纪 以 来 发 展 最 快 的 学 科 之 一 -而 受 DNA重 组 技 术 影 响 最 为 深 刻 的 是 生 物 技 术 ， -完 成 了 从 传 统 生 物 技 术 向 现 代 生 物 技 术 的 飞 跃 现 代 生 物 技 术 是 随 着 DNA重 组 技 术 的 发 展 而 提 出 来 3.对 现 代 生 物 技 术 的 理 解 现 代 生 物 技 术 -是 如 何 利 用 DNA重 组 技 术 -把 它 作 为 有 效 手 段 -并 非 DNA重 组 技 术 就 是 现 代 生 物 技 术 仅 仅 有 DNA重 组 技 术 实 现 不 了 生 物 技 术 的 产 业 化 4.现 代 生 物 技 术 的 内 涵 根 据 当 前 生 物 技 术 的 发 展 ， 给 现 代 生 物 技 术 下 一 个 定 义 ： 现 代 生 化 工 程 （ 生 物 技 术 ） ： 以 DNA重 组 为 主 要 手 段 ， 依 靠 清 洁 、 经 济 的 生 物 反 应 器 （ bioreactor） ,利 用 可 再 生 性 资 源 （ renewable resource） 加 工 人 类 所 需 产 品 的 具 有 可 持 续 发 展 （ sustainable development） 特 性 的 技 术 。 几 个 概 念 之 间 的 异 同 ： 国 外 ， 生 物 工 程 （ bioengineering） 一 般 指 医 学 工 程（ medical engineering） 、 农 业 工 程 （ agricultural engineering） 、 环 境 工 程 （ environmental engineering） 、卫 生 工 程 （ sanitary engineering） 、 人 体 功 能 工 程 （ body function engineering） 等 的 总 称 ， 特 点 是 不 涉 及 化 学 催 化反 应 （ chemocatalytic reaction） 过 程 ， 而 仅 仅 是 生 物 过 程（ biological process） 与 物 理 过 程 （ physical process） 的 结合 。 生 物 技 术 （ biotechnology， 又 名 生 物 工 艺 学 ） 则 涉 及的 是 生 物 催 化 反 应 （ biocatalytic reaction） 过 程 。 国 外 已 经将 生 物 技 术 与 生 物 工 程 区 分 开 。 国 内 ， 一 般 生 物 工 程 理 解 为 一 个 广 义 的 概 念 。 因 为 工 程 是 指 根 据 科 学 原 理 和 有 关 技 术 ， 组 合 出 高 效 、 合 理 的 具 有 一 定 结 构 的 技 术 系 统 （ technological system） ； 而 技 术 （ technique） 泛 指 根 据 生 产 实 践 和 科 学 原 理 发 展 而 成 各 种 工 艺 操 作 方 法 和 技 能 。 生 物 技 术 的 多 学 科 性 示 意 图 1、 产 业 化 （ Industrialization） -技 术 创 新 和 商 业 化 过 程 -目 标 产 品 质 量 -市 场 需 求 -可 商 业 化 程 度2、 生 物 技 术 产 业 化 -当 今 生 物 高 技 术 研 究 成 果 的 必 然 -生 物 技 术 具 有 显 示 强 大 生 命 力 体 现 -涉 及 领 域 极 其 广 泛 （ 太 空 、 海 洋 ）3、 生 化 工 程 重 点 研 究 生 物 技 术 产 业 化 过 程 中 瓶 颈 问 题 -保 证 生 物 加 工 工 艺 设 备 条 件 ， 达 到 产 品 质 量 -技 术 经 济 观 念 贯 穿 于 生 化 工 程 研 究 始 末 ， 降 低 成 本生 物 技 术 产 业 化 与 生 物 化 学 工 程 生 物 化 学 工 程 与 生 物 技 术 上 中 下 游 关 系1、 生 物 技 术 的 上 、 中 、 下 游 过 程生 物 反 应 器 -作 为 生 物 反 应 过 程 的 中 心 即 中 游 加 工 -反 应 前 与 后 的 工 序 称 为 上 游 加 工 和 下 游 加 工l 上 游 加 工 -最 重 要 的 是 提 供 和 制 备 高 产 优 质 和 足 够 数 量的 生 物 催 化 剂 即 应 用 常 规 选 育 、 基 因 工 程 、 细 胞 工 程 和 酶 工 程 手 段 获得 优 良 菌 株 、 细 胞 系 或 固 定 化 的 菌 体 等 FERMENTATIONProcess ControlBiotechnology上 游 工 程UPSTREAM PROCESSES 下 游 工 程DOWNSTREAM PROCESSES生物技术组成从 广 义 上 讲 ， 由 三 部 分 组 成 ： 上 游 工 程 、 中 游 工 程 、 下 游 工 程 UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development- media formulation- sterilization- inoculation FERMENTATIONProcess Control上 游 工 程 Biotechnology DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatment-by product recoveryFERMENTATIONProcess Control 下 游 工 程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16Biotechnology 菌 种 筛 选摇 瓶 试 验 发 酵 罐 试 验 l 下 游 加 工 -从 反 应 液 中 提 取 目 的 产 物 加 工 精 制 成 合 格 产 品l 中 游 加 工 -生 物 反 应 器 为 中 心 生 物 化 学 工 程 -包 括 中 、 下 游 两 部 分 生 物 化 学 工 程 学 科-研 究 生 物 反 应 过 程 中 共 性 工 程 技 术 问 题-为 生 物 工 程 服 务 的 化 学 工 程-它 既 可 视 为 化 学 工 程 的 一 个 分 支-又 可 认 为 是 生 物 工 程 的 一 个 组 成 部 分-生 化 工 程 为 生 物 学 和 化 学 工 程 的 纽 带 1、 基 本 概 念科 学 -探 讨 是 什 么 ？ 发 现 自 然 规 律 、 认 识 自 然技 术 -解 决 如 何 做 ？工 程 -根 据 科 学 原 理 和 有 关 技 术 ， 组 合 出 高 效 、 合 理 的 一 定 结 构 的 技 术 系 统工 程 概 念 理 解 与 生 物 化 学 工 程 2、 工 程 学 家 的 角 色 科 学 -粘 合 剂 技 术 -各 种 材 料 工 程 学 家 象 艺 术 家 一 样 -如 何 利 用 好 它 们 雕 塑 成 一 副 工 艺 品 工 程 学 家 也 类 似 于 音 乐 家 一 样 -把 七 个 音 符 组 合 出 优 美 的 乐 曲 工 艺 品 或 乐 曲 -必 须 具 有 市 场 -产 生 经 济 价 值 -要 有 经 济 学 家 的 头 脑 要 把 科 学 原 理 、 技 术 和 经 济 综 合 考 虑 -也 有 哲 学 家 的 思 维 工 程 学 家 -组 合 艺 术 总 之 ， 工 程 学 家 -即 要 具 有 艺 术 家 的 眼 光 -又 要 有 哲 学 家 的 思 维 -还 要 有 经 济 学 家 的 头 脑 -同 时 具 有 科 学 家 的 知 识 说 明 工 程 学 家 -重 要 不 容 易 3、 科 学 与 工 程 发 展 历 程 科 学 最 早 由 哲 学 家 提 出 -进 行 研 究 -得 出 规 律 -成 为 科 学 。 而 工 程 学 是 慢 慢 的 发 展 而 来 的 4、 自 然 科 学 家 与 工 程 科 学 家 的 比 较 科 学 家 按 学 科 分 类 ， 根 据 结 果 分 析 、 严 格 理 论 推 导 -分 解 的 观 点 工 程 师 面 对 实 际 问 题 的 综 合 性 的 、 多 学 科 -靠 工 程 技 术 经 验 ， 半 理 论 、 半 经 验 性 的 -系 统 性 、 整 体 性 的 观 点 细 胞 是 生 命的 基 本 单 位生 命 本 质 理 解 与 生 物 化 学 工 程 遗 传 密 码蛋 白 质 三 维 结 构 基 因 转 录线 性 多 肽 链（ 无 功 能 活 性 ） 翻 译以 核 酸 和 蛋 白 质 为 中 心 的 生 物 大 分 子 是 生 命 现 象 的 共 同 物 质 基 础 ，细 胞 和 有 机 体 所 有 生 命 活 动 都 是 以 这 些 生 物 大 分 子 及 其 复 合 物 的结 构 、 运 动 和 相 互 作 用 来 实 现 的 。分 子 生 物 学 ： 21世 纪 生 物 学 的 主 流 生 命 是 什 么 ？无 序 与 有 序 问 题 在 自 然 科 学 中 ， 生 命 科 学 -非 生 命 科 学 一 直 存 在 一 条 鸿 沟 非 生 命 过 程 -按 照 克 劳 修 斯 热 力 学 第 二 定 律 -认 为 自 然 界 中 一 切 自 发 过 程 都 是 熵 增 大 的 过 程 ， -而 熵 的 增 大 意 味 着 混 乱 度 的 升 高 。 生 命 过 程 -整 个 自 然 界 永 远 只 能 从 有 序 走 向 无 序 ， -这 就 完 全 排 除 了 从 无 序 走 向 有 序 的 可 能 性 。 -存 在 着 从 无 序 向 有 序 、 从 低 级 向 高 级 发 展 的 过 程 -是 一 个 熵 减 少 的 过 程 这 就 激 励 许 多 理 论 物 理 学 家 研 究 生 命 现 象 如 40年 代 理 论 物 理 学 家 薛 定 鄂 - 生 命 是 什 么 - 指 出 生 命 过 程 是 熵 减 少 ， 是 负 熵 。 68年 比 利 时 普 里 高 津 -从 非 平 衡 热 力 学 理 论 出 发 -提 出 耗 散 结 构 理 论 -严 格 证 明 了 远 离 热 力 学 平 衡 的 开 放 系 统 中 -过 程 的 复 杂 性 特 征 可 自 然 产 生 稳 定 的 自 组 织 行 为 -从 无 序 演 化 出 时 空 上 的 有 序 结 构 负 熵 概 念 和 耗 散 结 构 理 论 -让 人 们 加 深 对 生 命 科 学 有 序 性 的 理 解 时 间 可 逆 与 不 可 逆 问 题 -非 线 性 问 题 牛 顿 力 学 的 “ 决 定 论 ” 和 严 格 的 “ 因 果 关 系 ” -影 响 到 自 然 科 学 的 全 部 思 维 方 式 -解 决 了 自 然 科 学 许 多 重 大 课 题 -又 发 展 了 量 子 论 和 相 对 论 -引 向 微 观 世 界 和 整 个 宇 宙 。 而 牛 顿 力 学 、 量 子 论 和 相 对 论 的 时 间 却 是 可 逆 的 在 生 命 科 学 中 -时 间 不 可 逆 -一 切 生 物 从 出 生 到 死 亡 是 不 可 逆 的 -也 就 是 说 时 间 是 不 可 逆 的 ， 是 单 方 向 的 为 什 么 ？ -主 要 是 由 于 生 命 科 学 极 其 复 杂 的 -非 线 性 过 程 -非 线 性 是 生 命 科 学 中 带 有 根 本 性 的 、 普 遍 性 的 问 题 ， 是 生 物 系 统 所 固 有 的 动 态 属 性 非 线 性 -已 经 成 为 当 今 自 然 科 学 基 础 理 论 研 究 的 重 大 课 题 生 命 的 本 质 问 题 因 此 ， 生 命 科 学 的 基 本 特 征 -是 生 命 过 程 的 有 序 性 和 非 线 性 -是 整 个 生 物 界 之 所 以 能 在 这 错 综 纷 繁 的 世 界 中 不 断 生 衍 繁 殖 、 不 断 进 化 发 展 的 根 本 因 素 -也 是 冲 击 其 他 自 然 科 学 和 社 会 科 学 不 断 更 新 发 展 的 动 力 。 生 物 学 是 一 门 最 广 、 最 古 老 ， 但 也 是 年 轻 的 学 科 ， -古 老 -仍 是 生 与 死 的 问 题 -年 轻 -是 典 型 的 非 线 性 问 题 生 物 催 化 反 应 过 程 ： 微 生 物 培 养 、 动 植 物 细 胞 培 养 、 污 水 的 生 化处 理 、 生 物 技 术 提 取 天 然 产 物 等 均 为 生 物 反 应 过程 （ 生 化 工 程 ） 。 分 类 ： 生 物 催 化 剂 是 酶 ： 酶 反 应 过 程 生 物 催 化 剂 是 生 物 细 胞 ： 发 酵 过 程 生 物 反 应 过 程 由 四 个 部 分 组 成 ： 原 材 料 的 预 处 理 及 培 养 基 的 制 备 生 物 催 化 剂 的 制 备 生 物 反 应 器 及 反 应 条 件 的 选 择 产 品 的 分 离 纯 化 生 物 反 应 过 程 （ bioprocess） 的 特 点 ： 生 物 反 应 过 程 的 特 点 ： 生 产 过 程 通 常 在 常 温 下 进 行 ， 操 作 条 件 温 和 ， 不 需 要 考 虑 防 爆 问 题 ， 一 种 设 备 具 有 多 种 用 途 。 原 料 以 碳 水 化 合 物 为 主 ， 不 含 有 毒 物 质 。 生 产 反 应 过 程 是 以 生 命 体 的 自 动 调 节 方 式 进 行 的 ， 多 个 反 应 像 一 个 反 应 一 样 ， 可 在 单 一 设 备 中 进 行 ； 易 于 进 行 复 杂 的 高 分 子 化 合 物 的 生 产 ， 如 酶 、 光 学 活 性 体 等 能 高 度 选 择 性 地 进 行 复 杂 化 合 物 在 特 定 部 位 的 反 应 ， 如 氧 化 、 还 原 、 官 能 团 导 入 等 ； 生 产 产 品 的 生 物 体 本 身 也 是 产 物 ， 富 含 维 生 素 、 蛋 白 质 、 酶 等 ； 除 特 殊 情 况 外 ， 培 养 液 一 般 不 会 对 人 和 动 物 造 成 危 害 ； 生 产 过 程 中 需 要 注 意 防 止 杂 菌 污 染 ， 尤 其 是 噬 菌 体 的 侵 入 ， 以 免 造 成 很 大 的 危 害 。 通 过 改 良 生 物 体 生 产 性 能 ， 可 在 不 增 加 设 备 投 资 的 条 件 下 ， 利 用 原 有 的 生 产 设 备 使 生 产 能 力 飞 跃 上 升 。 生 物 过 程 工 程 （ bioprocess engineering） 基 本 概 念 尽 管 生 物 过 程 所 生 产 的 产 品 性 质 （ product characteristics） 、加 工 方 法 （ processing method） 、 工 艺 流 程 （ technological flow） 以 及 设 备 型 式 （ equipment type） 等 完 全 不 同 ， 甚 至 差异 很 大 。 但 却 有 共 同 点 ， 即 从 原 料 转 变 为 产 品 ， 均 包 括 一 系 列生 物 反 应 过 程 、 化 学 反 应 过 程 和 物 理 操 作 过 程 ， 按 照 不 同 方 式串 联 或 并 联 而 成 。 生 物 反 应 过 程 是 具 有 决 定 意 义 的 一 步 。 是 生物 生 产 过 程 的 核 心 ， 其 他 过 程 是 为 生 物 反 应 过 程 服 务 的 。 工 程 理 念 ： 工 程 学 ： 研 究 工 业 生 产 过 程 系 统 规 律 性 的 科 学 ， 实 际 上 是 探 索 如 何 有 效 地 在 合 理 的 生 产 设 备 将 原 料 转 变 为 工 业 产 品 的 科 学 。 据 此 ， 对 待 任 何 工 程 问 题 ， 均 需 有 以 下 四 种 工 程 理 念 （ engineering thought） ： 理 论 上 的 正 确 性 （ valid theory） 技 术 上 的 可 行 性 （ technical feasibility） 操 作 上 的 安 全 性 （ safety operation） 经 济 上 的 合 理 性 （ economical rationality） （ 核 心 ） 生 物 反 应 过 程 应 关 注 的 普 遍 性 问 题 ： 目 的 产 物 中 心 观 点 能 量 最 小 的 观 点 细 胞 经 济 与 生 产 经 济 矛 盾 的 观 点 目 的 产 物 中 心 的 观 点 为 提 高 产 物 对 原 料 的 转 化 率 （ transformation rate） ，要 求 关 注 生 物 反 应 代 谢 过 程 和 培 养 产 物 分 离 纯 化 两 个 方 面 。对 于 前 者 ， 要 促 进 细 胞 对 营 养 物 质 的 吸 收 ； 减 少 与 目 的 产物 形 成 无 关 的 代 谢 支 流 ， 使 各 个 分 支 的 物 质 相 对 集 中 流 向目 的 产 物 ； 消 除 目 的 产 物 进 一 步 代 谢 的 途 径 。 在 设 计 育 种（ breeding） 和 生 物 反 应 工 艺 控 制 中 要 建 立 该 工 程 理 念 。 对 于 后 者 的 单 元 操 作 ， 应 根 据 质 量 守 恒 定 律 （ law of mass conservation） 对 目 的 产 物 进 行 物 料 衡 算 。 以 此 去 分析 和 解 决 单 元 操 作 集 成 问 题 。 即 ： 输 入 的 产 物 量 输 出 的 产 物 量 目 的 产 物 损 失 能 量 最 小 的 观 点 在 细 胞 代 谢 （ cell metabolism） 和 生 产 过 程 中 均 消 耗 一 定 能量 ， 并 以 不 同 形 式 提 供 。 对 于 细 胞 代 谢 ， 生 物 能 （ biological energy） 是 细 胞 独 立 自 主 生 活 的 基 础 ， 每 个 细 胞 都 有 能 量 转换 机 构 ， 此 亦 是 生 物 技 术 工 业 具 有 生 物 学 属 性 的 重 要 体 现 。在 控 制 细 胞 代 谢 中 ， 可 通 过 减 少 支 流 途 径 （ by-pass path） 的能 量 和 增 加 目 的 产 物 主 流 途 径 的 生 物 能 支 持 。 提 高 能 量 利 用率 。 对 于 生 产 过 程 ， 可 根 据 能 量 守 恒 定 律 （ law of energy conservation） 和 能 量 系 统 集 成 （ integrated energy system）技 术 进 行 衡 算 ， 减 少 生 产 过 程 中 的 能 量 消 耗 。 细 胞 经 济 与 生 产 经 济 矛 盾 的 观 点 生 物 进 化 （ biological evolution） ， 细 胞 形 成 了 越 来 越 完善 的 代 谢 调 节 （ metabolic regulation） 机 制 ， 使 细 胞 内 复 杂的 代 谢 反 应 高 度 有 序 进 行 。 故 ， 细 胞 平 衡 生 长 不 会 有 代 谢产 物 （ metabolites） 积 累 。 细 胞 经 济 （ cell economy） 。细 胞 过 量 生 产 目 的 产 物 对 细 胞 来 讲 不 经 济 。 要 获 得 细 胞 代谢 产 物 的 过 量 生 产 ， 一 是 要 改 变 细 胞 基 因 型 而 改 变 代 谢 途径 ； 另 一 种 方 法 是 通 过 改 变 培 养 条 件 改 变 控 制 代 谢 。 过 量表 达 代 谢 产 物 的 细 胞 是 “ 病 态 ” 细 胞 。 工 业 上 利 用 “ 病 态 ”细 胞 的 不 经 济 性 生 产 对 人 类 经 济 的 产 品 。 生 化 工 程 中 涉 及 到 的 工 程 学 基 本 概 念 ： 恒 算 概 念 速 率 概 念 最 优 化 概 念 技 术 经 济 概 念 上 游 生 物 技 术 工 程 化 概 念 细 胞 代 谢 和 培 养 工 艺 过 程 一 体 化 概 念 衡 算 概 念 通 过 质 量 衡 算 、 热 量 衡 算 、 动 量 衡 算 达 到 物 料 和 能 量 有效 集 成 。 物 料 集 成 是 按 照 质 量 守 恒 定 律 进 行 物 料 衡 算 ， 运 用此 概 念 分 析 和 解 决 工 程 问 题 ； 根 据 能 量 守 恒 定 律 进 行 工 程 过程 的 系 统 能 量 衡 算 ， 达 到 能 量 最 大 利 用 ， 是 工 程 能 量 问 题 的基 本 方 法 。 质 量 、 热 量 和 动 量 衡 算 概 念 是 保 证 技 术 上 可 行 性和 经 济 上 合 理 性 的 重 要 工 程 措 施 和 环 节 。 速 率 概 念 速 率 问 题 是 理 论 上 正 确 性 和 技 术 上 可 行 性 的 一 个 重 要 衡量 标 志 和 判 断 标 准 ， 也 是 技 术 先 进 性 的 反 映 ， 更 是 生 物 反应 工 艺 、 工 程 探 索 结 果 的 表 现 。 一 般 来 讲 ， 过 程 速 率 与 过 程 推 动 力 （ driving force） 成 正比 ， 与 过 程 阻 力 成 反 比 。 即 ： 过 程 速 率 f（ 过 程 推 动 率 /过 程 阻 力 ） 最 优 化 概 念 生 物 技 术 反 应 过 程 优 化 中 ， 目 前 主 要 采 用 基 于 动 力 学（ kinetics） 的 最 佳 工 艺 控 制 点 为 依 据 的 静 态 （ static state）操 作 方 法 ， 是 化 学 工 程 宏 观 动 力 学 概 念 在 发 酵 工 程（ fermentation technology） 上 的 延 伸 。 现 在 ， 以 细 胞 代谢 流 分 析 与 控 制 为 核 心 的 生 物 反 应 最 优 化 观 点 正 日 益 受 到重 视 。 生 物 反 应 过 程 中 的 基 因 、 细 胞 、 工 程 三 个 水 平 上 进行 过 程 优 化 。 从 单 元 操 作 到 系 统 工 程 ， 从 宏 观 经 验 描 述 到微 观 的 本 质 认 识 ， 对 于 过 程 工 艺 优 化 具 有 重 要 意 义 。 技 术 经 济 概 念 技 术 经 济 概 念 始 终 贯 穿 于 生 物 技 术 产 品 的 整 个 开 发 中 ， 对于 不 同 阶 段 ， 均 应 有 技 术 评 价 （ estimates of technical economics） 。 特 别 在 小 试 （ small-scale production） 阶 段 ，往 往 不 容 忽 视 。 可 以 通 过 技 术 经 济 分 析 判 断 科 学 自 由 探 索 中的 潜 在 应 用 价 值 ， 以 便 进 一 步 开 发 。 在 中 试 （ pilot-scale production） 和 示 范 工 程 建 设 （ demonstrating engineering construction） 中 ， 更 不 能 离 开 技 术 经 济 的 参 与 。 只 有 经 过反 复 技 术 经 济 评 价 。 才 能 确 保 所 开 发 的 生 物 技 术 方 案 的 科 学性 和 合 理 性 。 上 游 生 物 技 术 工 程 化 的 概 念 随 着 基 因 重 组 （ gene recombination） 技 术 、 蛋 白 修 饰（ protein modification） 技 术 ， 细 胞 融 合 （ cell conjugation）技 术 和 固 定 化 （ immobilization） 技 术 的 逐 步 成 熟 ， 上 游 生物 技 术 （ up-stream bioprocessing） 已 经 进 入 工 程 化 阶 段 。特 征 是 可 以 根 据 需 要 设 计 改 进 天 然 的 或 构 建 新 的 生 化 物 质或 体 系 （ 核 酸 、 蛋 白 质 、 脂 质 体 及 多 糖 复 合 物 等 ） 以 及 新的 代 谢 步 骤 与 途 径 ， 并 对 他 们 在 生 物 体 内 外 的 作 用 加 以 研究 与 应 用 。 细 胞 代 谢 与 培 养 工 艺 过 程 一 体 化 的 概 念 生 物 反 应 过 程 产 物 实 质 上 是 细 胞 代 谢 产 物 ， 胞 内 基 因 水平 （ intracellular gene level） 的 信 息 流 决 定 了 细 胞 代 谢 流分 布 的 空 间 与 时 间 的 基 本 特 征 ， 而 生 物 反 应 器 只 是 在 环 境条 件 和 过 程 传 递 特 征 上 ， 从 物 料 和 能 量 供 应 上 对 这 一 代 谢流 产 生 影 响 。 当 前 生 物 技 术 产 业 化 发 展 的 特 点 是 必 须 将 细胞 代 谢 过 程 （ 微 观 分 子 细 胞 水 平 的 代 谢 调 节 ） 与 培 养 工 艺过 程 （ 宏 观 工 程 水 平 的 传 递 特 性 ） 进 行 深 度 结 合 ； 由 宏 观推 向 微 观 ， 强 调 在 对 细 胞 代 谢 深 入 发 展 的 认 识 基 础 上 ， 以多 尺 度 的 工 程 学 观 点 研 究 过 程 特 性 。 生 化 反 应 过 程 的 目 的 ： 利用生物体或细胞或其部分，特别是微生物细胞本身的代谢（发酵）能力获得相应产物（品）（发酵产品）。 微 生 物 产 物 ： 微 生 物 细 胞 ， 酶 ， 药 物 活 性 物 质 ， 特 殊 化 学 物 质 和 食 品 添 加 剂 定 义 ： 以 获 得 具 有 多 种 用 途 的 微 生 物 菌 体 细 胞 为 目 的 产 品 的 生 产 过 程 ， 包 括 单 细 胞 的 酵 母 和 藻 类 、 担 子 菌 ， 生 物 防 治 的 苏 云 金 杆 菌 以 及 人 、 畜 防 治 疾 病 用 的 疫 苗 等 。 特 点 ： 细 胞 的 生 长 与 产 物 积 累 成 平 行 关 系 ， 生 长 速 率 最 大 时 期 也 是 产 物 合 成 速 率 最 高 阶 段 ， 生 长 稳 定 期 产 量 最 高 。 生产细胞物质 微生物酶发酵酶 的 特 点 ： 易 于 工 业 化 生 产 ， 便 于 改 善 工 艺 提 高 产 量 。分 类 ： 胞 内 酶 和 胞 外 酶生 物 合 成 特 点 ： 需 要 诱 导 作 用 或 阻 遏 、 抑 制 等 调 控 作 用 的 影 响 ， 在 菌 种 选 育 、 培 养 基 配 制 以 及 发 酵 条 件 等 方 面 需 给 予 注 意 。 微生物代谢产物发酵 包 括 初 级 代 谢 产 物 、 中 间 代 谢 产 物 和 次 级 代 谢 产 物 。 对 数 生 长 期 形 成 的 产 物 是 细 胞 自 身 生 长 所 必 需 的 ， 称 为 初 级 代 谢 产 物 或中 间 代 谢 产 物 。 各 种 次 级 代 谢 产 物 都 是 在 微 生 物 生 长 缓 慢 或 停止 生 长 时 期 即 稳 定 期 所 产 生 的 ， 来 自 于 中 间 代谢 产 物 和 初 级 代 谢 产 物 。 微生物的生物转化 定 义 ： 利 用 生 物 细 胞 对 一 些 化 合 物 某 一 特 定 部 位 （ 基 团 ） 的 作 用 ， 使 它 转 变 成 结 构 相 类 似 但 具 有 更 在 经 济 价 值 的 化 合 物 。 特 点 ： 最 终 产 物 是 由 微 生 物 细 胞 的 酶 或 酶 系 对 底 物 某 一 特 定 部 位 进 行 化 学 反 应 而 形 成 的 。 微生物特殊机能的利用 利 用 微 生 物 消 除 环 境 污 染 利 用 微 生 物 发 酵 保 持 生 态 平 衡 微 生 物 湿 法 冶 金 利 用 基 因 工 程 菌 株 开 拓 发 酵 产 品 生 产 的 新 领 域 （ 新 产 品 、 新 过 程 ） 。 生 化 工 程 产 品 简 介 发 酵 食 品 有 机 酸 氨 基 酸 核 酸 类 物 质 酶 制 剂 医 药 工 业 （ 抗 生 素 ） 饲 料 工 业 （ 单 细 胞 蛋 白 环 境 工 程 （ 废 物 处 理 ） 其 它 （ 冶 金 工 业 ） biological engineering Fermented Foods Organic Acids Amino Acids Nucleotides Enzymes Pharmaceutical (Antibiotics) Feedstuff (eg. SCP) Environmental Application (Waste Treatment) Others (eg. Metallurgical industry) 课 程 内 容 微 生 物 生 长 、 发 酵 反 应 动 力 学 分 析 ； 生 产 过 程 的 参 数 检 测 与 控 制 ； 反 应 器 设 计 与 分 析 ； 固 定 化 酶 与 固 定 化 细 胞 及 应 用 ； 动 植 物 细 胞 大 规 模 培 养 等 内 容 主 要 参 考 教 材 1 新 编 生 物 工 艺 学 俞 俊 棠 化 工 出 版 社 2 微 生 物 工 程 曹 军 卫 主 编 科 学 出 版 社 3 发 酵 工 艺 原 理 熊 宗 贵 医 药 科 技 出 版 社 4 生 物 工 艺 原 理 贺 小 贤 化 工 出 版 社 5 氨 基 酸 生 产 工 艺 学 张 克 旭 6 微 生 物 发 酵 的 代 谢 与 控 制 张 克 旭 轻 工 出 版 社 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 。