生化反应工程绪论.ppt

生物化学反应工程 Biochemical Reaction Engineering东华大学生物科学与技术研究所张兴群2009年09月,第一章 绪 论 Ch 1 Introduction生物技术经济时代的生化反应工程,知识经济时代 六大技术组成的高技术群支撑：生物技术、信息技术、新材料技术、新能源技术、海洋技术、航空航天技术。,生物技术是六大高新技术之首；生物技术是世界各国普遍关注和重视 的热点。,2005年全球生物技术产业总产值633.1亿美元，增长了15.9%，投资高达320亿美元，其中美国为147亿美元。,美国9大生物技术产业集群,中国政府高度重视生物产业发展。2009年6月，国务院常务会议讨论并原则通过促进生物产业加快发展的若干政策。会议认为，必须抓住世界生物科技革命和产业革命的机遇，将生物产业培育成为我国高技术领域的支柱产业。以生物医药、生物农业、生物能源、生物制造和生物环保产业为重点，大力发展现代生物产业。促进生物产业加快发展的若干政策的颁布，标志着我国生物产业已步入快速发展期。,生物技术对解决当今社会发展面临的许多重大问题，如人口、粮食、能源、环境污染、人类健康等的解决具有极重要的作用。The Biotechnology Century,Biochemical engineering may be loosely defined as the use of living organisms,or part of them(for example,enzymes),for the production of chemical or biological materials or the development of new processes.,化学,生物,生物化学反应工程,生物化学,工程,化学工程,生物工程,生物化学反应工程,基因工程,现代生物技术,产业化,A Brief History of Biochemical engineering 经验生化工程时期（人类出现到19世纪中期）近代生化工程建立时期（19世纪50年代到20世纪40年代）近代生化工程全盛时期（20世纪40年代到20世纪70年代末）现代生化工程建立和发展时期（从20世纪70年代末开始）,公元前40003000年：酒、醋（vinegar=vin+nargre）酿造（埃及人）公元前2000年：葡萄酒酿造（希伯来人）公元前60005000年：中国开始酿酒 公元前25世纪：黄帝与岐伯谈论醴 夏代：仪狄酿酒 公元前14世纪：若作酒醴，尔唯曲蘖（诗经）,远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料人类最早发明的酒,丰富多彩的酒文化,(微生物)发酵,我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）,公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）,丰富多彩的酒文化,16世纪发明显微镜。1897年Buchner提出酶理论，对发酵机制开始认识。发 酵：有机化合物能同时作为电子供体和 最终电子受体并产生能量的过程。（生物化学）微生物在无外源电子受体时，通过部 分 氧化有机化合物而获得产物并释放 少量能量的过程。（微生物学）任何通过大规模培养微生物来生产产 品的过程,生化工程的几个重要转折点 第一个转折点：非食品工业(酒精发酵)甘油发酵：第一次世界大战，德国，酵母 发酵生产甘油。当时每月生产 1000T。目前，美国仍采用耐 高渗酵母大规模生产甘油。,酵母菌的三型发酵：,酵母的第一型发酵(酵母菌的乙醇发酵),乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,乙醇脱氢酶,当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；,CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。,2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO2,酵母菌的第二型发酵,加入亚硫酸氢钠，与乙醛起加成作用 生成难溶的乙醛亚硫酸氢钠加成物,酵母菌的第三型发酵,当酵母在碱性条件(pH 7.6)进行发酵，二个分子 乙醛起歧化反应，相互氧化还原，生成等量的乙醇和乙酸,第二个转折点：青霉素抗菌素发酵工业 奠定了微生物发酵规模化的基础 液体深层培养需解决的两个问题：供 氧：高效通气搅拌供氧问题，无菌空气过滤技术 纯种培养：大型发酵罐培养基灭菌技术，发酵罐防杂菌污染技术等 目前，大型化、高效、自动化、多样化。基本操作模式没有变,第三个转折点：切断支路代谢转折点，酶活力调控，酶合成调控（反馈控 制与反馈阻遏）解除菌体自身的 反馈调节，特殊调节控制的利用，突变株的应用，前体、终产物、副 产物等。氨基酸发酵工业（Glu、Lys）。核酸发酵工业（肌苷、鸟苷）通过代谢调节的改变，有目的和最合理的地控制细胞内的一系列生化反应过程。,发酵的人工控制,最大限度的积累对人类有用的代谢产物,措施,改变微生物细胞膜的通透性 改变微生物的遗传特性（诱变、重组等）控制发酵条件（如温度、pH、O2等）,发酵,概念,通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程,种类,1、固体发酵和液体发酵2、抗生素发酵、维生素发酵、氨基 酸发酵等3、需氧发酵和厌氧发酵,代谢的人工控制 改变膜的透性,改变细胞膜的透性，使谷氨酸迅速排放到细胞外面，解除谷氨酸的抑制作用。,抑制,黄色短杆菌合成赖氨酸的途径,+,利用诱变育种等方法，选育不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种用于生产.,代谢的人工控制 改变遗传特性,O2：如：酵母菌在有氧条件下大量繁殖，在无氧条 件下才大量产生酒精。又如：谷氨酸棒状杆菌在溶氧不足时，生 成的产物是乳酸或是琥珀酸。C：N 如在谷氨酸发酵过程中，当培养基中C：N=4：1时，菌体大量繁殖而产生谷氨酸少；当C：N=3：1时，菌体繁殖受抑制而合成谷氨 酸多,代谢的人工控制 改变发酵条件,近代转折点：基因、动物、海洋。增加微生物控制代谢产物产量的基因 拷贝数，提高产量；构建基因工程菌株；转基因动、植物；海洋微生物技术。海洋：复杂的生态大系统、环境条件复杂多变、孕育了约 陆地微生物20倍以上的海洋微生物物种,组合生物合成：根据微生物的多样性和次级代谢产物的多样性，以及天然资源中获得的有意义基因，通过重组、组合或互补形成高水平或新结构化合物的多酶体系来生产人类需要的物质。,Traditional Biochemical engineering Modern,目前能广泛接受的-国际合作及发展组织的定义 生物技术是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。从这个定义中，可归纳出生物技术三个特点：1）生物技术的多学科性和综合性 2）微生物、动植物体或酶作为催化剂，有别于化学催化剂 3）最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过程，即生物反应过程（Bioprocess）。,现代生物技术,2、现代生物技术的产生（1953）Watson和Crick-发现了DNA双螺旋结构-奠定了现代分子生物学的基础（1973）Boyer和Cohen-发明了DNA目的基因重组技术-DNA重组技术在很大程度上得益于分子生物学、微生物遗传学和核酸酶学等领域的发展 反过来DNA重组技术的逐步成熟和发展-对生命科学的许多领域产生了革命性的影响-成为20世纪以来发展最快的学科之一-而受DNA重组技术影响最为深刻的是生物技术，-完成了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃 现代生物技术是随着DNA重组技术的发展而提出来,3.对现代生物技术的理解 现代生物技术-是如何利用DNA重组技术-把它作为有效手段-并非DNA重组技术就是现代生物技术 仅仅有DNA重组技术实现不了生物技术的产业化4.现代生物技术的内涵 根据当前生物技术的发展，给现代生物技术下一个定义：,现代生化工程（生物技术）：以DNA重组为主要手段，依靠清洁、经济的生 物反应器（bioreactor）,利用可再生性资源（renewable resource）加工人类所需产品的具有 可持续发展（sustainable development）特性 的技术。,几个概念之间的异同：国外，生物工程（bioengineering）一般指医学工程（medical engineering）、农业工程（agricultural engineering）、环境工程（environmental engineering）、卫生工程（sanitary engineering）、人体功能工程（body function engineering）等的总称，特点是不涉及化学催化反应（chemocatalytic reaction）过程，而仅仅是生物过程（biological process）与物理过程（physical process）的结合。生物技术（biotechnology，又名生物工艺学）则涉及的是生物催化反应（biocatalytic reaction）过程。国外已经将生物技术与生物工程区分开。,国内，一般生物工程理解为一个广义的概念。因为工程是指根据科学原理和有关技术，组合 出高效、合理的具有一定结构的技术系统（technological system）；而技术（technique）泛 指根据生产实践和科学原理发展而成各种工艺操 作方法和技能。,生物技术的多学科性示意图,1、产业化（Industrialization）-技术创新和商业化过程-目标产品质量-市场需求-可商业化程度2、生物技术产业化-当今生物高技术研究成果的必然-生物技术具有显示强大生命力体现-涉及领域极其广泛（太空、海洋）3、生化工程重点研究生物技术产业化过程中瓶颈问题-保证生物加工工艺设备条件，达到产品质量-技术经济观念贯穿于生化工程研究始末，降低成本,生物技术产业化与生物化学工程,生物化学工程与生物技术上中下游关系,1、生物技术的上、中、下游过程生物反应器-作为生物反应过程的中心 即中游加工-反应前与后的工序称为上游加工和下游加工l上游加工-最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂 即应用常规选育、基因工程、细胞工程和酶工程手段获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等,Biotechnology,上游工程UPSTREAM PROCESSES,下游工程DOWNSTREAM PROCESSES,生物技术组成从广义上讲，由三部分组成：上游工程、中游工程、下游工程,UPSTREAM PROCESSES-genetics,cell-inoculum development media formulation sterilization-inoculation,上游工程,Biotechnology,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,Biotechnology,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,l 下游加工-从反应液中提取目的产物 加工精制成 合格产品l中游加工-生物反应器为中心 生物化学工程-包括中、下游两部分,生物化学工程学科,-研究生物反应过程中共性工程技术问题-为生物工程服务的化学工程-它既可视为化学工程的一个分支-又可认为是生物工程的一个组成部分-生化工程为生物学和化学工程的纽带,1、基本概念科学-探讨是什么？发现自然规律、认识自然技术-解决如何做？工程-根据科学原理和有关技术，组合出高效、合理的一定结构的技术系统,工程概念理解与生物化学工程,2、工程学家的角色 科学-粘合剂 技术-各种材料 工程学家象艺术家一样-如何利用好它们雕塑成一副工艺品 工程学家也类似于音乐家一样-把七个音符组合出优美的乐曲,工艺品或乐曲-必须具有市场-产生经济价值-要有经济学家的头脑 要把科学原理、技术和经济综合考虑-也有哲学家的思维 工程学家-组合艺术,总之，工程学家-即要具有艺术家的眼光-又要有哲学家的思维-还要有经济学家的头脑-同时具有科学家的知识 说明工程学家-重要 不容易,3、科学与工程发展历程 科学最早由哲学家提出-进行研究-得出规律-成为科学。而工程学是慢慢的发展而来的,4、自然科学家与工程科学家的比较 科学家按学科分类，根据结果分析、严格理论推导-分解的观点 工程师面对实际问题的综合性的、多学科-靠工程技术经验，半理论、半经验性的-系统性、整体性的观点,生命现象的本质？生命活动的规律？,19世纪：细胞是生命的基本单位细胞学说：细胞是动植物结构和功能的基本单位，一切生命现象都是以细胞为基础表达的,生命本质理解与生物化学工程,生命是什么？,无序与有序问题 在自然科学中，生命科学-非生命科学 一直存在一条鸿沟 非生命过程-按照克劳修斯热力学第二定律-认为自然界中一切自发过程都是熵增大的过程，-而熵的增大意味着混乱度的升高。生命过程-整个自然界永远只能从有序走向无序，-这就完全排除了从无序走向有序的可能性。-存在着从无序向有序、从低级向高级发展的过程-是一个熵减少的过程 这就激励许多理论物理学家研究生命现象,如40年代理论物理学家薛定鄂-生命是什么-指出生命过程是熵减少，是负熵。68年比利时 普里高津-从非平衡热力学理论出发-提出耗散结构理论-严格证明了远离热力学平衡的开放系统中-过程的复杂性特征可自然产生稳定的自组织行为-从无序演化出时空上的有序结构 负熵概念和耗散结构理论-让人们加深对生命科学有序性的理解,时间可逆与不可逆问题-非线性问题 牛顿力学的“决定论”和严格的“因果关系”-影响到自然科学的全部思维方式-解决了自然科学许多重大课题-又发展了量子论和相对论-引向微观世界和整个宇宙。而牛顿力学、量子论和相对论的时间却是可逆的 在生命科学中-时间不可逆-一切生物从出生到死亡是不可逆的-也就是说时间是不可逆的，是单方向的 为什么？-主要是由于生命科学极其复杂的-非线性过程-非线性是生命科学中带有根本性的、普遍性的问 题，是生物系统所固有的动态属性 非线性-已经成为当今自然科学基础理论研究的重大课题,生命的本质问题 因此，生命科学的基本特征-是生命过程的有序性和非线性-是整个生物界之所以能在这错综纷繁的世界中不断生 衍繁殖、不断进化发展的根本因素-也是冲击其他自然科学和社会科学不断更新发展的动力。生物学是一门最广、最古老，但也是年轻的学科，-古老-仍是生与死的问题-年轻-是典型的非线性问题,生命本质活体,工程装置,生物学工程学,生物催化反应过程：微生物培养、动植物细胞培养、污水的生化处理、生物技术提取天然产物等均为生物反应过程（生化工程）。分类：生物催化剂是酶：酶反应过程 生物催化剂是生物细胞：发酵过程,生物反应过程由四个部分组成：原材料的预处理及培养基的制备 生物催化剂的制备 生物反应器及反应条件的选择 产品的分离纯化,生物反应过程（bioprocess）的特点：,生物反应过程的特点：生产过程通常在常温下进行，操作条件温和，不需要考虑防爆问题，一种设备具有多种用途。原料以碳水化合物为主，不含有毒物质。生产反应过程是以生命体的自动调节方式进行 的，多个反应像一个反应一样，可在单一设备 中进行；易于进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学活性体等,能高度选择性地进行复杂化合物在特定部 位的反应，如氧化、还原、官能团导入等；生产产品的生物体本身也是产物，富含维 生素、蛋白质、酶等；除特殊情况外，培 养液一般不会对人和动物造成危害；生产过程中需要注意防止杂菌污染，尤其 是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。通过改良生物体生产性能，可在不增加设 备投资的条件下，利用原有的生产设备使 生产能力飞跃上升。,生物过程工程（bioprocess engineering）基本概念 尽管生物过程所生产的产品性质（product characteristics）、加工方法（processing method）、工艺流程（technological flow）以及设备型式（equipment type）等完全不同，甚至差异很大。但却有共同点，即从原料转变为产品，均包括一系列生物反应过程、化学反应过程和物理操作过程，按照不同方式串联或并联而成。生物反应过程是具有决定意义的一步。是生物生产过程的核心，其他过程是为生物反应过程服务的。,工程理念：工程学：研究工业生产过程系统规律性的科 学，实际上是探索如何有效地在合理的生产 设备将原料转变为工业产品的科学。据此，对待任何工程问题，均需有以下四种工程 理念（engineering thought）：理论上的正确性（valid theory）技术上的可行性（technical feasibility）操作上的安全性（safety operation）经济上的合理性（economical rationality）（核心）,生物反应过程应关注的普遍性问题：目的产物中心观点 能量最小的观点 细胞经济与生产经济矛盾的观点,目的产物中心的观点 为提高产物对原料的转化率（transformation rate），要求关注生物反应代谢过程和培养产物分离纯化两个方面。对于前者，要促进细胞对营养物质的吸收；减少与目的产物形成无关的代谢支流，使各个分支的物质相对集中流向目的产物；消除目的产物进一步代谢的途径。在设计育种（breeding）和生物反应工艺控制中要建立该工程理念。对于后者的单元操作，应根据质量守恒定律（law of mass conservation）对目的产物进行物料衡算。以此去分析和解决单元操作集成问题。即：输入的产物量 输出的产物量目的产物损失,能量最小的观点 在细胞代谢（cell metabolism）和生产过程中均消耗一定能量，并以不同形式提供。对于细胞代谢，生物能（biological energy）是细胞独立自主生活的基础，每个细胞都有能量转换机构，此亦是生物技术工业具有生物学属性的重要体现。在控制细胞代谢中，可通过减少支流途径（by-pass path）的能量和增加目的产物主流途径的生物能支持。提高能量利用率。对于生产过程，可根据能量守恒定律（law of energy conservation）和能量系统集成（integrated energy system）技术进行衡算，减少生产过程中的能量消耗。,细胞经济与生产经济矛盾的观点 生物进化（biological evolution），细胞形成了越来越完善的代谢调节（metabolic regulation）机制，使细胞内复杂的代谢反应高度有序进行。故，细胞平衡生长不会有代谢产物（metabolites）积累。细胞经济（cell economy）。细胞过量生产目的产物对细胞来讲不经济。要获得细胞代谢产物的过量生产，一是要改变细胞基因型而改变代谢途径；另一种方法是通过改变培养条件改变控制代谢。过量表达代谢产物的细胞是“病态”细胞。工业上利用“病态”细胞的不经济性生产对人类经济的产品。,生化工程中涉及到的工程学基本概念：恒算概念 速率概念 最优化概念 技术经济概念 上游生物技术工程化概念 细胞代谢和培养工艺过程一体化概念,衡算概念 通过质量衡算、热量衡算、动量衡算达到物料和能量有效集成。物料集成是按照质量守恒定律进行物料衡算，运用此概念分析和解决工程问题；根据能量守恒定律进行工程过程的系统能量衡算，达到能量最大利用，是工程能量问题的基本方法。质量、热量和动量衡算概念是保证技术上可行性和经济上合理性的重要工程措施和环节。,速率概念 速率问题是理论上正确性和技术上可行性的一个重要衡量标志和判断标准，也是技术先进性的反映，更是生物反应工艺、工程探索结果的表现。一般来讲，过程速率与过程推动力（driving force）成正比，与过程阻力成反比。即：过程速率f（过程推动率/过程阻力）,最优化概念 生物技术反应过程优化中，目前主要采用基于动力学（kinetics）的最佳工艺控制点为依据的静态（static state）操作方法，是化学工程宏观动力学概念在发酵工程（fermentation technology）上的延伸。现在，以细胞代谢流分析与控制为核心的生物反应最优化观点正日益受到重视。生物反应过程中的基因、细胞、工程三个水平上进行过程优化。从单元操作到系统工程，从宏观经验描述到微观的本质认识，对于过程工艺优化具有重要意义。,技术经济概念 技术经济概念始终贯穿于生物技术产品的整个开发中，对于不同阶段，均应有技术评价（estimates of technical economics）。特别在小试（small-scale production）阶段，往往不容忽视。可以通过技术经济分析判断科学自由探索中的潜在应用价值，以便进一步开发。在中试（pilot-scale production）和示范工程建设（demonstrating engineering construction）中，更不能离开技术经济的参与。只有经过反复技术经济评价。才能确保所开发的生物技术方案的科学性和合理性。,上游生物技术工程化的概念 随着基因重组（gene recombination）技术、蛋白修饰（protein modification）技术，细胞融合（cell conjugation）技术和固定化（immobilization）技术的逐步成熟，上游生物技术（up-stream bioprocessing）已经进入工程化阶段。特征是可以根据需要设计改进天然的或构建新的生化物质或体系（核酸、蛋白质、脂质体及多糖复合物等）以及新的代谢步骤与途径，并对他们在生物体内外的作用加以研究与应用。,细胞代谢与培养工艺过程一体化的概念 生物反应过程产物实质上是细胞代谢产物，胞内基因水平（intracellular gene level）的信息流决定了细胞代谢流分布的空间与时间的基本特征，而生物反应器只是在环境条件和过程传递特征上，从物料和能量供应上对这一代谢流产生影响。当前生物技术产业化发展的特点是必须将细胞代谢过程（微观分子细胞水平的代谢调节）与培养工艺过程（宏观工程水平的传递特性）进行深度结合；由宏观推向微观，强调在对细胞代谢深入发展的认识基础上，以多尺度的工程学观点研究过程特性。,生化反应过程的目的：利用生物体或细胞或其部分，特别是微生物细胞本身的代谢（发酵）能力获得相应产物（品）（发酵产品）。,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,定义：以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为 目的产品的生产过程，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。,生产细胞物质,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。,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。,微生物的生物转化,定 义：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。特点：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。,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产品生产的新 领域（新产品、新过程）。,生化工程产品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）,biological engineering Fermented FoodsOrganic AcidsAmino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical(Antibiotics)Feedstuff(eg.SCP)Environmental Application(Waste Treatment)Others(eg.Metallurgical industry),课程内容 微生物生长、发酵反应动力学分析；生产过程的参数检测与控制；反应器设计与分析；固定化酶与固定化细胞及应用；动植物细胞大规模培养等内容,主要参考教材1 新编生物工艺学 俞俊棠 化工出版社2 微生物工程 曹军卫主编 科学出版社3 发酵工艺原理 熊宗贵 医药科技出版社4 生物工艺原理 贺小贤 化工出版社5 氨基酸生产工艺学 张克旭6 微生物发酵的代谢与控制张克旭 轻工出版社,参考期刊杂志,1.食品与发酵工业；2.生物工程学报；3.中国生物工程杂志4.微生物学报；5.微生物通报；6.医药生物技术；7.食品与生物技术；8.工业微生物；9.生物技术通报；10.生物工程进展。,