生化反應(yīng)工程緒論

生化反應(yīng)工程緒論第1頁(yè)/共89頁(yè)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代

六大技術(shù)組成的高技術(shù)群支撐：

生物技術(shù)、信息技術(shù)、新材料技術(shù)、

新能源技術(shù)、海洋技術(shù)、航空航天技術(shù)。

第2頁(yè)/共89頁(yè)

生物技術(shù)是六大高新技術(shù)之首；生物技術(shù)是世界各國(guó)普遍關(guān)注和重視的熱點(diǎn)。第3頁(yè)/共89頁(yè)2005年全球生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值633.1億美元，增長(zhǎng)了15.9%，投資高達(dá)320億美元，其中美國(guó)為147億美元。都市區(qū)名稱所在州波士頓-渥斯特-勞倫斯馬薩諸塞州舊金山-奧克蘭-圣何塞加利福尼亞州圣迭戈加利福尼亞州洛麗-杜郎北卡羅來(lái)納州西雅圖-塔柯瑪-布雷默頓華盛頓州紐約-北新澤西-長(zhǎng)島紐約州、新澤西州費(fèi)城-威明頓-大西洋城賓西法尼亞州洛杉磯-河濱-佶縣加利福尼亞州華盛頓-巴爾的摩哥倫比亞特區(qū)、馬里蘭州美國(guó)9大生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群第4頁(yè)/共89頁(yè)中國(guó)政府高度重視生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2009年6月，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論并原則通過(guò)《促進(jìn)生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策》。會(huì)議認(rèn)為，必須抓住世界生物科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的機(jī)遇，將生物產(chǎn)業(yè)培育成為我國(guó)高技術(shù)領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)。以生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生物能源、生物制造和生物環(huán)保產(chǎn)業(yè)為重點(diǎn)，大力發(fā)展現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)?！洞龠M(jìn)生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策》的頒布，標(biāo)志著我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)已步入快速發(fā)展期。

第5頁(yè)/共89頁(yè)

生物技術(shù)對(duì)解決當(dāng)今社會(huì)發(fā)展面臨的許多重大問(wèn)題，如人口、糧食、能源、環(huán)境污染、人類健康等的解決具有極重要的作用。

TheBiotechnologyCentury第6頁(yè)/共89頁(yè)Biochemicalengineeringmaybelooselydefinedastheuseoflivingorganisms,orpartofthem(forexample,enzymes),fortheproductionofchemicalorbiologicalmaterialsorthedevelopmentofnewprocesses.第7頁(yè)/共89頁(yè)化學(xué)

生物

生物化學(xué)反應(yīng)工程生物化學(xué)工程

化學(xué)工程生物工程生物化學(xué)反應(yīng)工程基因工程現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化第8頁(yè)/共89頁(yè)ABriefHistoryofBiochemicalengineering

經(jīng)驗(yàn)生化工程時(shí)期（人類出現(xiàn)到19世紀(jì)中期）近代生化工程建立時(shí)期（19世紀(jì)50年代到20世紀(jì)40年代）近代生化工程全盛時(shí)期（20世紀(jì)40年代到20世紀(jì)70年代末）現(xiàn)代生化工程建立和發(fā)展時(shí)期（從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始）第9頁(yè)/共89頁(yè)

公元前4000～3000年：

酒、醋（vinegar=vin+nargre）釀造（埃及人）公元前2000年：葡萄酒釀造（希伯來(lái)人）公元前6000～5000年：中國(guó)開(kāi)始釀酒公元前25世紀(jì)：黃帝與岐伯談?wù)擋废拇簝x狄釀酒公元前14世紀(jì)：若作酒醴，爾唯曲蘗（詩(shī)經(jīng)）

第10頁(yè)/共89頁(yè)遠(yuǎn)古人類發(fā)現(xiàn)，吃剩的米粥數(shù)日后變成了醇香可口的飲料—人類最早發(fā)明的酒豐富多彩的酒文化(微生物)發(fā)酵第11頁(yè)/共89頁(yè)我國(guó)古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫(huà)像）第12頁(yè)/共89頁(yè)↑公元前2300年左右，埃及人釀制啤酒的場(chǎng)面（某金字塔壁畫(huà)）豐富多彩的酒文化第13頁(yè)/共89頁(yè)

16世紀(jì)發(fā)明顯微鏡。1897年Buchner提出酶理論，對(duì)發(fā)酵機(jī)制開(kāi)始認(rèn)識(shí)。發(fā)酵：★

有機(jī)化合物能同時(shí)作為電子供體和最終電子受體并產(chǎn)生能量的過(guò)程。

（生物化學(xué)）

★微生物在無(wú)外源電子受體時(shí)，通過(guò)部分氧化有機(jī)化合物而獲得產(chǎn)物并釋放少量能量的過(guò)程。（微生物學(xué)）

★

任何通過(guò)大規(guī)模培養(yǎng)微生物來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)品的過(guò)程第14頁(yè)/共89頁(yè)生化工程的幾個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)

第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：非食品工業(yè)(酒精發(fā)酵)

甘油發(fā)酵：第一次世界大戰(zhàn)，德國(guó)，酵母發(fā)酵生產(chǎn)甘油。當(dāng)時(shí)每月生產(chǎn)

1000T。目前，美國(guó)仍采用耐高滲酵母大規(guī)模生產(chǎn)甘油。第15頁(yè)/共89頁(yè)酵母菌的三型發(fā)酵：酵母的第一型發(fā)酵(酵母菌的乙醇發(fā)酵)

乙醇發(fā)酵過(guò)程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。乙醇脫氫酶第16頁(yè)/共89頁(yè)★當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會(huì)改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時(shí)也由磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2第17頁(yè)/共89頁(yè)酵母菌的第二型發(fā)酵加入亞硫酸氫鈉，與乙醛起加成作用生成難溶的乙醛亞硫酸氫鈉加成物

第18頁(yè)/共89頁(yè)酵母菌的第三型發(fā)酵

當(dāng)酵母在堿性條件(pH7.6)進(jìn)行發(fā)酵，二個(gè)分子乙醛起歧化反應(yīng)，相互氧化還原，生成等量的乙醇和乙酸第19頁(yè)/共89頁(yè)第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：

青霉素→抗菌素發(fā)酵工業(yè)

奠定了微生物發(fā)酵規(guī)?；幕A(chǔ)液體深層培養(yǎng)需解決的兩個(gè)問(wèn)題：

供氧：高效通氣攪拌供氧問(wèn)題，無(wú)菌空氣過(guò)濾技術(shù)

純種培養(yǎng)：大型發(fā)酵罐培養(yǎng)基滅菌技術(shù)，發(fā)酵罐防雜菌污染技術(shù)等

目前，大型化、高效、自動(dòng)化、多樣化?；静僮髂Ｊ?jīng)]有變第20頁(yè)/共89頁(yè)第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：切斷支路代謝轉(zhuǎn)折點(diǎn)，酶活力調(diào)控，酶合成調(diào)控（反饋控制與反饋?zhàn)瓒簦獬w自身的反饋調(diào)節(jié)，特殊調(diào)節(jié)控制的利用，突變株的應(yīng)用，前體、終產(chǎn)物、副產(chǎn)物等。

氨基酸發(fā)酵工業(yè)（Glu、Lys）。核酸發(fā)酵工業(yè)（肌苷、鳥(niǎo)苷）通過(guò)代謝調(diào)節(jié)的改變，有目的和最合理的地控制細(xì)胞內(nèi)的一系列生化反應(yīng)過(guò)程。第21頁(yè)/共89頁(yè)發(fā)酵的人工控制目的

最大限度的積累對(duì)人類有用的代謝產(chǎn)物措施

改變微生物細(xì)胞膜的通透性改變微生物的遺傳特性（誘變、重組等）控制發(fā)酵條件（如溫度、pH、O2等）發(fā)酵概念通過(guò)微生物的培養(yǎng)，大量生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物的過(guò)程種類1、固體發(fā)酵和液體發(fā)酵2、抗生素發(fā)酵、維生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵等3、需氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵第22頁(yè)/共89頁(yè)代謝的人工控制——

改變膜的透性

改變細(xì)胞膜的透性，使谷氨酸迅速排放到細(xì)胞外面，解除谷氨酸的抑制作用。抑制葡萄糖中間產(chǎn)物α-酮戊二酸谷氨酸谷氨酸脫氫酶NH4+谷氨酸棒狀桿菌合成谷氨酸的途徑第23頁(yè)/共89頁(yè)抑制黃色短桿菌合成賴氨酸的途徑天冬氨酸中間產(chǎn)物Ⅰ中間產(chǎn)物Ⅱ高絲氨酸甲硫氨酸蘇氨酸賴氨酸天冬氨酸激酶高絲氨酸脫氫酶+利用誘變育種等方法，選育不能合成高絲氨酸脫氫酶的菌種用于生產(chǎn).代謝的人工控制——改變遺傳特性第24頁(yè)/共89頁(yè)O2：如：酵母菌在有氧條件下大量繁殖，在無(wú)氧條件下才大量產(chǎn)生酒精。又如：谷氨酸棒狀桿菌在溶氧不足時(shí)，生成的產(chǎn)物是乳酸或是琥珀酸。C：N

如在谷氨酸發(fā)酵過(guò)程中，當(dāng)培養(yǎng)基中C：

N=4：1時(shí)，菌體大量繁殖而產(chǎn)生谷氨酸少；當(dāng)C：N=3：1時(shí)，菌體繁殖受抑制而合成谷氨酸多代謝的人工控制——改變發(fā)酵條件第25頁(yè)/共89頁(yè)

近代轉(zhuǎn)折點(diǎn)：

基因、動(dòng)物、海洋。★增加微生物控制代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的基因★拷貝數(shù)，提高產(chǎn)量；★構(gòu)建基因工程菌株；★轉(zhuǎn)基因動(dòng)、植物；★海洋微生物技術(shù)。海洋：復(fù)雜的生態(tài)大系統(tǒng)、環(huán)境條件復(fù)雜多變、孕育了約陸地微生物20倍以上的海洋微生物物種第26頁(yè)/共89頁(yè)組合生物合成：根據(jù)微生物的多樣性和次級(jí)代謝產(chǎn)物的多樣性，以及天然資源中獲得的有意義基因，通過(guò)重組、組合或互補(bǔ)形成高水平或新結(jié)構(gòu)化合物的多酶體系來(lái)生產(chǎn)人類需要的物質(zhì)。第27頁(yè)/共89頁(yè)

TraditionalBiochemicalengineering

Modern第28頁(yè)/共89頁(yè)

目前能廣泛接受的----國(guó)際合作及發(fā)展組織的定義

生物技術(shù)是應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠微生物、動(dòng)物、植物體作為反應(yīng)器將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品來(lái)為社會(huì)服務(wù)的技術(shù)。

從這個(gè)定義中，可歸納出生物技術(shù)三個(gè)特點(diǎn)：

1）生物技術(shù)的多學(xué)科性和綜合性

2）微生物、動(dòng)植物體或酶作為催化劑，有別于化學(xué)催化劑

3）最終目的將生物反應(yīng)開(kāi)發(fā)成為工業(yè)生產(chǎn)的工藝過(guò)程，即生物反應(yīng)過(guò)程（Bioprocess）?，F(xiàn)代生物技術(shù)第29頁(yè)/共89頁(yè)2、現(xiàn)代生物技術(shù)的產(chǎn)生

（1953）Watson和Crick----發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

---奠定了現(xiàn)代分子生物學(xué)的基礎(chǔ)

（1973）Boyer和Cohen---發(fā)明了DNA目的基因重組技術(shù)

---DNA重組技術(shù)在很大程度上得益于分子生物學(xué)、微生物遺傳學(xué)和核酸酶學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展反過(guò)來(lái)DNA重組技術(shù)的逐步成熟和發(fā)展—

---對(duì)生命科學(xué)的許多領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響

---成為20世紀(jì)以來(lái)發(fā)展最快的學(xué)科之一

---而受DNA重組技術(shù)影響最為深刻的是生物技術(shù)，

---完成了從傳統(tǒng)生物技術(shù)向現(xiàn)代生物技術(shù)的飛躍

現(xiàn)代生物技術(shù)是隨著DNA重組技術(shù)的發(fā)展而提出來(lái)第30頁(yè)/共89頁(yè)3.對(duì)現(xiàn)代生物技術(shù)的理解

現(xiàn)代生物技術(shù)-----是如何利用DNA重組技術(shù)

-----把它作為有效手段

-----并非DNA重組技術(shù)就是現(xiàn)代生物技術(shù)僅僅有DNA重組技術(shù)實(shí)現(xiàn)不了生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化

4.現(xiàn)代生物技術(shù)的內(nèi)涵

根據(jù)當(dāng)前生物技術(shù)的發(fā)展，給現(xiàn)代生物技術(shù)下一個(gè)定義：

第31頁(yè)/共89頁(yè)

現(xiàn)代生化工程（生物技術(shù)）：以DNA重組為主要手段，依靠清潔、經(jīng)濟(jì)的生物反應(yīng)器（bioreactor）,利用可再生性資源（renewableresource）加工人類所需產(chǎn)品的具有可持續(xù)發(fā)展（sustainabledevelopment）特性的技術(shù)。第32頁(yè)/共89頁(yè)幾個(gè)概念之間的異同：

國(guó)外，生物工程（bioengineering）一般指醫(yī)學(xué)工程（medicalengineering）、農(nóng)業(yè)工程（agriculturalengineering）、環(huán)境工程（environmentalengineering）、衛(wèi)生工程（sanitaryengineering）、人體功能工程（bodyfunctionengineering）等的總稱，特點(diǎn)是不涉及化學(xué)催化反應(yīng)（chemocatalyticreaction）過(guò)程，而僅僅是生物過(guò)程（biologicalprocess）與物理過(guò)程（physicalprocess）的結(jié)合。生物技術(shù)（biotechnology，又名生物工藝學(xué)）則涉及的是生物催化反應(yīng)（biocatalyticreaction）過(guò)程。國(guó)外已經(jīng)將生物技術(shù)與生物工程區(qū)分開(kāi)。第33頁(yè)/共89頁(yè)

國(guó)內(nèi)，一般生物工程理解為一個(gè)廣義的概念。因?yàn)楣こ淌侵父鶕?jù)科學(xué)原理和有關(guān)技術(shù)，組合出高效、合理的具有一定結(jié)構(gòu)的技術(shù)系統(tǒng)（technologicalsystem）；而技術(shù)（technique）泛指根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)原理發(fā)展而成各種工藝操作方法和技能。第34頁(yè)/共89頁(yè)生物技術(shù)的多學(xué)科性示意圖第35頁(yè)/共89頁(yè)第36頁(yè)/共89頁(yè)1、產(chǎn)業(yè)化（Industrialization）--技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)化過(guò)程

---目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量---市場(chǎng)需求---可商業(yè)化程度2、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化---當(dāng)今生物高技術(shù)研究成果的必然

---生物技術(shù)具有顯示強(qiáng)大生命力體現(xiàn)

---涉及領(lǐng)域極其廣泛（太空、海洋）3、生化工程重點(diǎn)研究生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中瓶頸問(wèn)題

---保證生物加工工藝設(shè)備條件，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量

---技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀念貫穿于生化工程研究始末，降低成本生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化與生物化學(xué)工程第37頁(yè)/共89頁(yè)生物化學(xué)工程與生物技術(shù)上中下游關(guān)系1、生物技術(shù)的上、中、下游過(guò)程生物反應(yīng)器---作為生物反應(yīng)過(guò)程的中心即中游加工

---反應(yīng)前與后的工序稱為上游加工和下游加工l

上游加工----最重要的是提供和制備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和足夠數(shù)量的生物催化劑即應(yīng)用常規(guī)選育、基因工程、細(xì)胞工程和酶工程手段獲得優(yōu)良菌株、細(xì)胞系或固定化的菌體等第38頁(yè)/共89頁(yè)FERMENTATIONProcessControlBiotechnology上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES生物技術(shù)組成

從廣義上講，由三部分組成：

上游工程、中游工程、下游工程第39頁(yè)/共89頁(yè)UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程Biotechnology第40頁(yè)/共89頁(yè)DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程

Theratioofrecoverytofermentationcostsfor

L-asparaginase:3.0ethanol:0.16Biotechnology第41頁(yè)/共89頁(yè)菌種篩選搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)第42頁(yè)/共89頁(yè)l

下游加工-----從反應(yīng)液中提取目的產(chǎn)物加工精制成合格產(chǎn)品l

中游加工-------生物反應(yīng)器為中心生物化學(xué)工程------包括中、下游兩部分

第43頁(yè)/共89頁(yè)生物化學(xué)工程學(xué)科----研究生物反應(yīng)過(guò)程中共性工程技術(shù)問(wèn)題----為生物工程服務(wù)的化學(xué)工程----它既可視為化學(xué)工程的一個(gè)分支----又可認(rèn)為是生物工程的一個(gè)組成部分----生化工程為生物學(xué)和化學(xué)工程的紐帶第44頁(yè)/共89頁(yè)1、基本概念科學(xué)---探討是什么？發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、認(rèn)識(shí)自然技術(shù)---解決如何做？工程---根據(jù)科學(xué)原理和有關(guān)技術(shù)，組合出高效、合理的一定結(jié)構(gòu)的技術(shù)系統(tǒng)工程概念理解與生物化學(xué)工程第45頁(yè)/共89頁(yè)2、工程學(xué)家的角色科學(xué)--粘合劑技術(shù)---各種材料工程學(xué)家象藝術(shù)家一樣

------如何利用好它們雕塑成一副工藝品工程學(xué)家也類似于音樂(lè)家一樣

------把七個(gè)音符組合出優(yōu)美的樂(lè)曲

第46頁(yè)/共89頁(yè)工藝品或樂(lè)曲---必須具有市場(chǎng)

---產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值

---要有經(jīng)濟(jì)學(xué)家的頭腦要把科學(xué)原理、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合考慮

----也有哲學(xué)家的思維

工程學(xué)家---組合藝術(shù)第47頁(yè)/共89頁(yè)

總之，工程學(xué)家

-----即要具有藝術(shù)家的眼光

-----又要有哲學(xué)家的思維

-----還要有經(jīng)濟(jì)學(xué)家的頭腦

-----同時(shí)具有科學(xué)家的知識(shí)說(shuō)明工程學(xué)家---重要不容易第48頁(yè)/共89頁(yè)3、科學(xué)與工程發(fā)展歷程科學(xué)最早由哲學(xué)家提出

---進(jìn)行研究---得出規(guī)律---成為科學(xué)。而工程學(xué)是慢慢的發(fā)展而來(lái)的

第49頁(yè)/共89頁(yè)4、自然科學(xué)家與工程科學(xué)家的比較科學(xué)家按學(xué)科分類，根據(jù)結(jié)果分析、嚴(yán)格理論推導(dǎo)

---分解的觀點(diǎn)工程師面對(duì)實(shí)際問(wèn)題的綜合性的、多學(xué)科

---靠工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，半理論、半經(jīng)驗(yàn)性的

---系統(tǒng)性、整體性的觀點(diǎn)第50頁(yè)/共89頁(yè)生命現(xiàn)象的本質(zhì)？

生命活動(dòng)的規(guī)律？19世紀(jì)：細(xì)胞是生命的基本單位細(xì)胞學(xué)說(shuō)：細(xì)胞是動(dòng)植物結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，一切生命現(xiàn)象都是以細(xì)胞為基礎(chǔ)表達(dá)的生命本質(zhì)理解與生物化學(xué)工程第51頁(yè)/共89頁(yè)遺傳密碼蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄線性多肽鏈

（無(wú)功能活性）翻譯生命活動(dòng)的分子基礎(chǔ)以核酸和蛋白質(zhì)為中心的生物大分子是生命現(xiàn)象的共同物質(zhì)基礎(chǔ)，細(xì)胞和有機(jī)體所有生命活動(dòng)都是以這些生物大分子及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)構(gòu)與功能分子生物學(xué)：21世紀(jì)生物學(xué)的主流第52頁(yè)/共89頁(yè)生命是什么？無(wú)序與有序問(wèn)題

在自然科學(xué)中，生命科學(xué)----非生命科學(xué)一直存在一條鴻溝非生命過(guò)程-------按照克勞修斯熱力學(xué)第二定律

---認(rèn)為自然界中一切自發(fā)過(guò)程都是熵增大的過(guò)程，

----而熵的增大意味著混亂度的升高。生命過(guò)程----整個(gè)自然界永遠(yuǎn)只能從有序走向無(wú)序，

---這就完全排除了從無(wú)序走向有序的可能性。

---存在著從無(wú)序向有序、從低級(jí)向高級(jí)發(fā)展的過(guò)程

---是一個(gè)熵減少的過(guò)程這就激勵(lì)許多理論物理學(xué)家研究生命現(xiàn)象第53頁(yè)/共89頁(yè)

如40年代理論物理學(xué)家薛定鄂-----《生命是什么》--指出生命過(guò)程是熵減少，是負(fù)熵。

68年比利時(shí)普里高津--從非平衡熱力學(xué)理論出發(fā)

--提出耗散結(jié)構(gòu)理論

--嚴(yán)格證明了遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的開(kāi)放系統(tǒng)中

--過(guò)程的復(fù)雜性特征可自然產(chǎn)生穩(wěn)定的自組織行為

--從無(wú)序演化出時(shí)空上的有序結(jié)構(gòu)負(fù)熵概念和耗散結(jié)構(gòu)理論

--讓人們加深對(duì)生命科學(xué)有序性的理解

第54頁(yè)/共89頁(yè)時(shí)間可逆與不可逆問(wèn)題---非線性問(wèn)題

牛頓力學(xué)的“決定論”和嚴(yán)格的“因果關(guān)系”

-----影響到自然科學(xué)的全部思維方式

-----解決了自然科學(xué)許多重大課題

-----又發(fā)展了量子論和相對(duì)論--引向微觀世界和整個(gè)宇宙。

而牛頓力學(xué)、量子論和相對(duì)論的時(shí)間卻是可逆的在生命科學(xué)中-----時(shí)間不可逆

-----一切生物從出生到死亡是不可逆的

-----也就是說(shuō)時(shí)間是不可逆的，是單方向的為什么？

-----主要是由于生命科學(xué)極其復(fù)雜的----非線性過(guò)程

-----非線性是生命科學(xué)中帶有根本性的、普遍性的問(wèn)題，是生物系統(tǒng)所固有的動(dòng)態(tài)屬性非線性--已經(jīng)成為當(dāng)今自然科學(xué)基礎(chǔ)理論研究的重大課題第55頁(yè)/共89頁(yè)生命的本質(zhì)問(wèn)題

因此，生命科學(xué)的基本特征

-----是生命過(guò)程的有序性和非線性

-----是整個(gè)生物界之所以能在這錯(cuò)綜紛繁的世界中不斷生衍繁殖、不斷進(jìn)化發(fā)展的根本因素

---也是沖擊其他自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)不斷更新發(fā)展的動(dòng)力。生物學(xué)是一門最廣、最古老，但也是年輕的學(xué)科，

----古老---仍是生與死的問(wèn)題

----年輕---是典型的非線性問(wèn)題第56頁(yè)/共89頁(yè)生命本質(zhì)——活體

工程——裝置

生物學(xué)——工程學(xué)

第57頁(yè)/共89頁(yè)生物催化反應(yīng)過(guò)程：

微生物培養(yǎng)、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)、污水的生化處理、生物技術(shù)提取天然產(chǎn)物等均為生物反應(yīng)過(guò)程（生化工程）。分類：生物催化劑是酶：酶反應(yīng)過(guò)程生物催化劑是生物細(xì)胞：發(fā)酵過(guò)程第58頁(yè)/共89頁(yè)生物反應(yīng)過(guò)程由四個(gè)部分組成：原材料的預(yù)處理及培養(yǎng)基的制備生物催化劑的制備生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇產(chǎn)品的分離純化第59頁(yè)/共89頁(yè)生物反應(yīng)過(guò)程（bioprocess）的特點(diǎn)：第60頁(yè)/共89頁(yè)生物反應(yīng)過(guò)程的特點(diǎn)：

生產(chǎn)過(guò)程通常在常溫下進(jìn)行，操作條件溫和，不需要考慮防爆問(wèn)題，一種設(shè)備具有多種用途。原料以碳水化合物為主，不含有毒物質(zhì)。生產(chǎn)反應(yīng)過(guò)程是以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行的，多個(gè)反應(yīng)像一個(gè)反應(yīng)一樣，可在單一設(shè)備中進(jìn)行；

易于進(jìn)行復(fù)雜的高分子化合物的生產(chǎn)，如酶、光學(xué)活性體等第61頁(yè)/共89頁(yè)

能高度選擇性地進(jìn)行復(fù)雜化合物在特定部位的反應(yīng)，如氧化、還原、官能團(tuán)導(dǎo)入等；

生產(chǎn)產(chǎn)品的生物體本身也是產(chǎn)物，富含維生素、蛋白質(zhì)、酶等；除特殊情況外，培養(yǎng)液一般不會(huì)對(duì)人和動(dòng)物造成危害；

生產(chǎn)過(guò)程中需要注意防止雜菌污染，尤其是噬菌體的侵入，以免造成很大的危害。

通過(guò)改良生物體生產(chǎn)性能，可在不增加設(shè)備投資的條件下，利用原有的生產(chǎn)設(shè)備使生產(chǎn)能力飛躍上升。第62頁(yè)/共89頁(yè)

生物過(guò)程工程（bioprocessengineering）基本概念盡管生物過(guò)程所生產(chǎn)的產(chǎn)品性質(zhì)（productcharacteristics）、加工方法（processingmethod）、工藝流程（technologicalflow）以及設(shè)備型式（equipmenttype）等完全不同，甚至差異很大。但卻有共同點(diǎn)，即從原料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，均包括一系列生物反應(yīng)過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和物理操作過(guò)程，按照不同方式串聯(lián)或并聯(lián)而成。生物反應(yīng)過(guò)程是具有決定意義的一步。是生物生產(chǎn)過(guò)程的核心，其他過(guò)程是為生物反應(yīng)過(guò)程服務(wù)的。第63頁(yè)/共89頁(yè)工程理念：

工程學(xué)：研究工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)規(guī)律性的科學(xué)，實(shí)際上是探索如何有效地在合理的生產(chǎn)設(shè)備將原料轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)產(chǎn)品的科學(xué)。據(jù)此，對(duì)待任何工程問(wèn)題，均需有以下四種工程理念（engineeringthought）：理論上的正確性（validtheory）技術(shù)上的可行性（technicalfeasibility）操作上的安全性（safetyoperation）經(jīng)濟(jì)上的合理性（economicalrationality）（核心）第64頁(yè)/共89頁(yè)生物反應(yīng)過(guò)程應(yīng)關(guān)注的普遍性問(wèn)題：目的產(chǎn)物中心觀點(diǎn)能量最小的觀點(diǎn)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)矛盾的觀點(diǎn)第65頁(yè)/共89頁(yè)目的產(chǎn)物中心的觀點(diǎn)

為提高產(chǎn)物對(duì)原料的轉(zhuǎn)化率（transformationrate），要求關(guān)注生物反應(yīng)代謝過(guò)程和培養(yǎng)產(chǎn)物分離純化兩個(gè)方面。對(duì)于前者，要促進(jìn)細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；減少與目的產(chǎn)物形成無(wú)關(guān)的代謝支流，使各個(gè)分支的物質(zhì)相對(duì)集中流向目的產(chǎn)物；消除目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑。在設(shè)計(jì)育種（breeding）和生物反應(yīng)工藝控制中要建立該工程理念。對(duì)于后者的單元操作，應(yīng)根據(jù)質(zhì)量守恒定律（lawofmassconservation）對(duì)目的產(chǎn)物進(jìn)行物料衡算。以此去分析和解決單元操作集成問(wèn)題。即：

輸入的產(chǎn)物量＝輸出的產(chǎn)物量－目的產(chǎn)物損失第66頁(yè)/共89頁(yè)能量最小的觀點(diǎn)

在細(xì)胞代謝（cellmetabolism）和生產(chǎn)過(guò)程中均消耗一定能量，并以不同形式提供。對(duì)于細(xì)胞代謝，生物能（biologicalenergy）是細(xì)胞獨(dú)立自主生活的基礎(chǔ)，每個(gè)細(xì)胞都有能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，此亦是生物技術(shù)工業(yè)具有生物學(xué)屬性的重要體現(xiàn)。在控制細(xì)胞代謝中，可通過(guò)減少支流途徑（by-passpath）的能量和增加目的產(chǎn)物主流途徑的生物能支持。提高能量利用率。對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程，可根據(jù)能量守恒定律（lawofenergyconservation）和能量系統(tǒng)集成（integratedenergysystem）技術(shù)進(jìn)行衡算，減少生產(chǎn)過(guò)程中的能量消耗。第67頁(yè)/共89頁(yè)細(xì)胞經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)矛盾的觀點(diǎn)生物進(jìn)化（biologicalevolution），細(xì)胞形成了越來(lái)越完善的代謝調(diào)節(jié)（metabolicregulation）機(jī)制，使細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的代謝反應(yīng)高度有序進(jìn)行。故，細(xì)胞平衡生長(zhǎng)不會(huì)有代謝產(chǎn)物（metabolites）積累?！?xì)胞經(jīng)濟(jì)（celleconomy）。細(xì)胞過(guò)量生產(chǎn)目的產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞來(lái)講不經(jīng)濟(jì)。要獲得細(xì)胞代謝產(chǎn)物的過(guò)量生產(chǎn)，一是要改變細(xì)胞基因型而改變代謝途徑；另一種方法是通過(guò)改變培養(yǎng)條件改變控制代謝。過(guò)量表達(dá)代謝產(chǎn)物的細(xì)胞是“病態(tài)”細(xì)胞。工業(yè)上利用“病態(tài)”細(xì)胞的不經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)對(duì)人類經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。第68頁(yè)/共89頁(yè)生化工程中涉及到的工程學(xué)基本概念：恒算概念速率概念最優(yōu)化概念技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念上游生物技術(shù)工程化概念細(xì)胞代謝和培養(yǎng)工藝過(guò)程一體化概念第69頁(yè)/共89頁(yè)衡算概念

通過(guò)質(zhì)量衡算、熱量衡算、動(dòng)量衡算達(dá)到物料和能量有效集成。物料集成是按照質(zhì)量守恒定律進(jìn)行物料衡算，運(yùn)用此概念分析和解決工程問(wèn)題；根據(jù)能量守恒定律進(jìn)行工程過(guò)程的系統(tǒng)能量衡算，達(dá)到能量最大利用，是工程能量問(wèn)題的基本方法。質(zhì)量、熱量和動(dòng)量衡算概念是保證技術(shù)上可行性和經(jīng)濟(jì)上合理性的重要工程措施和環(huán)節(jié)。第70頁(yè)/共89頁(yè)速率概念

速率問(wèn)題是理論上正確性和技術(shù)上可行性的一個(gè)重要衡量標(biāo)志和判斷標(biāo)準(zhǔn)，也是技術(shù)先進(jìn)性的反映，更是生物反應(yīng)工藝、工程探索結(jié)果的表現(xiàn)。一般來(lái)講，過(guò)程速率與過(guò)程推動(dòng)力（drivingforce）成正比，與過(guò)程阻力成反比。即：過(guò)程速率＝f（過(guò)程推動(dòng)率/過(guò)程阻力）第71頁(yè)/共89頁(yè)最優(yōu)化概念生物技術(shù)反應(yīng)過(guò)程優(yōu)化中，目前主要采用基于動(dòng)力學(xué)（kinetics）的最佳工藝控制點(diǎn)為依據(jù)的靜態(tài)（staticstate）操作方法，是化學(xué)工程宏觀動(dòng)力學(xué)概念在發(fā)酵工程（fermentationtechnology）上的延伸。現(xiàn)在，以細(xì)胞代謝流分析與控制為核心的生物反應(yīng)最優(yōu)化觀點(diǎn)正日益受到重視。生物反應(yīng)過(guò)程中的基因、細(xì)胞、工程三個(gè)水平上進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化。從單元操作到系統(tǒng)工程，從宏觀經(jīng)驗(yàn)描述到微觀的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，對(duì)于過(guò)程工藝優(yōu)化具有重要意義。第72頁(yè)/共89頁(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念始終貫穿于生物技術(shù)產(chǎn)品的整個(gè)開(kāi)發(fā)中，對(duì)于不同階段，均應(yīng)有技術(shù)評(píng)價(jià)（estimatesoftechnicaleconomics）。特別在小試（small-scaleproduction）階段，往往不容忽視?？梢酝ㄟ^(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析判斷科學(xué)自由探索中的潛在應(yīng)用價(jià)值，以便進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。在中試（pilot-scaleproduction）和示范工程建設(shè)（demonstratingengineeringconstruction）中，更不能離開(kāi)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的參與。只有經(jīng)過(guò)反復(fù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。才能確保所開(kāi)發(fā)的生物技術(shù)方案的科學(xué)性和合理性。第73頁(yè)/共89頁(yè)上游生物技術(shù)工程化的概念隨著基因重組（generecombination）技術(shù)、蛋白修飾（proteinmodification）技術(shù)，細(xì)胞融合（cellconjugation）技術(shù)和固定化（immobilization）技術(shù)的逐步成熟，上游生物技術(shù)（up-streambioprocessing）已經(jīng)進(jìn)入工程化階段。特征是可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)改進(jìn)天然的或構(gòu)建新的生化物質(zhì)或體系（核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體及多糖復(fù)合物等）以及新的代謝步驟與途徑，并對(duì)他們?cè)谏矬w內(nèi)外的作用加以研究與應(yīng)用。第74頁(yè)/共89頁(yè)細(xì)胞代謝與培養(yǎng)工藝過(guò)程一體化的概念生物反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)物實(shí)質(zhì)上是細(xì)胞代謝產(chǎn)物，胞內(nèi)基因水平（intracellulargenelevel）的信息流決定了細(xì)胞代謝流分布的空間與時(shí)間的基本特征，而生物反應(yīng)器只是在環(huán)境條件和過(guò)程傳遞特征上，從物料和能量供應(yīng)上對(duì)這一代謝流產(chǎn)生影響。當(dāng)前生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的特點(diǎn)是必須將細(xì)胞代謝過(guò)程（微觀分子細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)）與培養(yǎng)工藝過(guò)程（宏觀工程水平的傳遞特性）進(jìn)行深度結(jié)合；由宏觀推向微觀，強(qiáng)調(diào)在對(duì)細(xì)胞代謝深入發(fā)展的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，以多尺度的工程學(xué)觀點(diǎn)研究過(guò)程特性。第75頁(yè)/共89頁(yè)生化反應(yīng)過(guò)程的目的：

利用生物體或細(xì)胞或其部分，特別是微生物細(xì)胞本身的代謝（發(fā)酵）能力獲得相應(yīng)產(chǎn)物（品）（發(fā)酵產(chǎn)品）。第76頁(yè)/共89頁(yè)微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞，酶，藥物活性物質(zhì)，

特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑第77頁(yè)/共89頁(yè)

定義：以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，包括單細(xì)胞的酵母和藻類、擔(dān)子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。

特點(diǎn)：細(xì)胞的生長(zhǎng)與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長(zhǎng)速