《生物化工》PPT课件.ppt

第十四章 生物化工,生物化工的概括 生物化工的应用领域生物化工技术生物化工生产化工产品举例,生物化工概括-定义,定义：生物技术是在生物学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等基础上发展起来的，是由基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大先进技术组成的新技术群。生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科，它以生物来源的物质为原料，通过生物活性物质为催化剂使其转化，或用其他生物技术进行制备、纯化，从而得到我们预期的产品。,生物化工特点,（1）以生物为对象，常以有生命的活细胞或酶为催化剂，创造必要的生化反应条件，不依靠地球上的有限资源，着眼于再生资源的利用。（2）由于细菌不耐高温，需在常温常压下连续化生产，工艺简单，并可节约能源，减少环境污染。（3）定向地按人们的需要创造新物种、新产品和有经济价值的生命类物质，开辟了生产高纯度、优质、安全可靠的生物制品的新途径。（4）生物化工为生物技术提供了高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术，扩大了生物技术的应用范围。,生物化工的应用领域,现代生物制药 把生物工程技术应用到药物制造的过程称之为生物制药。生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为原材料，采用生物学工艺和分离、纯化技术，并以生物学的分析技术控制中间产物和成品质量制成的生物活化制剂，包括菌苗、疫苗、毒素、类毒素、血清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克隆抗体及基因工程产品等。,生物化工的应用领域,基因工程用克隆技术和组织的培养技术，对DNA进行切割、插入、连接和重组，从而获得生物制药产品。主要包括三大类：基因工程药物、生物疫苗和生物诊断试剂。这些药品在诊断、预防、控制及消灭传染病，保护人类健康，延长寿命中发挥着越来越重要的作用。,生物化工的应用领域,我国生产的生物药品主要是基因乙肝疫苗、干扰素、白细胞介素-2、增白细胞、重组链激酶、重组表皮生长因子等15种基因工程药物，已进入市场。重组凝乳酶等40多种基因工程新药正在进行研究。单克隆抗体的研制已由实验进入临床，B型血友病基因治疗初步获得临床疗效，组织溶纤原激活剂、白介素-3、重组人工胰岛素、尿激酶等十几种多肽药品在临床实验中。,农业生物技术与生物农药,我国的两系法杂交水稻育种研究已深入到基因层的研究，跃居世界领先水平。在水稻无融合生殖育种新技术研究上取得了重大突破，成功地培育出无融合杂交水稻。经过数千亩大田的试验示范，表现出丰产、米质量佳、抗性强、适应性广等优点，克服了杂交水稻需要年年制种和杂种只能用一次的缺点，为水稻育种开辟了新途径。,农业生物技术与生物农药,我国进行了动物胚胎的工程研究，掌握了实用化的胚胎分割和移植技术，获得了一批胚胎移植良种牛，并已建立了良种奶牛的胚胎移植和繁殖中心。在动物细胞工程研究上，也已成功地选育出“四倍体复合鲫鱼”和“人工复合三倍体鲤鱼”，经大面积饲养试验，显示了快速生长的特性。,农业生物技术与生物农药,我国在抗病抗虫方面的转基因植物的研究取得了实质性进展。目前已经获得了抗病毒的转基因烟草、番茄、马铃薯、小麦、玉米等植物，并成功地竟苏云金芽抱杆菌杀虫基因导入棉花和水稻种，获得了抗虫棉和抗虫水稻。抗烟草花叶病毒、黄瓜花叶病毒的转基因烟草，在大田试验表现了较强的抗病性。,农业生物技术与生物农药,生物农药是利用微生物本身或代谢物防治虫、草等的制剂。包括农用抗生素、细菌农药、真菌农药和病毒农药，具有选择性高、易于降解、用量少、污染小、对人畜毒性小、保护环境、病虫害不易产生抗性等优点。因而发展生物农药，减少化学合成农药的使用，已成为全球农药产业发展的新趋势。,精细化工中的生物技术,生物有机酸的应用 采用发酵法生产的有机酸已在食品、医药、塑料、香料等行业得到应用。柠檬酸用途很广，其中用于食品和饮料行业的为50%，医药行业为20%，化学工业为20%，化妆品为2%，其他8%。柠檬酸是我国最大的出口发酵产品。L-苹果酸主要用于食品业、保健品、化妆品及饮料的酸味剂和防腐剂。,精细化工中的生物技术,酶制剂的应用 酶是细胞原生质合成的一种高活性的生物催化剂，由许多氨基酸组成，其催化性能具有高效和专一性。酶普遍存在于动物、植物、微生物中，通过采取适当的理化方法，将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来，加工成具有一定纯度标准的生化制品，成为酶制剂。酶制剂主要有-（-）淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、纤维素酶、碱性蛋白酶和中性蛋白酶等。,生物石油化工,石油微生物炼制（1）石油脱蜡：利用解脂假丝酵母、拟圆酵母、粉孢霉菌、诺卡氏菌等进行发酵法脱蜡可出去石油及其馏分产物的蜡质，获得高质量、低凝固点的航空汽油、高级柴油、变压器油和多种机油。（2）石油脱硫：许多地区的原油中含硫量高，这些硫化物腐蚀设备，影响产品质量，而且石油产品燃烧时，还生成SOX 污染环境，因此石油脱硫十分重要。,生物石油化工,（3）石油脱氮：利用土壤中培养出的微生物，通过环羟基化和断裂机理，使吡啶降解成NH3、CO2和H2O。这些微生物能对含氮杂环化合物分子的氧化有专一性，并能把油中的含氮杂环化合物氧化。,生物化工品的生产工艺技术,（1）细菌醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌等不生孢子的需氧菌。乳杆菌属的德氏乳杆菌；链球菌属；片球菌属、串珠菌属等。芽孢杆菌属的枯草杆菌是本属最主要的菌种。梭菌属的丙酮丁醇梭菌，可生产丙酮和丁醇，是工业发酵的重要菌种。大肠杆菌和产气气杆菌为革兰氏阴性、无孢子的杆菌，在动物肠中形成细菌群。,生物化工品的生产工艺技术,（2）放线菌 链霉菌属包括金霉素、氯霉素、卡那霉素、红霉素等，这些链霉菌可以生产葡萄糖异构酶，是很好的葡萄糖异构酶产生菌。（3）霉菌 工业上最常用的霉菌以曲霉菌和青霉菌为主，根霉属和红曲霉属也较常用。（4）酵母 酵母有酵母属、裂殖酵母属、假丝酵母属、毕赤酵母属和汉逊酵母属。,生物化工品的生产工艺技术,微生物的培养方法：（1）培养基的组成 培养基一般由碳源、氮源、无机盐和微量生长因子等组成。碳源一般是蔗糖、葡萄糖等。工业上常用淀粉水解液和糖蜜等。氮源有硫酸铵、尿素、豆饼水解液等。无机盐有磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、七水硫酸镁等。微量生长因子有生物素、硫铵素等。酵母和霉菌用培养基以曲汁或麦芽汁最常用。,生物化工品的生产工艺技术,（2）培养方法 按培养基的培养过程分为固体培养和液体培养。按操作方式分为分批培养、连续培养和半连续培养，按是否需要氧气可分为需氧培养和厌氧培养，需氧培养用设备又分为浅盘培养、厚层通风培养和液体通风深层培养。培养条件主要由糖浓度、温度、PH值、氧气、氮源和微量因子决定。,生物化工品的生产工艺技术,酵母菌最适宜的PH值为46，细菌为67.5。对于氧气，微生物有需氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌三种。氮源，一般使用尿素，使培养液维持恒定的PH值，同时又可供给氮源。微量因子是指维生素，它是生物体生长不可缺少的一种或数种极微量的有机物质，但微生物生长时，自身往往又缺少合成这种有机物的能力，因此必须由外界提供。,生物化工品的生产工艺技术,生物催化剂 生物催化剂是指由常规选育或经现代生物工程方法获得的菌株、细胞系或从中提取的酶。它的作用相当于化学反应中的催化剂，是生化反应中不可缺少的。从自然界得到的菌种要进行筛选、分离、遗传育种，有的还要经过菌种变异才能使用。,生物化工品的生产工艺技术,生物反应器 生物反应器是整个生物反应过程的关键设备，为特定的细胞或酶提供适宜的增殖环境，也可在反应器中进行特定的生化反应。它的结构、操作方式和操作条件与产品的质量、转化率和能耗有着密切的关系。根据反应器的操作方式，可分为间歇操作、连续操作和半间歇操作。根据生物催化剂在反应器中的分布方式进行分类，可分为生物团块（包括细胞、絮凝物、菌丝体）反应器和生物膜反应器两大类。,生物化工品的生产工艺技术,生物反应器的分类,生物化工品的生产工艺技术,分离与提纯 从生物反应器中排出的反应产物是一种混合物，里面除含有目的产品外，还含有未转化的基质、不能转化的物质、大量的水、微生物体及各种微量杂质。为了获得合格的生化产品，并且不浪费其他有用的物质，必须对需要的生化产品进行分离或提纯。这一过程称之为“下游加工”，这样可以使其他物质循环使用或再进行综合利用，既降低了成本又保护了环境。,生物化工品的生产工艺技术,1固体物质的去除 分离生化反应液的细胞或其他固体物质，是提取生化产品的重要一步。分离过程是基于它们的粒度、密度、溶解度和扩散度等的不同实现的，分离的粒度范围为0.310m。为了提高分离效率要进行预处理，以促进细胞的絮凝。常用的去除固体的分离方法是过滤、离心分离、沉降及倾析等。,生物化工品的生产工艺技术,2初步分离 当从反应器出来的反应液除去了不需要的固体颗粒后，一般要进一步把溶液浓缩，以提高目的产品在溶液中的浓度。为了实现这一过程，可以使用蒸发、萃取、沉淀和膜分离等单元操作。如膜分离技术是一种新型的分离技术，近年来发展很快。它是用一种半透明的薄膜，使溶液中的某些组分通过，其他组分被阻止或截留，从而达到分离的目的。它包括反渗透法和超滤法。膜分离法不同于萃取和沉淀法那样，需要加入溶剂或盐类等其他物质，也不同于蒸发操作，需要加入热量，膜分离法只是根据物质粒度的大小这一几何特性的差异，来分离物质，因此产品的损失很少，产率和质量较高。,生物化工品的生产工艺技术,3产品提纯 产品提纯的目的主要是去除溶液中的各种微量杂质，进一步提高产物的纯度。常用的方法有沉淀法、层析法和吸附法。但是生物产品的提纯，更多用的是层析法。层析法有吸附层析法、离子交换层析法、分子筛层析法和亲和层析法等，根据不同被分离物的特性，选择不同的层析分离方法。,生物化工品的生产工艺技术,4产品的最终分离 最后一步必须使产品达到规定的质量指标，以适合销售市场的要求。主要的单元操作是先离心分离，然后进行干燥或冷冻干燥等。干燥操作往往是生物产品的最后工序，其目的是除去物料中的水分，便于产品的保藏和运输。由于很多的生物产品，如味精、柠檬酸、酶制剂、抗生素及单细胞蛋白等均是固体产品，因此干燥操作在生物产品的最终分离方面十分重要。,典型生物化工品的生产工艺举例,有机化工品丙烯酰胺（AM）丙烯酰胺无色、无味，分子式是 C3H5ON，固体是粉剂的结晶产品，含量大于97%，熔点为84.5。水剂产品含丙烯酰胺分别是25%、30%、40%、50%等。25%或40%的水剂产品,直接用于聚合。结构式：,典型生物化工品的生产工艺举例,反应方程式如下：,典型生物化工品的生产工艺举例,工艺流程：,典型生物化工品的生产工艺举例,食品添加剂柠檬酸 柠檬酸(citric acid)，别名枸橼酸，化学名称为2-羟基丙三羧酸，分子式是 C6H8O7（无水物）。柠檬酸有无水物和一水合物两种，无臭，有强酸味，易溶于水、乙醇和乙醚。无水柠檬酸为白色晶体颗粒或粉末，相对密度1.67，熔点是153，在潮湿空气中吸潮，能形成一水合物，一水合物是无色半透明结晶，相对密度1.542，熔点是100133。,典型生物化工品的生产工艺举例,结构简式：,典型生物化工品的生产工艺举例,生产工艺过程 柠檬酸的生产方法有三种，一是由水果提取；二是用化学方法合成，即用草酰乙酸与乙烯酮缩合制得；三是用发酵法制取。发酵法生产柠檬酸是用黑曲霉菌做发酵剂，主要原料是碳水化合物，如从蔗糖或甜菜中提取的糖蜜、甘薯淀粉、玉米淀粉、马铃薯加工废渣和废液、木薯粉等。,典型生物化工品的生产工艺举例,生产工艺过程,