生化反应工程绪论.ppt

生物化学反应工程生物化学反应工程Biochemical Reaction Engineering东华大学生物科学与技术研究所东华大学生物科学与技术研究所张兴群张兴群20092009年年0909月月第一章第一章绪绪论论Ch 1 Introduction生物技术经济时代的生化反应工程生物技术经济时代的生化反应工程知识经济时代知识经济时代 六大技术组成的高技术群支撑：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、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。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；生物技术是六大高新技术之首；生物技术是世界各国普遍关注和重视生物技术是世界各国普遍关注和重视 的热点。的热点。2005年全球生物技术产业总产值年全球生物技术产业总产值633.1亿美元，增长亿美元，增长了了15.9%，投资高达，投资高达320亿美元，其中美国为亿美元，其中美国为147亿亿美元。美元。都市区名称都市区名称所在州所在州波士顿波士顿-渥斯特渥斯特-劳伦斯劳伦斯马萨诸塞州马萨诸塞州旧金山旧金山-奥克兰奥克兰-圣何塞圣何塞加利福尼亚州加利福尼亚州圣迭戈圣迭戈加利福尼亚州加利福尼亚州洛丽洛丽-杜郎杜郎北卡罗来纳州北卡罗来纳州西雅图西雅图-塔柯玛塔柯玛-布雷默顿布雷默顿华盛顿州华盛顿州纽约纽约-北新泽西北新泽西-长岛长岛纽约州、新泽西州纽约州、新泽西州费城费城-威明顿威明顿-大西洋城大西洋城宾西法尼亚州宾西法尼亚州洛杉矶洛杉矶-河滨河滨-佶县佶县加利福尼亚州加利福尼亚州华盛顿华盛顿-巴尔的摩巴尔的摩哥伦比亚特区、马里兰州哥伦比亚特区、马里兰州美国美国9大生物技术产业集群大生物技术产业集群中国政府高度重视生物产业发展。中国政府高度重视生物产业发展。2009年年6月，国务院常务会月，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。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，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，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。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、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环境污染、人类健康等的解决具有极重要的作用。重要的作用。The Biotechnology CenturyThe Biotechnology CenturyBiochemicalengineeringmaybelooselydefinedastheuseoflivingorganisms,orpartofthem(forexample,enzymes),fortheproductionofchemicalorbiologicalmaterialsorthedevelopmentofnewprocesses.化学化学生物生物 生物化学反应工程生物化学反应工程生物化学工程工程化学工程生物工程生物化学反应工程生物化学反应工程基因工程现代生物技术产业化ABriefHistoryofBiochemicalengineering经验生化工程时期（人类出现到经验生化工程时期（人类出现到19世纪中期）世纪中期）近代生化工程建立时期近代生化工程建立时期（19世纪世纪50年代到年代到20世纪世纪40年代）年代）近代生化工程全盛时期近代生化工程全盛时期（20世纪世纪40年代到年代到20世纪世纪70年代末）年代末）现代生化工程建立和发展时期现代生化工程建立和发展时期（从（从20世纪世纪70年代末开始）年代末开始）公元前公元前40003000年：年：酒、醋（酒、醋（vinegar=vin+nargre）酿造酿造（埃及人）（埃及人）公元前公元前2000年：年：葡萄酒酿造葡萄酒酿造（希伯来人）（希伯来人）公元前公元前60005000年：中国开始酿酒年：中国开始酿酒公元前公元前25世纪：黄帝与岐伯谈论醴世纪：黄帝与岐伯谈论醴夏代：仪狄酿酒夏代：仪狄酿酒公元前公元前14世纪：世纪：若作酒醴，尔唯曲蘖若作酒醴，尔唯曲蘖（诗经）（诗经）远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料了醇香可口的饮料人类最早发明的酒人类最早发明的酒丰丰富富多多彩彩的的酒酒文文化化(微生物微生物)发酵发酵我国古代的酿酒作坊我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）（四川新都县出土的汉代画像）公元前公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）丰富多彩丰富多彩的酒文化的酒文化16世纪发明显微镜。世纪发明显微镜。1897年年Buchner提出酶理论，对提出酶理论，对发酵机制开始认识。发酵机制开始认识。发发酵酵：有机化合物能同时作为电子供体和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。最终电子受体并产生能量的过程。（生物化学）（生物化学）微生物在无外源电子受体时，通过部微生物在无外源电子受体时，通过部分分氧化有机化合物而获得产物并释放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）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任何通过大规模培养微生物来生产产品的过程品的过程生化工程的几个重要转折点生化工程的几个重要转折点第一个转折点第一个转折点：非食品工业非食品工业(酒精发酵酒精发酵)甘油发酵：第一次世界大战，德国，酵母甘油发酵：第一次世界大战，德国，酵母发酵生产甘油。当时每月生产发酵生产甘油。当时每月生产1000T。目前，美国仍采用耐目前，美国仍采用耐高渗酵母大规模生产甘油。高渗酵母大规模生产甘油。酵母菌的三型发酵：酵母菌的三型发酵：酵母的第一型发酵酵母的第一型发酵(酵母菌的乙醇发酵酵母菌的乙醇发酵)乙醇发酵过程只在乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。乙醇脱氢酶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。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，结果原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2 2分子乙分子乙醛间发生歧化反应，生成醛间发生歧化反应，生成1 1分子乙醇和分子乙醇和1 1分子乙酸；分子乙酸；CHCH3 3CHO+HCHO+H2 2O+NADO+NAD+CH CH3 3COOH+NADH+HCOOH+NADH+H+CHCH3 3CHO+NADH+HCHO+NADH+H+CH CH3 3CHCH2 2OH+NADOH+NAD+此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-3-磷酸甘油醛脱下磷酸甘油醛脱下的氢而生成的氢而生成 -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。成甘油。2 2葡萄糖葡萄糖 2 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO+2CO2 2酵母菌的第二型发酵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：第二个转折点：青霉素青霉素抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业奠定了微生物发酵规模化的基础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：液体深层培养需解决的两个问题：供供氧：氧：高效通气搅拌供氧问题，高效通气搅拌供氧问题，无菌空气过滤技术无菌空气过滤技术纯种培养：纯种培养：大型发酵罐培养基灭菌技术，大型发酵罐培养基灭菌技术，发酵罐防杂菌污染技术等发酵罐防杂菌污染技术等目前，大型化、高效、自动化、多样化。目前，大型化、高效、自动化、多样化。基本操作模式没有变基本操作模式没有变第三个转折点：第三个转折点：切断支路代谢转折点，切断支路代谢转折点，酶活力调控，酶合成调控（反馈控酶活力调控，酶合成调控（反馈控制与反馈阻遏）制与反馈阻遏）解除菌体自身的解除菌体自身的反馈调节，特殊调节控制的利用，反馈调节，特殊调节控制的利用，突变株的应用，前体、终产物、副突变株的应用，前体、终产物、副产物等。产物等。氨基酸发酵工业（氨基酸发酵工业（Glu、Lys）。）。核酸发酵工业（肌苷、鸟苷）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。胞内的一系列生化反应过程。发酵的人工控制发酵的人工控制目的目的最大限度的积累对人类有用的代谢产物最大限度的积累对人类有用的代谢产物措施措施改变微生物细胞膜的通透性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）改变微生物的遗传特性（诱变、重组等）控制发酵条件（如温度、控制发酵条件（如温度、pH、O2等）等）发酵发酵概概念念通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程过程种种类类1 1、固体发酵和液体发酵、固体发酵和液体发酵2 2、抗生素发酵、维生素发酵、氨基、抗生素发酵、维生素发酵、氨基 酸发酵等酸发酵等3 3、需氧发酵和厌氧发酵、需氧发酵和厌氧发酵代谢的人工控制代谢的人工控制改变膜的透性改变膜的透性改变细胞膜改变细胞膜的透性，使的透性，使谷氨酸迅速谷氨酸迅速排放到细胞排放到细胞外面，解除外面，解除谷氨酸的抑谷氨酸的抑制作用。制作用。抑制抑制葡萄糖葡萄糖中间产物中间产物-酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶NH4+谷谷氨氨酸酸棒棒状状杆杆菌菌 合合成成谷谷氨氨酸酸的的途途径径抑制抑制黄色短杆菌合成赖黄色短杆菌合成赖氨酸的途径氨酸的途径天冬氨酸天冬氨酸中间产物中间产物中间产物中间产物高丝氨酸高丝氨酸甲硫甲硫氨酸氨酸苏氨酸苏氨酸赖氨酸赖氨酸天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶脱氢酶+v利用诱变育利用诱变育种等方法，选种等方法，选育不能合成高育不能合成高丝氨酸脱氢酶丝氨酸脱氢酶的菌种用于生的菌种用于生产产.代谢的人工控制代谢的人工控制改变遗传特性改变遗传特性O O2 2：如：酵母菌在有氧条件下大量繁殖，在无氧条如：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。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。成的产物是乳酸或是琥珀酸。C C：N N 如在谷氨酸发酵过程中，当培养基中如在谷氨酸发酵过程中，当培养基中C C：N=4 N=4：1 1时，菌体大量繁殖而产生谷氨酸少；时，菌体大量繁殖而产生谷氨酸少；当当C C：N=3N=3：1 1时，菌体繁殖受抑制而合成谷氨时，菌体繁殖受抑制而合成谷氨 酸多酸多代谢的人工控制代谢的人工控制改变发酵条件改变发酵条件近代转折点：近代转折点：基因、动物、海洋。基因、动物、海洋。增加微生物控制代谢产物产量的基因增加微生物控制代谢产物产量的基因拷贝数，提高产量；拷贝数，提高产量；构建基因工程菌株；构建基因工程菌株；转基因动、植物；转基因动、植物；海洋微生物技术。海洋微生物技术。海洋：复杂的生态大系统、环境条件复杂多变海洋：复杂的生态大系统、环境条件复杂多变、孕育了约、孕育了约陆地微生物陆地微生物20倍以上的海洋微生物物种倍以上的海洋微生物物种组合生物合成组合生物合成：根据微生物的多样性和：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。酶体系来生产人类需要的物质。TraditionalBiochemicalengineeringModern1.1.目前能广泛接受的目前能广泛接受的-国际合作及发展组织的定义国际合作及发展组织的定义 生生物物技技术术是是应应用用自自然然科科学学及及工工程程学学的的原原理理，依依靠靠微微生生物物、动动物物、植植物物体体作作为为反反应应器器将将物物料料进进行行加加工工以以提提供供产产品品来来为为社社会服务的技术。会服务的技术。从这个定义中，可归纳出生物技术三个特点：从这个定义中，可归纳出生物技术三个特点：1 1）生物技术的）生物技术的多学科性和综合性多学科性和综合性 2 2）微生物、动植物体或酶作为催化剂，有别于化学催化剂微生物、动植物体或酶作为催化剂，有别于化学催化剂 3 3）最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过程，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（即生物反应过程（BioprocessBioprocess）。）。现代生物技术现代生物技术 2 2、现代生物技术的产生、现代生物技术的产生 （19531953）WatsonWatson和和Crick-Crick-发现了发现了DNADNA双螺旋结构双螺旋结构 -奠定了现代分子生物学的基础奠定了现代分子生物学的基础 （19731973）BoyerBoyer和和Cohen-Cohen-发明了发明了DNADNA目的基因重组技术目的基因重组技术 -DNA -DNA重组技术在很大程度上得益于分子生物学、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微生物遗传学和核酸酶学等领域的发展 反过来反过来DNADNA重组技术的逐步成熟和发展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对生命科学的许多领域产生了革命性的影响 -成为成为2020世纪以来发展最快的学科之一世纪以来发展最快的学科之一 -而受而受DNADNA重组技术影响最为深刻的是生物技术，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现代生物技术是随着DNADNA重组技术的发展而提出来重组技术的发展而提出来3.3.对现代生物技术的理解对现代生物技术的理解 现代生物技术现代生物技术-是如何利用是如何利用DNADNA重组技术重组技术 -把它作为有效手段把它作为有效手段 -并非并非DNADNA重组技术就是现代生物技术重组技术就是现代生物技术 仅仅有仅仅有DNADNA重组技术实现不了生物技术的产业化重组技术实现不了生物技术的产业化4.4.现代生物技术的内涵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：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）：现代生化工程（生物技术）：以以DNA重组为主要手段，依靠清洁、经济的生重组为主要手段，依靠清洁、经济的生物反应器（物反应器（bioreactor）,利用可再生性资源利用可再生性资源（renewableresource）加工人类所需产品的具有）加工人类所需产品的具有可持续发展可持续发展（sustainabledevelopment）特性）特性的技术。的技术。几个概念之间的异同：几个概念之间的异同：国外，生物工程（国外，生物工程（bioengineering）一般指医学工程一般指医学工程（medicalengineering）、）、农业工程（农业工程（agriculturalengineering）、）、环境工程（环境工程（environmentalengineering）、）、卫生工程（卫生工程（sanitaryengineering）、）、人体功能工程（人体功能工程（bodyfunctionengineering）等的总称，等的总称，特点是不涉及化学催化反特点是不涉及化学催化反应（应（chemocatalyticreaction）过程，过程，而仅仅是生物过程而仅仅是生物过程（biologicalprocess）与物理过程（与物理过程（physicalprocess）的结的结合。生物技术（合。生物技术（biotechnology，又名生物工艺学）则涉及又名生物工艺学）则涉及的是的是生物催化反应（生物催化反应（biocatalyticreaction）过程过程。国外已经。国外已经将生物技术与生物工程区分开。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。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出高效、合理的具有一定结构的技术系统（technologicalsystem）；）；而技术（而技术（technique）泛泛指根据生产实践和科学原理发展而成各种工艺操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。作方法和技能。生物技术的多学科性示意图生物技术的多学科性示意图1 1、产业化、产业化（Industrialization）-技术创新和商业化过程技术创新和商业化过程 -目标产品质量目标产品质量-市场需求市场需求 -可商业化程度可商业化程度2 2、生物技术产业化、生物技术产业化-当今生物高技术研究成果的必然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）涉及领域极其广泛（太空、海洋）3 3、生化工程重点研究生物技术产业化过程中瓶颈问题、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生物化学工程与生物技术上中下游关系1 1、生物技术的上、中、下游过程、生物技术的上、中、下游过程生物反应器生物反应器-作为生物反应过程的中心作为生物反应过程的中心 即中游加工即中游加工 -反应前与后的工序称为上游加工和下游加工反应前与后的工序称为上游加工和下游加工l l上游加工上游加工-最重要的是提供和制备高产优质和足够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得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等FERMENTATIONProcessControlBiotechnology上游工程上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAMPROCESSES生物技术组成从广义上讲，由三部分组成：从广义上讲，由三部分组成：上游工程、中游工程、下游工程UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell-inoculumdevelopment-mediaformulation-sterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程上游工程BiotechnologyDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatment-byproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程下游工程TheratioofrecoverytofermentationcostsforL-asparaginase:3.0ethanol:0.16Biotechnology菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验l l下游加工下游加工-从反应液中提取目的产物从反应液中提取目的产物加工精制加工精制成成合格产品合格产品l l中游加工中游加工-生物反应器为中心生物反应器为中心生物化学工程生物化学工程-包括中、下游两部分包括中、下游两部分生物化学工程学科生物化学工程学科-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生化工程为生物学和化学工程的纽带1 1、基本概念、基本概念科学科学-探讨是什么？发现自然规律、认识自然探讨是什么？发现自然规律、认识自然技术技术-解决如何做？解决如何做？工程工程-根据科学原理和有关技术，组合出高效、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工程概念理解与生物化学工程2 2、工程学家的角色、工程学家的角色 科学科学-粘合剂粘合剂 技术技术-各种材料各种材料 工程学家象艺术家一样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把七个音符组合出优美的乐曲 工艺品或乐曲工艺品或乐曲-必须具有市场必须具有市场 -产生经济价值产生经济价值 -要有经济学家的头脑要有经济学家的头脑 要把科学原理、技术和经济综合考虑要把科学原理、技术和经济综合考虑 -也有哲学家的思维也有哲学家的思维 工程学家工程学家-组合艺术组合艺术 总之，工程学家总之，工程学家 -即要具有艺术家的眼光即要具有艺术家的眼光 -又要有哲学家的思维又要有哲学家的思维 -还要有经济学家的头脑还要有经济学家的头脑 -同时具有科学家的知识同时具有科学家的知识 说明工程学家说明工程学家-重要重要 不容易不容易 3 3、科学与工程发展历程、科学与工程发展历程 科学最早由哲学家提出科学最早由哲学家提出 -进行研究进行研究-得出规律得出规律-成为科学。成为科学。而工程学是慢慢的发展而来的而工程学是慢慢的发展而来的 4 4、自然科学家与工程科学家的比较、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 -分解的观点分解的观点 工程师面对实际问题的综合性的、多学科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、半经验性的靠工程技术经验，半理论、半经验性的 -系统性、整体性的观点系统性、整体性的观点生命现象的本质？生命现象的本质？生命活动的规律？生命活动的规律？19191919世纪：世纪：世纪：世纪：细胞是生命细胞是生命的基本单位的基本单位 细胞学说：细胞学说：细胞学说：细胞学说：细细细细胞胞胞胞是是是是动动动动植植植植物物物物结结结结构构构构和和和和功能的基本单位，功能的基本单位，功能的基本单位，功能的基本单位，一一一一切切切切生生生生命命命命现现现现象象象象都都都都是是是是以以以以细胞为基础表达的细胞为基础表达的细胞为基础表达的细胞为基础表达的生命本质理解与生物化学工程生命本质理解与生物化学工程遗传密码蛋白质三维结构基因转录线性多肽链（无功能活性）翻译生命活动的分子基础生命活动的分子基础生命活动的分子基础生命活动的分子基础以核酸和蛋白质为中心的生物大分子是生命现象的共同物质基础，以核酸和蛋白质为中心的生物大分子是生命现象的共同物质基础，细胞和有机体所有生命活动都是以这些生物大分子及其复合物的细胞和有机体所有生命活动都是以这些生物大分子及其复合物的结构、运动和相互作用来实现的。结构、运动和相互作用来实现的。结构与功能结构与功能分子生物学：分子生物学：2121世纪生物学的主流世纪生物学的主流生命是什么？生命是什么？无序与有序问题 在自然科学中，生命科学在自然科学中，生命科学-非生命科学非生命科学 一直存在一条鸿沟一直存在一条鸿沟 非生命过程非生命过程-按照克劳修斯热力学第二定律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，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。而熵的增大意味着混乱度的升高。生命过程生命过程-整个自然界永远只能从有序走向无序，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。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这就激励许多理论物理学家研究生命现象 如如4040年代理论物理学家薛定鄂年代理论物理学家薛定鄂-生命是什么生命是什么 -指出生命过程是熵减少，是负熵。指出生命过程是熵减少，是负熵。6868年比利时年比利时 普里高津普里高津-从非平衡热力学理论出发从非平衡热力学理论出发 -提出耗散结构理论提出耗散结构理论 -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时间可逆与不可逆问题-非线性问题非线性问题 牛顿力学的牛顿力学的“决定论决定论”和严格的和严格的“因果关系因果关系”-影响到自然科学的全部思维方式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解决了自然科学许多重大课题 -又发展了量子论和相对论又发展了量子论和相对论-引向微观世界和整个宇宙。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 在生命科学中在生命科学中-时间不可逆时间不可逆 -一切生物从出生到死亡是不可逆的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，是单方向的也就是说时间是不可逆的，是单方向的 为什么？为什么？-主要是由于生命科学极其复杂的主要是由于生命科学极其复杂的-非线性过程非线性过程 -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题，是生物系统所固有的动态属性 非线性非线性-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生命的本质问题 因此，生命科学的基本特征因此，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。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，生物学是一门最广、最古老，但也是年轻的学科，-古老古老-仍是生与死的问题仍是生与死的问题 -年轻年轻-是典型的非线性问题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：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）。程（生化工程）。分类：分类：生物催化剂是酶：生物催化剂是酶：酶反应过程酶反应过程生物催化剂是生物细胞：发酵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：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原材料的预处理及培养基的制备生物催化剂的制备生物催化剂的制备生物反应器及反应条件的选择生物反应器及反应条件的选择产品的分离纯化产品的分离纯化生物反应过程（生物反应过程（bioprocess）的特点：）的特点：生物反应过程的特点：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，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。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。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，可在单一设备的，多个反应像一个反应一样，可在单一设备 中进行；中进行；易于进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、易于进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学活性体等光学活性体等 能高度选择性地进行复杂化合物在特定部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；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；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。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。生产能力飞跃上升。生物过程工程（生物过程工程（bioprocessengineering）基本概念）基本概念 尽管生物过程所生产的产品性质（尽管生物过程所生产的产品性质（product characteristicsproduct characteristics）、）、加工方法（加工方法（processing methodprocessing method）、工艺流程（）、工艺流程（technological technological flowflow）以及设备型式（）以及设备型式（equipment typeequipment type）等完全不同，甚至差）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。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：工程理念：工程学：研究工业生产过程系统规律性的科工程学：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。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据此，对待任何工程问题，均需有以下四种工程理念（理念（engineeringthought）：）：理论上的正确性（理论上的正确性（validtheory）技术上的可行性（技术上的可行性（technicalfeasibility）操作上的安全性（操作上的安全性（safetyoperation）经济上的合理性（经济上的合理性（economicalrationality）（）（核心）核心）生物反应过程应关注的普遍性问题：生物反应过程应关注的普遍性问题：目的产物中心观点目的产物中心观点能量最小的观点能量最小的观点细胞经济与生产经济矛盾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目的产物中心的观点为提高产物对原料的转化率（为提高产物对原料的转化率（transformationrate），），要求关注要求关注生物反应代谢过程生物反应代谢过程和和培养产物分离纯化培养产物分离纯化两个方面。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。）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（对于后者的单元操作，应根据质量守恒定律（lawofmassconservation）对目的产物进行物料衡算。以此去分）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：析和解决单元操作集成问题。即：输入的产物量输入的产物量输出的产物量目的产物损失输出的产物量目的产物损失能量最小的观点能量最小的观点在细胞代谢（在细胞代谢（cellmetabolism）和生产过程）和生产过程中均消耗一定能中均消耗一定能量，并以不同形式提供。对于细胞代谢，生物能（量，并以不同形式提供。对于细胞代谢，生物能（biologicalenergy）是细胞独立自主生活的基础，每个细胞都有能量转换）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（控制细胞代谢中，可通过减少支流途径（by-passpath）的能）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。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（对于生产过程，可根据能量守恒定律（lawofenergyconservation）和能量系统集成（）和能量系统集成（integratedenergysystem）技术进行衡算，减少生产过程中的能量消耗。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细胞经济与生产经济矛盾的观点生物进化（生物进化（biologicalevolution），细胞形成了越来越完），细胞形成了越来越完善的代谢调节（善的代谢调节（metabolicregulation）机制，使细胞内复杂）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（产物（metabolites）积累。）积累。细胞经济（细胞经济（celleconomy）。）。细胞过量生产目的产物对细胞来讲不经济。要获得细胞代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表达代谢产物的细胞是“病态病态”细胞。工业上利用细胞。工业上利用“病态病态”细胞的不经济性生产对人类经济的产品。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：生化工程中涉及到的工程学基本概念：恒算概念恒算概念 速率概念速率概念 最优化概念最优化概念 技术经济概念技术经济概念 上游生物技术工程化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细胞代谢和培养工艺过程一体化概念衡算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此概