生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)1課件

1、1生 物 反 應(yīng) 工 程 基 礎(chǔ)2第一節(jié) 生物反應(yīng)工程簡介生物反應(yīng)工程（Bioreactor Engineering）是一門以生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、計算機與信息技術(shù)等多學(xué)科為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科。它以生物反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，將傳遞過程原理、設(shè)備工程學(xué)、過程動態(tài)學(xué)及最優(yōu)化原理等化學(xué)工程學(xué)方法與生物反應(yīng)過程的反應(yīng)特性方面的知識相結(jié)合，進行生物反應(yīng)工程分析與開發(fā)，以及生物反應(yīng)器的設(shè)計、操作和控制等。生物反應(yīng)工程主要研究生物反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)問題。因此，其在生物工業(yè)中起著舉足輕重的作用。3 1857年巴斯德（Pasteur）證明酒精發(fā)酵是由活酵母引起的20世紀中期前后生物化學(xué)工程學(xué)科的形成。 20世

2、紀后期（197080年）生物反應(yīng)工程學(xué)科的形成。英國學(xué)者阿特金遜（1971）首次提出生化反應(yīng)工程。 20世紀90年代基因工程與生物反應(yīng)工程不斷融合、發(fā)展。457生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)簡介純種發(fā)酵：溶劑、有機酸、酵母深層發(fā)酵：抗生素、維生素、酶制劑細胞工程和基因工程： 醫(yī)藥生物技術(shù) 單克隆抗體生產(chǎn) 生物（蛋白質(zhì)）藥物 農(nóng)業(yè)生物技術(shù) 工業(yè)生物技術(shù)(環(huán)境生物技術(shù))8C4C3C2C1生物質(zhì)糖甲烷、甲醇等乙醇、乙酸、乙烯、乙二醇等乳酸、丙烯酸、丙二醇等丁二酸、富馬酸、丁二醇等衣康酸、木糖醇等能源、高分子材料產(chǎn)品和化學(xué)品檸檬酸、山梨醇等C5C6苯、苯酚等生物加工制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)品101.生物技術(shù)的第一階段從藝術(shù)

3、到科學(xué)16世紀中， Robert Hooke發(fā)明顯微鏡。17世紀末， Antoine van Leeuwenhoek 對于fungi, bacteria and protozoa等進行了最早的紀錄和描述。微生物真正的突破在19世紀：Louis Pasteur純種發(fā)酵一批純種（厭氧）發(fā)酵的產(chǎn)品的生產(chǎn)開始：乙醇, 乳酸, 丙酮，.112. 生物技術(shù)的第二階段工程化的過程Alexander Fleming(1928)發(fā)現(xiàn)Staphylococcus培養(yǎng)受到Penicillium notatum的抑制Florey and Chain(1939)發(fā)現(xiàn)青霉素在對付感染是有效的?；瘜W(xué)合成證明是困難的。表面培

4、養(yǎng)技術(shù)和高產(chǎn)菌株使得青霉素開始生產(chǎn)（1941-43）青霉素的價格比黃金高。12Alexander Fleming (1881-1955)143. 生物技術(shù)的第三階段三個浪潮醫(yī)藥生物技術(shù)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)工業(yè)生物技術(shù)15醫(yī)藥生物技術(shù)發(fā)展特點： 采用現(xiàn)代生物技術(shù),借助某些微生物、植物、動物生產(chǎn)醫(yī)藥品。涉及的相關(guān)學(xué)科： 基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、生化工程、蛋白質(zhì)工程、抗體工程等。171）免疫性蛋白，如各種抗原和單克隆抗體；2）細胞因子，如各種干擾素、白細胞介素、集落刺激因子、表皮生長因子、凝血因子；3）激素，如胰島素、生長激素、心素納；4）酶類，如尿激酶、鏈激酶、葡激酶、組織型纖維蛋白溶酶原激

5、活劑、超氧化物歧化酶。生物技術(shù)類藥物種類181983年轉(zhuǎn)基因植物問世 ,1986年被批準(zhǔn)進入田間試驗 ,根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部動植物檢疫局 (APHIS)的數(shù)據(jù) ,1997年 1月 31日 ,美國已批準(zhǔn)的轉(zhuǎn)基因植物田間試驗達 2500多例。轉(zhuǎn)基因植物進入市場：如抗除草劑的大豆，抗病毒病的甜菜，抗腐能力強、耐貯性高的番茄 我國實施的“水稻基因組計劃”采用離子束介導(dǎo)法將外源基因轉(zhuǎn)入水稻成功應(yīng)用細胞工程技術(shù)建立了一系列快速、高效的動植物育種新方法據(jù)預(yù)計 ,21世紀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)品種的90%將通過生物技術(shù)改良 ,生物技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)總貢獻率會高于70%農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展19病蟲害對棉花生產(chǎn)造成嚴重的影響九十年代病

6、蟲害造成棉花減產(chǎn)17-30%，最嚴重的地區(qū)減產(chǎn)50%長江和黃河流域造成的減產(chǎn)分別達到10萬噸和152萬噸，造成的直接經(jīng)濟損失達50億元，間接經(jīng)濟損失達100億元。例子：中國轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的發(fā)展20抗CMV病毒轉(zhuǎn)基因青椒抗CMV病毒轉(zhuǎn)基因番茄21繼醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)之后，工業(yè)生物催化已經(jīng)被廣泛看作是“生物技術(shù)的第三次浪潮”。工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展22工業(yè)生物技術(shù)的依托24生物可再生資源綠色工藝生物加工過程生物催化劑農(nóng)產(chǎn)品深加工，關(guān)系到三農(nóng)問題（小康的關(guān)鍵）生物能源資源和能源，關(guān)系到國家戰(zhàn)略安全問題。發(fā)展生物技術(shù)是解決危機的有效途徑無污染工藝生產(chǎn)社會效益科技貢獻經(jīng)濟效益25化學(xué)工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)石油資源枯竭 世界性

7、的能源危機 我國石油每年1/31/2依賴進口污染問題嚴重 以破壞環(huán)境為代價發(fā)展經(jīng)濟不是長遠之計(綠色GDP)尋找新的經(jīng)濟生長點生物催化劑？27生物催化劑發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在確認的酶有3000多種，隨基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的發(fā)展會更多研究的領(lǐng)域：精細化工（包括醫(yī)藥）、石油化工、環(huán)境工程、日用化工等學(xué)科我國生物公司 1650家投資市場 970億，其中用于R&D 90億產(chǎn)品 ：90多種基因藥物和疫苗，2000多萬人因此受益28例子：生物催化改造利用微生物脫氫酶的作用，去除氫化可的松的1，2位C上的氫，可得氫化潑尼松，反應(yīng)式如下，轉(zhuǎn)化率90以上：經(jīng)過改造，藥效提高數(shù)倍，毒副作用降低氫化可的松氫化潑尼松節(jié)桿菌29丙

8、烯酰胺生產(chǎn)化學(xué)法與生物法比較銅系催化水合法 生物催化法 丙烯腈單耗 0.80.75產(chǎn)品純度 95%98%副產(chǎn)物、雜質(zhì)及廢物 產(chǎn)品中有較多催化劑銅離子，基本無三廢 副產(chǎn)物極少（少量丙烯酸和丙烯醛） 丙烯腈轉(zhuǎn)化率 83-87%99.9%生產(chǎn)成本 高低反應(yīng)溫度（） 70-120 20-24能耗 高低（比銅催化節(jié)約50%） 30丙烯酰胺生產(chǎn)化學(xué)法與生物法比較銅系催化水合法 生物催化法 丙烯腈單耗 0.80.75產(chǎn)品純度 95%98%副產(chǎn)物、雜質(zhì)及廢物 產(chǎn)品中有較多催化劑銅離子，基本無三廢 副產(chǎn)物極少（少量丙烯酸和丙烯醛） 丙烯腈轉(zhuǎn)化率 83-87%99.9%生產(chǎn)成本 高低反應(yīng)溫度（） 70-120 2

9、0-24能耗 高低（比銅催化節(jié)約50%） 31產(chǎn) 業(yè)產(chǎn) 品醫(yī)藥生物技術(shù)類藥物重組蛋白，抗體、基因藥物、疫苗（包括基因疫苗）、生化藥物、多肽藥物、血液制品、診斷試劑、微生物藥物、天然藥物、保健食品和抗生素?；蛑委?、組織工程農(nóng)業(yè)生物技術(shù)生物殺蟲劑、生物農(nóng)藥、生物微肥工業(yè)生物技術(shù)生物材料（聚乳酸、蜘蛛絲蛋白“生物鋼”）、生物能源（生物柴油）、環(huán)境生物技術(shù)（降低處理成本2050）、提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（生物催化）如化工，制藥，采礦、造紙、發(fā)酵?？墒箚魏摹⑺?、能耗、污染排放下降30生物技術(shù)含蓋的行業(yè)和產(chǎn)品生物技術(shù)的實驗室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)而成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程稱為生物反應(yīng)過程。典型的生物反應(yīng)過程：包

10、括四個部分：原材料的預(yù)處理; 生物催化劑的制備；生化反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控 ；產(chǎn)物的分離純化 生物反應(yīng)工程具體內(nèi)容33整個生物反應(yīng)過程以生物反應(yīng)器為核心，而分別把反應(yīng)前與后稱為上游加工和下游加工。生物反應(yīng)工程是生物反應(yīng)過程的一個部分，主要圍繞生物反應(yīng)器進行研究，研究生物反應(yīng)過程中有關(guān)反應(yīng)器設(shè)計放大等具有共性的工程技術(shù)問題，以達到在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器中給生物反應(yīng)提供一個最佳的反應(yīng)環(huán)境。原材料的預(yù)處理 ： 包括原料的選擇 ，必要的物理和化學(xué)方法加工，培養(yǎng)基的配制和滅菌生物催化劑的制備： 包括菌種的選擇、擴大培養(yǎng)和接種，酶催化反應(yīng)中酶的純化、酶的固定等。生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控： 生物反

11、應(yīng)器是進行生物反應(yīng)的核心設(shè)備，它應(yīng)為細胞或酶提供適宜的反應(yīng)環(huán)境以達到反應(yīng)較好進行的目的。因此，反應(yīng)器的確結(jié)構(gòu)、操作方式和條件對反應(yīng)原料的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品的質(zhì)量和成本檢測和控制對反應(yīng)的順利進行也是十分重要的。產(chǎn)物的分離純化： 用適當(dāng)?shù)姆椒ê褪侄螌⒁欢ê康哪康漠a(chǎn)物從反應(yīng)液中提取出來并加以精制以達到規(guī)定的質(zhì)量要求。生物反應(yīng)過程的分類根據(jù)所采用生物催化劑的不同特性，生物反應(yīng)過程可分為：酶催化反應(yīng)過程： 采用游離酶或固定化酶為催化劑時的反應(yīng)過程。生物體中所進行的反應(yīng)幾乎都是在酶催化下進行的。工業(yè)生產(chǎn)上也常見酶催化反應(yīng)，游離酶反應(yīng)和固定化酶反應(yīng)。微生物細胞反應(yīng)過程：采用活細胞為催化劑時的反應(yīng)過程。包括一般的微生物發(fā)酵反應(yīng)過程，也包括固定化細胞反應(yīng)過程和動植物細胞的培養(yǎng)過程。廢水生物處理過程： 它是利用微生物（往往是一群不同種類的）本身的分解和凈化能力，除去廢水中污濁物質(zhì)的過程。生物反應(yīng)工程的研究內(nèi)容：1、生物反應(yīng)動力學(xué)2、 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)動力學(xué) ：是研究生物反應(yīng)過程的速率及其影響因素，這是生物反應(yīng)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)之一。生物反應(yīng)動力學(xué)應(yīng)包括兩個層次的動力學(xué)： 一是微觀動力學(xué)，它是指沒有傳遞等工程因素影響時，生物反應(yīng)固有的速率。該速率除反應(yīng)本身的特性外，只與各反應(yīng)組分的濃度、溫度、催化劑及溶劑性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。 二是宏觀動力學(xué)，又可稱為反應(yīng)器動力學(xué)，它是指在一反應(yīng)