1、Resource and Environmental School of Hubei University,生化工程,生化工程(第一版),伦世仪 主编 中国轻工业出版社,教材：,参考书目： 1、肖冬光.微生物工程原理. 北京: 中国轻工业出版社, 2004 2、梁世忠. 微生物工程设备. 北京：中国轻工业出版社，2002 3、邱立友. 发酵工程与设备. 北京：中国农业出版社， 2007 4、党建章，发酵工艺教程，北京：中国轻工业出版社，2003,中国生化工程论坛：http:/,其他参考书 1）工业微生物学，岑沛霖、蔡谨编著等，2000年6月，化学工业出版社； 2）微生物工程，曹军卫、马辉文编著
2、，2002年8月，科学出版社； 3）生物技术制药，熊宗贵主编等，1999年9月，高等教育出版社； 4）发酵工厂工艺设计概论，吴思方，2002年10月，中国轻工业出版社； 5）代谢控制发酵，张克旭，陈宁，2000年8月，中国轻工业出版社； 6）微生物工程工艺原理，姚汝华，华南理工大学出版社，2003年1月； 7）发酵工业概论，李艳，中国轻工业出版社，1999；,总学时及学时分配表：总学时：72学时；学分：4学时分配表,教 学 计 划,教 学 计 划,教 学 计 划,一、生化工程简介 二、发酵和生化工程的沿革与进展 三、生化工程的任务和内容 四、生化工程的应用与发展前景 五、我国生化工程研究情况,
3、第一章 绪论,化学,生物,一、生物化学工程(biochemical engineering),生物化学,工程,化学工程,生物工程,生物化学工程,基因工程,现代生物技术,产业化,生化工程全称是生物化学工程，是为生物技术服务的化学工程。利用化学工程原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科，是生物化学与化学工程相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学这一实践技术，以生物体细胞（包括微生物细胞、动物细胞、植物细胞）作为研究的主角（主要是微生物）、生物化学作为理论基础，从动态、定量、微观的角度，广泛而深刻地揭示了生物工业的过程。,生物化学工程学科,-研究生物反应过程
4、中共性工程技术问题 -为生物工程服务的化学工程 -它即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在工业规模生产中，如何以较少的原料和能量，高效率地获得产物，以及如何将实验室中新发现的物质和过程迅速而经济地推向工业生产。,二、发酵和生化工程的沿革与进展,早期的发酵工业只有较少种类的产品，其中厌氧发酵产品居多。 1.发酵巴斯德：发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程，是生物获得能量的一种形式。现代发酵：利用微生物的生命活动来制造产品的过程。 2.发酵工程发酵工程（微生物工程，发酵技术），是指利用微生物的特定性状，通过现代工程技术，在生物的反应器中生产
5、有用物质的一种技术系统。 发酵工程是“研究利用微生物的工业，即微生物参与的工艺过程”。,发酵工程的发展历史 古代发酵特点：只知现象，不知本质主要产品：酿酒、制醋、制酱、制奶酪近代发酵 纯培养技术的建立特点：天然发酵向纯种发酵转变 (第一次技术转折)主要产品：酒精、丙酮、丁醇、甘油巴斯德，科赫,1676年，微生物学的先驱 荷兰人列文虎克（Antonyvan leeuwenhoek）首次 观察到了细菌。他没有上 过大学，是一个只会荷兰 语的小商人，但却在1680 年被选为英国皇家学会的 会员。,微生物的发现,法国人巴斯德（Louis Pasteur） （18221895）,德国人柯赫（Robert
6、 Koch） （ 18431910）,现代发酵 发酵工程 通气搅拌发酵(第二次技术转折)特点：搅拌培养的好气性发酵关键：无菌空气的制备，通风搅拌发酵主要产品：青霉素、激素、酶制剂、有机酸 代谢控制发酵特点：从 DNA 分子水平上控制(无定向诱变)微生物代谢途径，进行合理代谢主要产品：氨基酸、核苷酸 基因工程发酵(技术革命)特点： 可定向改造生物基因，按人们的意志生产产品主要产品：人生长素、干扰素、疫苗,生化工程学诞生于上世纪40年代。40年代前期，正好是第二次世界大战期间，青霉素给传统的发酵工业提出了一个巨大的难题。为什么说是巨大的难题呢？1青霉素生产菌种的比生长速率很低。2是严格的好氧菌。3
7、青霉素是次级代谢产物，前期生长及后期合成青霉素周期长达100h，要想发酵成功，必须解决长达100h不间断供氧，保持无杂菌状态；另外随发酵时间的延续，菌丝体的繁殖，发酵液的流变特性明显变化，溶氧速率本来就慢，这时更慢，为此必须增大通气速率，使无杂菌的状态更难保持 。,20世纪40年代，第二次大战中青霉素大规模工业化生产而诞生了生化工程。 生化工程学首次会议于1949年举行。 生化工程学的诞生开创了发酵工业的新纪元。好氧发酵产品得以迅速开发和工业化。 、 一方面，它开辟了微生物次级代谢产物生产的先河。 、另一方面，对原有和新的初级代谢产物的生产方式有了新的启示。 1945年弗莱明、弗洛里（病理学家
8、）和钱恩（生化学家）因发现青霉素被授予诺贝尔Nobel Prize医学奖,生化工程的发展经历了两次跃变： 40年代中期 青霉素等深层发酵 奠定生化工程的基础 70年代后期 分子生物学、遗传学的发展,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、动植物作为生物催化剂，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
9、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重组技术的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
10、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： 以DNA重组为主要手段，利用可再生性资源，依靠清洁、经济的生物反应器加工人类所需产品的可持续发展技术。,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
11、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 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。 下游加工-从反应液中提取目的产物 加工精制成合格产品。 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,一般的生化反应工程由四部分组成： 、原料的预处理：包括原材料的选择，必要的物理化学方法加工，培养基的配制和灭菌。 、生物催化剂的制备：包括菌种的选择，
12、扩大培养和接种，酶催化反应中酶的选择、固定化。 、生化反应器及反应条件的选择和监控 、产物的分离纯化（包括初提纯和精提纯）, 这部分工序也常称为下游加工过程.,三、生化工程的任务和内容,、培养基灭菌、空气除菌、通气搅拌、反应器及比拟放大生化工程学研究的焦点之一。是最基本的生化工程学知识。 、微生物的连续培养微生物的连续培养是50年代以来发展起来的新的培养技术。连续培养有很多优点, 目前由于一些技术问题没有得到很好的解决，所以近代发酵工业中应用连续发酵的例子不多.,3. 生物反应动力学生物反应动力学是研究在特定的环境条件下，微生物的生长、产物的生成、底物的消耗之间的动态关系及规律，以及环境因子对
13、这些关系的影响。发酵过程的优化控制，生产强度的提高均离不开动力学的研究，这涉及提高生产工程经济效益的一个重要方面。 4. 固定化酶技术及应用70年代初，第一次酶工程学术会议召开。酶工程的目的在于有效的利用酶。固定化酶技术就在这时出现了。固定化酶技术有很多优势。例如： 酶可重复利用， 产物分离容易， 易于实现自控和连续化。,1.以生物活细胞或由细胞提取出来的酶为催化剂的生物化学反应过程。 2.生化反应器复杂，控制参数众多。 3.生物反应过程通常在温和的反应条件下进行，但影响的因素多。,生化工程的特点,如何学习这门课程？,重点掌握：培养基灭菌、空气除菌、通气搅拌、比拟放大、连续培养 一般掌握：发酵
14、过程检测与自控、发酵的实验室研究和中试及放大、 发酵过程经济学,四、生化工程的应用与发展前景,医药工业 食品工业 化工、冶金工业 能源、环保 农业、饲料工业 其他领域,五、我国生化工程研究情况 研制成功了多种不同类型的反应器 。 在分离技术方面 ,研制成功几种形式与规格的分离膜和器件（中空纤维超滤膜及组件），为多种酶、基因工程多肤、蛋白质的分离提供了新手段 。此外 ,还开发出了琼脂糖凝胶、高效离子交换树脂、疏水色谱介质等 ,部分地替代了进口 。 研制成功多种不 同型号用于发酵控制的传感器 ,其中耐高温可消毒 传感器和 敏场效应管已小批量生产 ,用于 生产过程控制 ,可使产量提高 多 。 对青霉
15、素和 两个具有典型性的发酵过程 ,进行微机在线控制研究 ,并取得可喜结果 。,生化工程今后发展的重点,1. 新型生物反应器的研究开发，特别是针对基因工程产品和动、植物细胞培养产品的投产研制新型生反应器。 2. 新型分离方法和设备的研究开发。 3.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。 4. 生产过程控制手段的改进，重点是解决能在线反映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。,作业：查阅资料，了解我国生化工程发展概况及其现状。了解生化工程今后的发展方向。总结成一篇论文。sht75jzbyahoo.C,一、填空题 生化工程的4个主要分支
16、是 、 、 和 。 生物工程的各分支领域 、 、 和 之间有着错综复杂的关联，通常是由彼此合作来实现的。 一般认为，生物工程主要由 、 、 和 组成。 生化工程的内容按对细胞处理的方式大致分为 、 。 生化工程按所处理的对象分为 、 、 、 。 生化工程的发展经历两次飞跃，生物反应器按生物反应在相内进行方式可分为： 、 。 二、名词解释 生物化学工程,自测题：,一、填空题 生化工程的4个主要分支是 生化反应工程 、 生化控制工程 、 生化分离工程 和 生化系统工程 。 生化工程按所处理的对象分为 微生物生化工程 、 植物生化工程 、 动物生化工程 、 酶生化工程 。 生化工程的内容按对细胞处理的方式大致分为 胞外控制部分 、 胞内控制部分 。 生化工程的发展经历两次飞跃，生物反应器按生物反应在相内进行方式可分为：发酵器 、酶反应器 。,名词解释 生物化学工程：生物化学与化学工程相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学这一实践技术，以微生物作为研究的主角，生物化学作为理论基础，从动态，定量，微观的角度，广泛而深刻地揭示可生物化学工业的过程本质。,
