生物工程设备第一章绪论.ppt
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1、,生物工程设备第一章 绪 论,绪 论一、有关生物工程及发酵的概念二、发酵工程在生物技术中的地位三、生物反应过程的特点四、生物工艺过程的共性五、微生物工程产品类型六、本课程内容概述,一、有关发酵工程的概念1.生物技术(又称生物工艺学biotechnolog,有时又称生物工程)“应用自然科学及工程学的原理,依靠生物作用剂(biological agents)的作用,将物料进行加工以提供产品或为社会服务”的技术(国际经济合作及发展组织1982年)生物作用剂也称为生物催化剂,用载体,不溶于水、不易散失。多次使用,生物技术与其他学科的关系,2.生物技术的四大支柱,3.发酵工程,又称为“微生物工程”,是指
2、利用微生物的特定性状,通过现代工程技术,在生物反应器中生产有用物质的一种技术。现代微生物工程利用的发酵对象除包括传统的天然微生物外,还包括动物和植物细胞、重组细胞、基因工程菌等。,微生物发酵,目前人们把借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身,或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程统称为发酵。从耗氧情况分为:A 厌氧培养的生产过程,如酒精、乳酸、甘油、丙酸、丁酸等。B 通气(有氧)培养的生产过程,如抗生素、氨基酸、核苷酸、酶制剂等。,二、发酵工程在生物技术中的地位与基因工程,其主要原理应用人工方法把生物遗传物质,通常是脱氧核糖核酸(DNA)分离出来,在体外进行切割、拼接和重组。
3、然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体,从而改变它们的遗传品性;或使新的遗传信息在新宿主细胞或个体中大量表达,以获得基因产物(多肽或蛋白质)。这种创造新生物并给予新生物以特殊功能的过程就称为基因工程,也称DNA重组技术。(基因水平上的遗传工程),在发酵工程应用 基因工程育种,将外源基因导入到微生物细胞,使后者获得前者的某些优良性状或者利用后者作为表达场所来生产目的产物。由于微生物多为单细胞,结构简单,是基因工程理想的表达载体。因此很多来自于不同界别的物种(人体、动物、植物等)的基因都被成功地克隆到微生物细胞中并获得表达。因此而发展的各种获得异源基因并表达异源基因产物的微生物细胞(工程菌)都
4、是新物种,都是微生物基因工程育种的产物。,应用自1973年以来,世界上已用基因工程方法创造的各种工程菌多得难以计数,仅用工程菌表达并已获批准的新药物就有40多种。如:胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。具有很高的药用价值。这些药的生产一直是通过从人血或胚胎中提取,或从动物组织中提取类似物。利用基因工程方法从人或动物中分离出有关基因,通过体外重组再转入到微生物细胞中,使微生物细胞获得表达这些外源基因的能力,成为新的工程菌。通过工程菌的发酵来生产这些药物,实现大规模生产。此为基因工程领域取得的最显著的成果。,细胞工程与发酵工程,细胞工程(cell engineering)是应用细胞生物学和分子生物学方法,
5、借助工程学的试验方法或技术,在细胞水平上研究改造生物遗传特性和生物学特性,以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术方法的学科。根据研究对象不同,细胞工程可分为动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程,酶工程与发酵工程,是利用酶、细胞器所具有的特异催化功能,或对酶进行修饰改造,并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。酶工程与发酵:通过微生物发酵得到淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。例如:枯草杆菌发酵生产-淀粉酶之前,酶是从动物、植物、微生物细胞和组织中提取。,发酵工程在生物工程中的地位,基因工程,酶工程,细胞工程,发酵工程,产物,产品,产品,发酵工程在生物工程中的地位,一般
6、认为生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程其中基因工程最引人入胜,它能够依据人们的意愿创造新品种。细胞工程中的原生质体融合技术也能有效的改良生物的性状。然而成果或效益必须从成品来体现,基因重组和细胞融合获得的微生物新品种,必须进行微生物发酵和产物的分离纯化过程,使之获得产品和经济效益才能体现出生物工程的优越性。可见基因工程和细胞工程部分成果离开发酵过程就无法最终体现出它的新的生命力。至于酶工程,目前多数具有工业化意义的酶基本上都是微生物发酵获得的。离开发酵过程,酶工程将成为无本之木,因此,酶工程与发酵工程有着十分密切的依赖关系。所以,发酵工程是生物技术产业化的基础和归宿,是生物工程四
7、大支柱的核心,无论传统发酵产品,如抗生素、氨基酸等,还是现代基因工程产品,如疫苗、人体蛋白质等,都需要通过发酵技术进行生产。,生物技术 发酵工程,三、生物反应过程的特点1.生物反应过程其实质就是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程,组成部分:(1)原料的预处理及培养基的制备(2)生物催化剂的制备(3)生物反应器及反应条件的选择(4)产品的分离与纯化辅助部分:生物催化剂:如果是酶,通常叫酶反应过程如果是生物细胞,则叫做发酵过程,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,实验室过程,发 酵 工 程 利用微生物进行产品生产,抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥
8、料等,医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业,基因工程药物、疫苗及抗体产品,化学工程 生物化工 生物加工行业,传统生物技术,现代生物技术基因工程菌发酵,生物反应过程的特点:通常在常温常压下进行,一种设备有多种用途;通常以糖蜜、淀粉为主要原料,无毒,不必精制;反应以生命体的自动调节方式进行,因此数十个反应过程就象单一反应一样,在发酵罐内进行;容易得到复杂的高分子化合物;由于生命体特有的反应机制,能够高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的氧化、还原及官能团的导入等反应;制造发酵产物的菌体本身就是发酵产品,富含维生素、氨基酸、酶等;发酵工业操作上必须防止杂菌污染;通过微生物的品种改良,能够利用原有
9、的设备及生产条件提高产品质量及产量。,四、生物工艺过程的共性(1)如何选择作为培养基成分的碳源、氮源、微量元素及生长因子等。(2)如何确定发酵级数,各级的培养条件、过程控制的参数。(3)如何防止生产过程的杂菌污染,保证生产过程的正常进行。(4)如何选择合适的产品提取、分离、纯化工艺。,五、微生物工业产品类型(发酵工程的应用)1、以微生物细胞为产物的发酵工业2、以微生物酶为产品的发酵工业3、以微生物代谢产物为产品的发酵工业4、生物转化或修饰化合物的发酵工业5、微生物特殊机能的利用,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
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