1、精细生物化工产品,制作：吴芳林、曾孝凤 指导：付伟高、贺伟、马强,第一节 生物化学工程基本知识,一、生物化学工程的定义及特点：定义：生物化学工程是生物化学反应的工程应用，主要包括代谢工程、发酵工程和生物化学传感器等，生物化学工程和生物医学工程是最初的生物工程学概念，基因重组、发酵工程、细胞工程、生化工程等在21世纪整合而形成了系统生物工程。,当采用活细胞催化剂时，称为发酵过程。利用细胞中提取出的酶为催化剂时，称为酶反应过程。 生物反应过程由：原料预处理；生物催化剂的制备；生物反应的主体设备；生物化工产品的分离和精制,特点：由于采用生物催化剂，可在常温常压下进行反应，但生物催化剂易于失活，易受环
2、境影响和污染，一般采用分批操作。,二、生物催化剂,生物催化剂：广义是指由生物产生用于自身新陈代谢，维持其生物活动的各种催化剂。 活细胞催化剂：工业上用作活细胞催化剂的几乎都是活体微生物细胞，如：放线菌、酵母菌、霉菌等。 互动：DNA与RNA之间的区别是什么？,酶催化剂：没事一类有生物体产生的具有高效和专一催化功能的蛋白质。催化效率高，比一般非生物催化剂效率高。,具有极高的选择性,三、重组DNA技术,重组DNA技术，也称基因工程或遗传工程，是在分子遗传学、细胞生物学基础上发展起来的新技术，利用这种技术可以按照人们的设计改造和组建生物品种，包括进行菌种性能改良。互动：CAATG对G-T-C,四、细
3、胞融合技术,方法：机械法、化学法 特点：只需动物的卵细胞及细胞,五、生物反应器,生物反应器是指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备它是生物反应过程中的关键设备。从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程的反应器则称为酶反应器。,1 发酵罐：据使用对象可分为：厌氧发酵罐、好氧发酵罐。好氧发酵罐据能量输入方式或作用原理区分，可分为：a、具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐b、循环泵发酵罐c、 鼓泡塔式发酵罐,鼓泡塔发酵罐,发酵罐,循环泵发酵罐,2、酶反应器,酶反应器分为游离酶反应器和固定化酶反应器。,游离酶反应器,固定化酶反应器,3、生物反应器的特点,a
4、常温常压下操作，密闭，且材质对微生物无毒。 b 催化剂在罐中产生，为防止污染和活性衰退，一般采用分批釜式反应器。 c 要求底物浓度不能太大 d 流变学性质复杂，物料的混合和传递不便，生物反应器的设计放大困难。,六、发酵过程,发酵过程是指在活细胞催化剂作用下所进行的系列串联反应过程。发酵过程包括：菌体生长和产物形成两个阶段。,1、发酵过程分类,按产品的不同可分为：a 以获得微生物细胞为产品的过程b 以获得微生物酶为产品的过程。c 以获得微生物代谢产物为产品的过程。d 以获得微生物进行生物转化后产物为产品的过程。,按操作过程可分：a 分批培养b 连续培养c 半连续培养按培养基性质可分：a 固体培养
5、b 液体培养,2、发酵工艺流程,工艺流程：a 供菌体生长和产物形成所用培养基的制备b 培养基、发酵罐和附属设备的灭菌c 供发酵生产用的种子制备d 在发酵罐中提供最佳条件，以使菌体生长和形成。e 产品的提炼和纯化f 生产中所产生的废物的处理,3、发酵过程的控制,七、酶反应过程,酶反应过程是指利用酶催化所具有的特异催化功能。与发酵过程相比，它采用了反应专一性的酶为催化剂，无副产物，精制过程和产物分离纯化比较方便。 以单一酶为催化剂的反应称单酶反应。,以多个酶参与反应的过程称多酶反应。 从化学反应工程角度看，酶反应过程可分为液相催化反应及多相催化反应。,1、酶反应步骤,a产生酶的微生物发酵过程b 胞
6、内酶的微生物细胞破碎过程c 酶的分离纯化过程d 提高酶催化性能的固定化过程e 酶反应器的设计和控制,2、酶反应工艺流程,（1）单酶反应 （2）多酶反应,八、生化分离工程,从培养液或反应液中分离、精制有关产品的过程即称为生化分离工程。,1、提取提取分为培养液（如发酵液）的预处理和细胞的破碎与分离俩部分。2、精制生化精制的方法常用沉淀、萃取、吸附和离子交换以及超滤等,九、生物化工产品,以生物来源为主的物料为原料，通过生物催化剂的作用，在生物反应器中形成，并通过生化分离工程的有关技术将其提取纯化。 合成方法：化学合成法、生物合成法 生物化工产品按产品性质可分为：大宗化工产品、精细化工产品、现代生物技
7、术产品,第二节 酶 制 剂,酶：细胞产生的具有催化活性的特殊蛋白质，其功能与化学催化剂相似 酶的特点：专一性、催化效率高、反应条件温和、环境污染少和能耗少,一、酶的基本概念,1、酶的组成 元素组成由C、N、H、O外，还有少量的S、P、Fe和其他元素。 酶按其组成可分为单成分酶和多成分酶,2、酶的结构,酶蛋白是球蛋白，酶的结构就是球蛋白的结构。 氨基酸的结构通式为：,肽链的通式为：,3、酶的蛋白质性质,性质：两性性质胶体性质显色反应变 性,4、酶的活性中心,5、酶的分类氧化还原酶类转移酶类水解酶类裂解酶类异构酶类连接酶类,6、酶在细胞内的分布,酶在细胞内的分布,互动：酶在细胞中的分布范围,7、酶
8、的性质与催化反应 一般催化剂为小分子，而酶却为大分子，具有大分子的各种性质 酶本身是蛋白质，具有蛋白质的共性 酶对反应物及反应有专一性 酶催化的反应所需活化能极低 酶反应可以受到各种因素的调节或控制,二、工业酶制剂的生产,酶按其来源可分为动物酶、植物酶、和微生物酶三类。 微生物制酶是工业酶的主要来源。,1、生物酶的培养,筛选适合的微生物。 一定组成的培养基、温度、pH、通气量。 固体（液体）深层培养。 适当时间。 适当方法提酶。,2、酶的提取,方法：破碎 抽取 提取机理破碎机理：机械法（研磨、压力破碎、超声波。）生化法（丙酮、溶菌酶、菌体自溶酶。）,3、酶制剂的制备,大多数工业酶制剂是液体酶，
9、是滤去菌体等固体的发酵液或组织抽取液，采用薄膜蒸发、超滤等方法浓缩后添加稳定剂与防腐剂而成。 粉状干燥的酶制剂的制备主要采用溶剂法和盐析法。,4、酶制剂地稳定化,酶制剂的稳定剂主要有：氯化钠、甘油、山梨醇、丙二醇、蔗糖等，此外柠檬酸盐、乙二胺四乙酸等金属螯合剂常用来作为对重金属有敏感的酶的稳定剂。,5、重要酶制剂,a 淀粉酶b 蛋白酶c 中性蛋白酶d 酸性蛋白酶e 葡萄糖异构酶,三、固定化酶,固定化酶是指那些被完全的或严格的限制于一定空间活动，而保持着它们的催化活力，并能稳定的重复使用的酶。 固定化方法是将酶和载体结合起来的手段。,固定化方法的分类,1吸附法：将酶吸附在不溶性固态载体表面 2交
10、联法：利用双功能基团或多功能基团的试剂，将酶的各分子间交联凝集成“网状”结构。 3共价法：酶蛋白分子功能团与载体物表面反应集团之间形成化学共价键连接的方法,4包埋法：利用物理方法将酶包埋在高聚物内的方法是一种不包含化学修饰酶蛋白的聚合反应，反应条件温和，酶蛋白结构极少受改变的固定化方法。,四、微生物细胞固定化技术,第三节 精细生物化工产品工艺,一、有机酸及其发酵工艺 1次甲基丁二酸次甲基丁二酸又名衣康酸，可以由柠檬酸加热分解得到，生物合成是由葡萄糖生成柠檬酸后，经顺乌头酸脱羧而得。,发酵工艺（1）接种材料的制备（2）发酵培养基的制备（3）发酵过程及控制（4）提取和精制,2、羟基丁二酸,羟基丁二
11、酸又名苹果酸，是一种白色晶状固体。,苹果酸有L一苹果酸、D苹果酸和DL-苹果酸3种异构体。天然存在的苹果酸都是L型的，几乎存在于一切果实中，以仁果类中最多。苹果酸为无色针状结晶，或白色晶体粉末，无臭，带有刺激性爽快酸味，熔点127-130，易溶于水，5559/100mL(20)，溶于乙醇，不溶于乙醚。有吸湿性，1%(质量)水溶液的pH值24。,苹果酸生产发酵工艺,(1)菌种扩大培养(2)发酵(3)提取和精制,二、氨基酸及其发酵工艺,氨基酸是一类具有一个或多个氨基和一个或多个羧基的有机化合物。,1、谷氨酸,谷氨酸单钠盐俗称味精，它具有肉类鲜味，是常用的调味品。 互动：谷氨酸钠烧焦后对人体有害吗？
12、,谷氨酸的生产工艺流程,(1)菌种扩大培养(2)发酵(3)提取和精制,2、赖氨酸,赖氨酸是人体必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。赖氨酸为碱性必需氨基酸。由于谷物食品中的赖氨酸含量甚低，且在加工过程中易被破坏而缺乏，故称为第一限制性氨基酸,赖氨酸结构式,3、亮氨酸,亮氨酸可作为营养增补剂；调味增香剂。 可配制氨基酸输液及综合氨基酸制剂，降血糖剂，植物生长促进剂。,亮氨酸结构式,三、核酸及其生产,核酸是生物遗传的物质基础，可分为两类：核糖核苷酸（RNA）脱氧核糖核苷酸（DNA）。 核酸是由有机碱、磷酸、戊糖组成。有机碱主要是嘧啶碱和嘌呤碱。,DNA,RN
13、A,核苷及核苷酸的生产,酶解法 直间发酵法,四、单细胞蛋白（SCP）及其制法,微生物菌体内含有丰富的蛋白质，大多数用于生产的微生物是从单一的或者丝状的个体形成生长的，由此得名单细胞蛋白，简称SCP。,单细胞蛋白的特点,（1）生长繁殖迅速，比植物动物快得多。 （2）营养价值高，含有40%80%粗蛋白质。 （3）可利用的原料广泛。,五、生物农药及其生产方法,1生物农药的定义分类： 生物农药是指应用生物体及其代谢产物制成的用于防治危害农作物及农林产品的害虫、螨类、病菌、杂草等有害生物的制剂，还包括保护生物活体的保护剂以及提高这些制剂效力的辅助剂、增效剂。,生物农药的分类,按成分：微生物活体农药、微生物代谢产物农药、植物源生物农药、动物源生物农药。 按防治对象：杀虫剂、杀菌剂、除草剂、杀螨剂。互动：生物农药对环境有什么好处,2、生物农药的生产,（1）细菌杀虫剂的生产 （2）真菌杀虫剂的生产 （3）微生物除草剂的生产,3、生物农药的加工剂型和辅助剂,（1）剂型：水剂、粉剂、可湿粉剂、乳油、颗粒剂、微胶囊剂。 （2）辅助剂：肥皂、洗衣粉、茶枯粉、酪蛋白、明胶。,谢谢观赏,
