第八章 生命科学成为技术创新的源泉课件.ppt

第八章 生命科学成为技术创新的源泉,第一节 生物技术 21世纪的高新科技与支柱产业第二节 生物材料第三节 仿生学第四节 生物传感器第五节 生物能源第六节 海洋生物工程第七节 发酵工程,第一节 生物技术 21世纪的高新科技与支柱产业,生物技术：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。,生物技术发展历程,DNA双螺旋模型的建立,分子生物学时代的来临,DNA重组技术克隆技术工程菌Genetech公司,第二节 生物材料,在分析天然生物材料的组装、生物功能及形成机制的基础上，发展新型医用材料及仿生高性能工程材料,一、天然生物材料,二、生物医用材料,生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。,指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。 根据用途主要分为:承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等填充功能。如整容手术用填充体等,1. 生物功能性,指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。 根据材料与生物体接触部位分为：血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性,2. 生物相容性,生物体对生物材料的响应宿主反应,A: 血液反应 1、血小板血栓； 2、凝血系统激活； 3、纤溶系统激活； 4、溶血反应； 5、白细胞反应； 6、细胞因子反应； 7、蛋白粘附；,B: 免疫反应 1、补体激活； 2、体液免疫反应（抗原抗体反应）； 3、细胞免疫反应。,C: 组织反应 1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖（异常分化） 4、形成蘘膜 5、细胞质的转变,（1）生物学反应,（2）生物体对生物反应的变化,1.急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等2. 慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等3. 急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等4. 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等,3. 材料在生物体内的响应材料反应,金属腐蚀聚合物降解磨损,生物机体作用于生物材料材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面：,（1）金属腐蚀,生物体内的腐蚀性环境：1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐蚀。,对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢中溶出的Cr6 生物组织的毒性。,（2） 聚合物降解,聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。,聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用。 例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。,（3） 磨损,人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年。 目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。,（1） 生物材料的一般性能要求,1）生物相容性 生物相容性主要包括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。,4、生物材料的应用及发展,2）力学性能 材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。,3）耐生物老化性能 材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。4）成形加工性能 容易成形和加工，价格适中。,较优秀的生物医用金属材料有，医 用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。,（2） 生物医用金属材料,A 医用不锈钢 具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。 常用钢种有US304、316、316 L、317、317L等。 医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。 医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。,B 钴基合金 钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛大的长期植入件。 在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。,C 医用钛和钛合金 不仅具有良好的力学性能，而且在生理环境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，弹性模量较其他金属更接近天然骨，故广泛应用于制造各种髋、膝、肘、肩等人造关节。此外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。 图是镍钛形状记忆合金血管支架,Ti-Ni记忆合金血管支架,（3） 生物医用高分子,按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官的部分要求，因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。,软组织材料：故主要用作为软组织材料，特别 是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。 硬组织材料：丙烯酸高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。 降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手术缝线。,（4）生物医用无机非金属材料,生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。 按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为: (1)近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃； (2)表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷； (3)可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。,生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。 与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。,医用碳素材料：具有接近于自然骨的弹性模量。 医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。 医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中使用。 医用碳材料已大量用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合物的涂层材料。,（5）生物医用复合材料,生物医用复合材料是由二种或二种以上不同材料复合而成的。 按基材分为：高分子基、陶瓷基、金属基等生物医用复合材料。 按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填生物医用复合材料。 按材料植入体内后引起的组织与材料反应分为：生物惰性、生物活性和可吸收性生物医用复合材料。 右为具有活性涂层的钛合金人工齿示意图,Fig. Schematic diagram of the screw-shaped artificial tooth.,锯-草,你知道草和锯有什么联系呢?,第三节 仿生学,开启新技术的钥匙,利用自然物进行了模仿设计,像这种设计称为仿生设计。,刚才的锯模仿草身上的什么特征呢?,鱼尾 船橹人眼晶状体 透镜生物电 电池鸟 飞机,生活中的仿生学,仿生学(Bionics) 模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学,一、仿生学的概念,前言,二.仿生学研究,仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括生理学、神经学、医学、化学、数学、电子学、信息学等学科。,仿生学的相关领域,前言,生物体,生物模型,数学模型,技术模型,技术装置,仿生学的研究方法,数学,生物,电烙铁,前言,仿生学符号,.青蛙与电子蛙眼.水母与电子耳,信息仿生,信息仿生,青蛙与电子蛙眼,神经节细胞有4种：“边缘侦察器”“昆虫侦察器”、“事件侦察器”、“光强减弱感受器”,青蛙的视觉系统,信息仿生,青蛙与电子蛙眼,由透镜（晶状体）在视网膜上形成光学图像后，经过视细胞、双极细胞、输出细胞（神经节细胞）而送往大脑中枢,青蛙的视觉系统,信息仿生,“水母耳”风暴预测仪,水母耳与电子耳,.蛇的红外探测.蝙蝠与超声波.蛾的反雷达技术.动物的天然导航,控制仿生,控制仿生,蛇,田鼠,热血动物身体向外散热,蛇通过感受器探测到热源,蛇的红外探测,控制仿生,颊窝,颊窝是一个红外感受器，对周围温度变化极为敏感，能感受0.001的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置,蛇的红外探测,控制仿生,飞行中的蝙蝠,超声波,声音反射波,蛾,蝙蝠的捕食,蝙蝠与超声波,控制仿生,蝙蝠的回声定位,超声信号被反射,蝙蝠与超声波,脑,控制仿生,蝙蝠与超声波,蝙蝠的声纳处理,参考波刺激,接受器,载有信息的超声波,发出的超声波,控制仿生,夜蛾的反雷达技术,反雷达技术使夜蛾死里逃生,控制仿生,夜蛾的反雷达技术,听觉系统,控制仿生,千里迁徙,万里洄游,动物的天然导航,控制仿生,动物的天然导航,一些动物利用日月星辰导航，也有些动物利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航，为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪,定义 生物界中普遍存在着拟态，现将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生,拟态仿生,拟态仿生,拟态仿生,动物的拟态与保护色,拟态仿生,拟态仿生,坦克的迷彩着装,三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果,拟态仿生,拟态仿生,坦克的迷彩着装,.生物与造船.生物与飞机.生物与建筑,力学仿生,力学仿生,生物与造船,模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号”帆船,体形的模仿,力学仿生,生物与造船,体形的模仿,力学仿生,生物与造船,体形的模仿,俄罗斯海军新型核潜艇,力学仿生,生物与造船,模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍,结构的模仿,力学仿生,生物与造船,结构的模仿,模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流,力学仿生,生物与造船,结构的模仿,潜水艇在航行时会造成巨大的湍流,海豚游泳时身边的水流很小,力学仿生,鹰击长空,啸傲云天,生物与飞机,力学仿生,生物与飞机,达芬奇设计的扑翼飞机,飞鸟与飞机,力学仿生,生物与飞机,飞鸟与飞机,飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似,力学仿生,生物与飞机,现代先进的飞机能够模仿昆虫在空中作各种花样演习,昆虫与飞机,力学仿生,生物与飞机,昆虫与飞机,昆虫翅膀的运动,昆虫飞行时翅膀的运动很复杂，其角度的变化控制比目前的飞行自动驾驶仪还好,力学仿生,生物与飞机,昆虫与飞机,飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤,力学仿生,薄壳结构,艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院,生物与建筑,东京中银舱体楼,力学仿生,生物与建筑,舱体结构,力学仿生,生物与建筑,圆顶屋,美国佛罗里达的 未来世界博物馆,.人工嗅觉.仿生物膜,化学仿生,化学仿生,狗的嗅觉过程,狗的嗅觉 狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制，将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白，当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后，被辨别出的特定的气味信号，立即被嗅觉细胞传递给大脑，大脑便知道了所闻到的是一种什么气味,人工嗅觉,化学仿生,人工嗅觉,嗅敏检测仪,采集系统,嗅敏元件,放大系统,电源,嗅敏电阻是一类以SnO2为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料,化学仿生,细胞膜的结构特点,仿生物膜,细胞膜的流动镶嵌模型：(1)脂双层形成框架；(2)蛋白质镶嵌其中；(3)具有动态特点,化学仿生,仿生物膜,人工膜,人工膜的特点 化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不同的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作，能用来研究膜的向量功能（如传递等）,机器人检修宇宙飞船,整体仿生,整体仿生,自动化机器,自动化机器人从月球土壤中提取气体,智能机器人,整体仿生,智能机器人,自然语言语音图形图像信息,内核软件（智能操作系统、 编译系统等）,智能计算机组成,人机接口,软件,硬件,整体仿生,智能机器人,生物计算机,生物计算机的特点 能制成超高密度的线路能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥 ， 即使芯片中出了故障本身也能修复 ，从而使它 成为一种具有永久性的不出故障元件只要用少量的能量就能工作 ，不存在发热问题,你还知道哪些类似仿生设计呢?,这是什么？叫什么名字?,为什么取这个名字？,“鸟巢”,你们觉的贝壳会给你什么灵感?,来看看世界级的设计大师们是怎样仿生贝壳设计的？,悉尼歌剧院,杭州大剧院2004年7月完工,这两个建筑仿生设计风格有什么异同?,从生活中吸取设计的灵感,迷彩服,迷彩服花纹是怎样设计出来的呢？,在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。眼看就要全军覆灭，有一位名叫施万维奇的昆虫学家也被困在其中。这天，他看到不远处的树枝上停着一只蝴蝶 ，受了伤 ，施万维奇给它上药后，两天后蝴蝶渐渐地康复了。施万维奇依依不舍地将它放回了大自然。第二天一早，奇迹出现了， 他们的门前停满了蝴蝶，如果用这些蝴蝶将军事基地伪装起来，那么德军的飞机不就发现不了他们了吗？但是，对于整个军事基地来说，这些蝴蝶还是不够呀。他想出了用黄、红、绿三种颜色涂在军事基地上的方法，将军事基地装扮成了一件大大的迷彩服。因此，德军在飞机上看到的只是一片花草蝴蝶的海洋。尽管德军费尽心机，列宁格勒的军事基地仍安然无恙，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。,色彩,仿生设计应用的范围：,仿生设计仿自然物的 外形、结构、色彩、功能等,日用品设计、 玩具设计、服装设计、 图案设计等,建筑设计、,洗脸盆塞：溺水的人。,牙签盒：跳芭蕾的小人。,蜗牛沙发,“叶子”沙发,灯具,猪笼草,利用喜欢的自然物某种特征进行一件或多件日用品设计,（1）确定设计的主题: 仿什么 自然物的外形、色彩、结构、功能？,（2）确定设计的方案: 仿在哪里日用品、建筑、服装、 玩具、图案？,（3）设计草图、修改确定 制作完成,尝试: 利用喜欢的自然物某种特征 进行一件或多件日用品设计,在20世纪60年代时正式成立为仿生学,模仿生物建造技术装置的科学。仿自然物的外形、结构、色彩、功能等进行仿生设计。,仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科,第四节 生物传感器,生物传感器的模型,是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。应用领域：环境监测、食品分析、生物医学,一、概述,1. 定义 能感受（或响应）各种被测的物理的、化学的和生物的信息，并按照一定规律转换成可用信号（一般转换为易于加工、处理和观察的电学量）输出的器件或装置。,敏感元件：,酶、抗体、核酸、细胞等。,转换器：,电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。,酶 (Enzyme),抗体(Antibody),DNA,2. 分类根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等其他分类 被测对象、大小、功能,3. 生物传感器的特点,高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。,体积小、可以实现连续在位监测。,响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。,传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。,二、酶电极和酶传感器,概述 酶及酶促反应酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质特性：高效，条件温和，高度专一，（酶原激活）酶的活力单位：提高反应速度的能力（初速度） 标准酶单位、比活力,酶（Enzyme）,酶的专一性：锁和钥匙的关系。这种关系在生物大分子的相互作用中具有普遍性,对底物选择性地结合，避免其它物质干扰。,酶的固定化技术,固定化技术的重要性三代生物传感器（1）非活性基质膜和化学电极（2）生物成分结合转换器表面（3）生物成分直接固定于电子元件,各种固定化方法介绍,（1）共价键结合 ：牢固，易失活，单层（2）交联固定：固定量大，部分失活（3）包埋：多样，失活小，影响因素多（4）吸附：简单，失活小，牢固性差（5）夹心：简单（6）LB膜等新技术,一种葡萄糖传感器-Glucowatch,Glucose pulled through the skin by charged molecules The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxideThe reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor,乙醇传感器,乙醇泄漏报警器,乙醇探测器,GPT传感器,GPT-100便携式可燃气体检漏仪,二、免疫传感器,利用生物体内抗原-抗体之间特异性反应来实施微量物质的测定，是一种高灵敏度、搞选择性生物传感器。非标记免疫传感器 无需对抗原或抗体进行标记，固定在传感器上的抗体可与待测物质中抗原直接结合，并产生可测信号免疫标记传感器在检测过程中，除了固定化的抗体和待测物质中的抗原发生作用外，还需要加入定量的已经标记的物质来实现可测信号转换,非标记免疫传感器的应用,标记免疫传感器,标记免疫传感器的应用,生物传感器的发展方向,集成化与功能化提高灵敏度智能化,第五节 生物能源,生物能源:（又名生物质能）是利用有机质作为燃料，通过气体收集、气化（化固体为气体）、燃烧和消化作用（只限湿润废物）等技术产生能源。只要适当地执行，生物质能也是一种宝贵的可再生能源。但要看生物质能燃料是如何产生出来。生物质能：将树木、农作物秸秆、林业加工残余物和各类有机垃圾等生物质所蕴藏的能量，转化为常规的固态、液态和气态燃料的可再生能源。燃料乙醇、沼气、固体成型燃料、生物柴油等就是生物质能产品。,新能源可再生能源生物能源,一、植物能源,二、沼气,（一）沼气发酵过程液化期：发酵原料有机质的微生物降解产酸期：产酸菌分解糖类化合物产酸产气期：厌氧条件下，有机酸分解为甲烷等（二）提高沼气产率的关键搅拌有毒物质温度pH,营养液活性污泥压力检修,三、微生物在能源开发中的应用,乙醇发酵,微生物制氢,微生物电池,微生物在石油勘探和开发中应用,第六节 海洋生物工程,第七节 发酵工程,发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。,Fermentation engineering,上游工程UPSTREAM PROCESSES,下游工程DOWNSTREAM PROCESSES,发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程,UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development media formulation sterilization- inoculation,上游工程,Fermentation engineering,DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatmentby product recovery,下游工程,The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16,Fermentation engineering,发酵工程,主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术(1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。,(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。,微生物发酵技术,1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。” 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。,利用微生物的特点,发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特点： (1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力 (2)有极强的消化能力 (3)有极强的繁殖能力,Use of Microorganisms,Positive（益处）BiomassProductionConversionNegative（危害）PathogensSpoilage,一、发酵的定义,1、传统发酵2、生化和生理学意义的发酵3、工业上的发酵,1、传统发酵,最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。,2、生化和生理学意义的发酵,指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。,3、工业上的发酵,泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程 包括：1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2. 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,二、发酵工业,定义：是指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。,适宜的微生物保证或控制微生物进行代谢的各种条件进行微生物发酵的设备精制成产品的方法的设备,2.获得发酵产品的条件,三、发酵工业的发展历史,天然发酵阶段纯培养技术的建立：巴斯德，科赫等。人为地控制微生物的发酵进程。通气搅拌发酵技术的建立： 青霉素的生产深层培养代谢控制发酵技术：微生物进行甾体化合物的转化，Glu和Lys发酵生产。对微生物具有高度专一性的酶反应作为合成手段的一部分加以利用，进行合理的代谢。,开拓发酵原料时期： 石油发酵，醋酸生产谷氨酸基因工程阶段： 采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物。,History of applied microbiology,Ancient timesfood preservation (vinegar, cheese)flavour (bread, soy sauce)brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteurfirst phase industrial biotechnology1940 penicillin (Fleming)antibiotic industryproduction of fine chemicals,History of applied microbiology,1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen)1982 rec human insulin（胰岛素）post recombinant DNA areasince 1982 rec therapeutic agents（治疗剂）1990 rec bakers yeast1992 rec chymosine （凝乳酶）(from yeast),四、发酵工业的范围,1、以微生物细胞为产物的发酵工业2、以微生物代谢产物为产品的发酵工业3、以微生物酶为产品的发酵工业4、生物转化或修饰化合物的发酵工业5、微生物废水处理和其他,微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂,1、生产微生物细胞物质,定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。,2、微生物酶发酵,酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类：胞内酶 和胞外酶生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。,3、微生物代谢产物发酵,包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。,4、微生物的生物转化,定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。,5、微生物特殊机能的利用,利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。,发酵工业简介发酵食品有机酸氨基酸核酸类物质酶制剂医药工业（抗生素）饲料工业（单细胞蛋白环境工程（废物处理）其它 （冶金工业）,Fermentation Industry Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical (Antibiotics)Feedstuff (eg. SCP)Environmental Application (Waste Treatment)Others (eg. Metallurgical industry),五、发酵工业的特征,发酵过程中离不开微生物的作用1、发酵原料的选择及预处理2、微生物菌种的选育及扩大培养3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种子扩大培养和发酵采用不同的工艺。4、发酵产物的分离提取5、发酵废物的回收和利用,(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。(2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。,(3)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件简单。(4)发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在无菌条件下进行。(5)由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。,(6)发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。(7) 工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显著的经济效益。(8) 除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。,六、发酵方法的类别与流程,1、类别： 根据对氧的需要区分： 厌氧和有氧发酵 根据培养基物理性状区分： 液体和固体发酵 根据从微生物生长特性区分： 分批发酵和连续发酵,2、发酵的流程,空气,空气净化处理,保藏菌种,斜面活化,扩大培养,种子罐,主发酵,碳源、氮源、无机盐等营养物质,灭菌,产物分离纯化,成品,2. 工业发酵步骤和工艺流程,(1) 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制(2) 培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3) 将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发 酵罐中(4) 将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物(5) 将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品(6) 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,2.1发酵原料的预处理,原料不同处理方法也有所差异。1. 淀粉利用前需变成糊精或葡萄糖方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法2. 糖蜜加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐3. 碳氢化合物：石油脱蜡一定馏分的石油经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10的油，加入适量无机盐进行接种发酵,2.2菌种斜面培养,菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种方法：一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于种子扩大培养。,2.3 种子扩大培养,扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体培养两级不同方式。固体种子扩大培养一般采用传统的制曲工艺，一般先用克氏瓶或匣子瓶进行扩大，再转接到曲盘扩大培养。 需氧微生物：将克氏瓶表面培养的菌种接到装有液体培养基的三角瓶中，在摇庆上振荡培养。厌氧微生物：将有菌种的试管斜面或克氏瓶转接到三角瓶液体培养基中静置培养。,2.4 微生物发酵和控制,发酵方式可分为固体发酵和液体发酵两种。固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。 影响发酵的因素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必须适当地控制影响发酵的各种条件，掌握发酵的动态，并进行杂菌的检查和产物测定，使整个发酵过程顺利进行。,2.5 发酵产物的分离提取,利用菌体：离心沉淀或板框压滤法使菌体与醪液分开，也可以用喷雾干燥法直接做成粉剂。酒精发酵醪蒸馏塔蒸馏；抗菌素及有机酸根据产物的不同特性，采用离子交换树脂吸附处理、脱色过滤、减压浓缩等方法提取精制。获得的产物都要按照有关部门制定的国家标准进行质量检验和性能测定，符合要求后才为合格产品。,七、发酵工业的意义与展望,利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养固定化技术广泛应用开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸将生物技术理广泛地用于环境工程,课程作业：,班级： 姓名： 学号：生物技术的发展有哪几件标志性事件？你认为哪一件事件对现代生物技术的发展具有最重要的意义？为什么？,