生物反應工程基礎1課件

1、1生 物 反 應 工 程 基 礎2第一節(jié) 生物反應工程簡介生物反應工程（Bioreactor Engineering）是一門以生物學、化學、工程學、計算機與信息技術等多學科為基礎的交叉學科。它以生物反應動力學為基礎，將傳遞過程原理、設備工程學、過程動態(tài)學及最優(yōu)化原理等化學工程學方法與生物反應過程的反應特性方面的知識相結合，進行生物反應工程分析與開發(fā)，以及生物反應器的設計、操作和控制等。生物反應工程主要研究生物反應過程中帶有共性的工程技術問題。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工程學科的形成。 20世

2、紀后期（197080年）生物反應工程學科的形成。英國學者阿特金遜（1971）首次提出生化反應工程。 20世紀90年代基因工程與生物反應工程不斷融合、發(fā)展。457生物技術產業(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 單克隆抗體生產 生物（蛋白質）藥物 農業(yè)生物技術 工業(yè)生物技術(環(huán)境生物技術)8C4C3C2C1生物質糖甲烷、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、高分子材料產品和化學品檸檬酸、山梨醇等C5C6苯、苯酚等生物加工制造技術產業(yè)的主要產品101.生物技術的第一階段從藝術

3、到科學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)酵的產品的生產開始：乙醇, 乳酸, 丙酮，.112. 生物技術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合成證明是困難的。表面培

4、養(yǎng)技術和高產菌株使得青霉素開始生產（1941-43）青霉素的價格比黃金高。12Alexander Fleming (1881-1955)143. 生物技術的第三階段三個浪潮醫(yī)藥生物技術農業(yè)生物技術工業(yè)生物技術15醫(yī)藥生物技術發(fā)展特點： 采用現(xiàn)代生物技術,借助某些微生物、植物、動物生產醫(yī)藥品。涉及的相關學科： 基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、生化工程、蛋白質工程、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。生物技術類藥物種類181983年轉基因植物問世 ,1986年被批準進入田間試驗 ,根據(jù)美國農業(yè)部動植物檢疫局 (APHIS)的數(shù)據(jù) ,1997年 1月 31日 ,美國已批準的轉基因植物田間試驗達 2500多例。轉基因植物進入市場：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”采用離子束介導法將外源基因轉入水稻成功應用細胞工程技術建立了一系列快速、高效的動植物育種新方法據(jù)預計 ,21世紀農業(yè)生產品種的90%將通過生物技術改良 ,生物技術對農業(yè)生產技術總貢獻率會高于70%農業(yè)生物技術的發(fā)展19病蟲害對棉花生產造成嚴重的影響九十年代病

6、蟲害造成棉花減產17-30%，最嚴重的地區(qū)減產50%長江和黃河流域造成的減產分別達到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：中國轉基因抗蟲棉的發(fā)展20抗CMV病毒轉基因青椒抗CMV病毒轉基因番茄21繼醫(yī)藥和農業(yè)之后，工業(yè)生物催化已經(jīng)被廣泛看作是“生物技術的第三次浪潮”。工業(yè)生物技術的發(fā)展22工業(yè)生物技術的依托24生物可再生資源綠色工藝生物加工過程生物催化劑農產品深加工，關系到三農問題（小康的關鍵）生物能源資源和能源，關系到國家戰(zhàn)略安全問題。發(fā)展生物技術是解決危機的有效途徑無污染工藝生產社會效益科技貢獻經(jīng)濟效益25化學工業(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，隨基因組學和蛋白組學的發(fā)展會更多研究的領域：精細化工（包括醫(yī)藥）、石油化工、環(huán)境工程、日用化工等學科我國生物公司 1650家投資市場 970億，其中用于R&D 90億產品 ：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，反應式如下，轉化率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、烯酰胺生產化學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產品純度 95%98%副產物、雜質及廢物 產品中有較多催化劑銅離子，基本無三廢 副產物極少（少量丙烯酸和丙烯醛） 丙烯腈轉化率 83-87%99.9%生產成本 高低反應溫度（） 70-120 20-24能耗 高低（比銅催化節(jié)約50%） 30丙烯酰胺生產化學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產品純度 95%98%副產物、雜質及廢物 產品中有較多催化劑銅離子，基本無三廢 副產物極少（少量丙烯酸和丙烯醛） 丙烯腈轉化率 83-87%99.9%生產成本 高低反應溫度（） 70-120 2

9、0-24能耗 高低（比銅催化節(jié)約50%） 31產 業(yè)產 品醫(yī)藥生物技術類藥物重組蛋白，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。基因治療、組織工程農業(yè)生物技術生物殺蟲劑、生物農藥、生物微肥工業(yè)生物技術生物材料（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（降低處理成本2050）、提升傳統(tǒng)產業(yè)（生物催化）如化工，制藥，采礦、造紙、發(fā)酵?？墒箚魏?、水耗、能耗、污染排放下降30生物技術含蓋的行業(yè)和產品生物技術的實驗室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)而成為可供工業(yè)生產的工藝過程稱為生物反應過程。典型的生物反應過程：包

10、括四個部分：原材料的預處理; 生物催化劑的制備；生化反應器及反應條件的選擇與監(jiān)控 ；產物的分離純化 生物反應工程具體內容33整個生物反應過程以生物反應器為核心，而分別把反應前與后稱為上游加工和下游加工。生物反應工程是生物反應過程的一個部分，主要圍繞生物反應器進行研究，研究生物反應過程中有關反應器設計放大等具有共性的工程技術問題，以達到在工業(yè)規(guī)模的反應器中給生物反應提供一個最佳的反應環(huán)境。原材料的預處理 ： 包括原料的選擇 ，必要的物理和化學方法加工，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，酶催化反應中酶的純化、酶的固定等。生物反應器及反應條件的選擇與監(jiān)控： 生物反

11、應器是進行生物反應的核心設備，它應為細胞或酶提供適宜的反應環(huán)境以達到反應較好進行的目的。因此，反應器的確結構、操作方式和條件對反應原料的轉化率、產品的質量和成本檢測和控制對反應的順利進行也是十分重要的。產物的分離純化： 用適當?shù)姆椒ê褪侄螌⒁欢ê康哪康漠a物從反應液中提取出來并加以精制以達到規(guī)定的質量要求。生物反應過程的分類根據(jù)所采用生物催化劑的不同特性，生物反應過程可分為：酶催化反應過程： 采用游離酶或固定化酶為催化劑時的反應過程。生物體中所進行的反應幾乎都是在酶催化下進行的。工業(yè)生產上也常見酶催化反應，游離酶反應和固定化酶反應。微生物細胞反應過程：采用活細胞為催化劑時的反應過程。包括一般的微生物發(fā)酵反應過程，也包括固定化細胞反應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的過程。生物反應工程的研究內容：1、生物反應動力學2、 生物反應器生物反應動力學 ：是研究生物反應過程的速率及其影響因素，這是生物反應工程學的理論基礎之一。生物反應動力學應包括兩個層次的動力學： 一是微觀動力學，它是指沒有傳遞等工程因素影響時，生物反應固有的速率。該速率除反應本身的特性外，只與各反應組分的濃度、溫度、催化劑及溶劑性質有關，而與傳遞因素無關。 二是宏觀動力學，又可稱為反應器動力學，它是指在一反應