生物工艺学概论.ppt

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1、欢迎大家光临欢迎大家光临2005年1月山东轻工业学院食品与生物工程学院山东轻工业学院食品与生物工程学院生物工艺学教学大纲生物工艺学教学大纲n第一章第一章 绪论绪论 2n第二章第二章 生物工业菌种生物工业菌种 1n第三章第三章 厌氧发酵机制厌氧发酵机制 1n第四章第四章 好氧发酵机制好氧发酵机制 2n第五章第五章 生物反应动力学生物反应动力学 4n第六章第六章 生物工艺过程控制生物工艺过程控制 6第一章第一章 绪论绪论n一、生物工艺学的定义和特点一、生物工艺学的定义和特点n生物工艺学的概念生物工艺学的概念（又称生物技术，又称生物技术，biotechnology）n生物技术这个名词首先是由匈牙利生

2、物技术这个名词首先是由匈牙利工程师工程师Karl Ereky于于1917年提出年提出的，其含义为：用甜菜作为饲料进的，其含义为：用甜菜作为饲料进行大规模养猪。行大规模养猪。（一）生物工艺学（一）生物工艺学n是根据生物学、化学和工程学的原理进是根据生物学、化学和工程学的原理进行工业规模的经营和开发微生物、动植行工业规模的经营和开发微生物、动植物细胞及其亚细胞组分，进而利用生物物细胞及其亚细胞组分，进而利用生物体所具有的功能元件（如基因、蛋白质体所具有的功能元件（如基因、蛋白质等）来提供商品或社会服务的一门综合等）来提供商品或社会服务的一门综合性科学技术。性科学技术。基因工程基因工程细胞工程细胞工

3、程发酵工程发酵工程酶工程酶工程生化工程生化工程(仿生生物工程仿生生物工程)产业化重点产业化重点优质高产农业新品种优质高产农业新品种生物芯片生物芯片生物反应器生物反应器生物技术新型药物和疫苗生物技术新型药物和疫苗人体组织（器官）工程人体组织（器官）工程计划攻关计划攻关的关键技术的关键技术生物工程技术生物工程技术基因操作技术基因操作技术生物信息技术生物信息技术现代农业技术现代农业技术二二 生物工艺学的特点生物工艺学的特点n多学科性多学科性n反应中需有生物催化剂（反应中需有生物催化剂（biocatalyst）n建立工业生产过程或进行社会服务，这建立工业生产过程或进行社会服务，这一过程可称为生物反应过

4、程。一过程可称为生物反应过程。n二、国内外生物技术产业的发展现状二、国内外生物技术产业的发展现状n美国、日本、欧洲等主要的发达国家和美国、日本、欧洲等主要的发达国家和地区竞相开展生物技术的研究和开发工地区竞相开展生物技术的研究和开发工作，许多国家和机构纷纷建立了独立的作，许多国家和机构纷纷建立了独立的政府机构，成立了一系列的生物技术政府机构，成立了一系列的生物技术生物学生物学化学化学工程学工程学生物生物化学化学生物生物工程工程生物生物技术技术化学化学工程工程n研究组织，制定了研究组织，制定了2010年或年或2020年的年的中长期计划。成功地开发了诸如促红细中长期计划。成功地开发了诸如促红细胞生

5、成素（胞生成素（EPO）、粒细胞集落刺激因）、粒细胞集落刺激因子（子（G-CSF）等一批基因工程药物，取）等一批基因工程药物，取得了巨大的经济效益。得了巨大的经济效益。n1978年，美国年，美国Genentech公司的科学公司的科学家们成功地把编码人胰岛素的两条链的家们成功地把编码人胰岛素的两条链的基因转到一个载体上，并在大肠杆菌中基因转到一个载体上，并在大肠杆菌中获得表达。获得表达。n1980年至年至1983年间，仅在美国就成立年间，仅在美国就成立了约了约200家生物技术公司，到家生物技术公司，到1985年，年，已发展到已发展到400多家，现已达多家，现已达1500多家；多家；欧洲也有欧洲也

6、有800多家；日本有多家；日本有300多家。多家。n我国是最早利用生物技术的国家之一。我国是最早利用生物技术的国家之一。现已成为世界发酵产品市场的重要竞争现已成为世界发酵产品市场的重要竞争者。多种发酵产品的产量和出口量剧者。多种发酵产品的产量和出口量剧n增，其中柠檬酸（增，其中柠檬酸（citricacid）的生）的生产工艺和技术达世界先进水平，产产工艺和技术达世界先进水平，产量居世界首位。量居世界首位。n未来，我国高技术将着眼于解决事未来，我国高技术将着眼于解决事关国家长远发展和国家安全的战略关国家长远发展和国家安全的战略性、前沿性和前瞻性问题，发展自性、前沿性和前瞻性问题，发展自主知识产权高

7、技术，培育产业新的主知识产权高技术，培育产业新的增长点，争取增长点，争取5 51010年时间使生物年时间使生物n技术进入世界先进行列，成为国民技术进入世界先进行列，成为国民经济的支柱产业之一经济的支柱产业之一n 三、生物反应过程的特点三、生物反应过程的特点n 常温条件下进行，操作条件温和。常温条件下进行，操作条件温和。一种设备多种用途。原料不含有毒物质。一种设备多种用途。原料不含有毒物质。n 可在单一设备中进行可在单一设备中进行n容易进行复杂的高分子化合物的生产。容易进行复杂的高分子化合物的生产。细胞（细胞（cell)-酶（酶（enzyme）生物催化剂生物催化剂（biocatalyst）生物反

8、应器生物反应器 检测检测 控制控制（monitor）无菌无菌 空气空气（sterilized air)提取提取（extract）产品（产品（product）副产品（副产品（by product）残渣（残渣（residue）（bioreactor）灭菌（灭菌（sterilizing）热（热（heat）经加工的原材料（经加工的原材料（processed material）原料原料 底物底物 培养基培养基(medium)营养物营养物（nutrient）n能够高度选择性地进行复杂化合物能够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、在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团的导入等。官能团的

9、导入等。n生产产品的生物体本身也是产物。生产产品的生物体本身也是产物。n生产过程中需注意防止杂菌污染生产过程中需注意防止杂菌污染n通过改良生物体生产性能，利用原通过改良生物体生产性能，利用原有的生产设备使生产能力大幅度提有的生产设备使生产能力大幅度提高。高。n 四、微生物产品类型四、微生物产品类型微生物菌体发酵微生物菌体发酵微生物酶发酵微生物酶发酵微生物代谢产物发酵微生物代谢产物发酵微生物的生物转化：特异性强微生物的生物转化：特异性强微生物特殊机能的利用微生物特殊机能的利用以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的特点：细胞的生长与产物的积累呈平行关系特点

10、：细胞的生长与产物的积累呈平行关系初级代谢产物初级代谢产物次级代谢产物：与菌体生长繁殖无明显次级代谢产物：与菌体生长繁殖无明显关系，在菌体生长的稳定期合成关系，在菌体生长的稳定期合成菌体生长所必需的产物菌体生长所必需的产物对数生长期产生的物质对数生长期产生的物质五、生物技术发展简史生物技术发展简史n传统生物技术的追溯传统生物技术的追溯n最原始的啤酒出自居住于两河流域最原始的啤酒出自居住于两河流域的苏美尔人之手的苏美尔人之手,距今至少已有距今至少已有9000 多年的历史多年的历史.我国古代的原始我国古代的原始啤酒也有啤酒也有4000至至5000年的历史了。年的历史了。n 初期代谢产品的出现初期代

11、谢产品的出现n荷兰的荷兰的LeeuwenhoekLeeuwenhoek制作了世界上制作了世界上Antony van Leeuwenhock (1632-1723)n第一台第一台显微镜，人们认识了微生物。显微镜，人们认识了微生物。n19世纪世纪60年代，法国科学家巴斯德首先年代，法国科学家巴斯德首先证实酒精发酵是由酵母引起的，由此建证实酒精发酵是由酵母引起的，由此建立了纯种培养技术。立了纯种培养技术。n1897年，德国人毕希纳发现了酶。年，德国人毕希纳发现了酶。Louis Pasteur(1822 1895)n19世纪末到世纪末到20世纪世纪2030年代，年代，发酵工业过程陆续出现。发酵工业过程

12、陆续出现。n近代生物产品的出现近代生物产品的出现n出现于出现于20世纪世纪40年代的抗生素；年代的抗生素；50年代的氨基酸工业和年代的氨基酸工业和60年代酶制剂年代酶制剂工业、有机酸工业的发展，使产品工业、有机酸工业的发展，使产品多样化多样化n现代生物技术产品的挑战现代生物技术产品的挑战n随着现代生物技术随着现代生物技术DNADNA重组技术重组技术 和原生质体融合技术的出现与发展和原生质体融合技术的出现与发展现代生物技术产品应运而生。现代生物技术产品应运而生。n十九世纪，人们就已经发现了蛋白十九世纪，人们就已经发现了蛋白质。到二十世纪初，组成蛋白质的质。到二十世纪初，组成蛋白质的2020种氨基

13、酸被相继发现。种氨基酸被相继发现。FisherFishern 二十世纪初，美国遗传学家二十世纪初，美国遗传学家MorganMorgan提出了基因学说。他指出：提出了基因学说。他指出：种种质必须由独立的要素组成，我们把这质必须由独立的要素组成，我们把这些要素称为遗传因子，或者简单地称些要素称为遗传因子，或者简单地称为基因。为基因。n还论证了连接相邻氨基酸的还论证了连接相邻氨基酸的“肽键肽键”的形成。细胞的其他成分，的形成。细胞的其他成分，如脂类、糖类和核酸也相继被认如脂类、糖类和核酸也相继被认识和部分纯化。识和部分纯化。n19101910年，德国科学家年，德国科学家KosselKossel首首先

14、先n19531953年年WatsonWatson和和CrickCrick提出提出DNADNA右手右手双螺旋模型（相关文章发表于双螺旋模型（相关文章发表于NatureNature杂志），于杂志），于19621962年和年和WilkinsWilkins共享诺贝尔生理医学奖。共享诺贝尔生理医学奖。n 分离得到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组分离得到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸氨酸James Watson(23y)丹麦丹麦 哥本哈根哥本哈根Francis Crick(35y)剑桥大学剑桥大学 Cavendish Lab.n同年，同年，SangerSanger首次阐明了胰岛素的首次阐明了胰岛素的一级结构，开创了蛋白

15、质序列分析一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河，他于的先河，他于19581958年获诺贝尔化学年获诺贝尔化学奖。奖。n19541954年年CrickCrick提出遗传信息传递的中提出遗传信息传递的中心法则。心法则。n19551955年年,Sanger(,Sanger(英英)确定牛胰岛素确定牛胰岛素的一级结构的一级结构n19581958年，年，MeselsonMeselson和和StahlStahl提出了提出了DNADNA的半保留复制。的半保留复制。n19651965年年,首次人工合成结晶牛胰岛素首次人工合成结晶牛胰岛素-中国中国n19721972年年1010月，保罗月，保罗伯格（伯格（Paul

16、 Paul BergBerg）Boyer Boyer等人创建了第一个重等人创建了第一个重n组组DNADNA分子（发表于美国国家科学分子（发表于美国国家科学院院报）院院报）n19731973年年,基因重组技术建立基因重组技术建立.(.(美美)n1985年年12月月，Mullis发明了发明了PCR技术技术(发表于发表于Science)。1993年年Mullis与第一个设计定与第一个设计定点突变的点突变的Smith共享了诺贝尔化共享了诺贝尔化学奖。学奖。n1988年沃森（年沃森（Waston）出任出任“人类基因组计划人类基因组计划”首席科学家，首席科学家，举世瞩目的人类基因组测序工作举世瞩目的人类基因组测序工作开始启动开始启动n1996年，酵母基因组年，酵母基因组DNA的全的全部序列测定工作完成。部序列测定工作完成。n2000年年6月月26日，人类基因组日，人类基因组工作框架图绘制完成工作框架图绘制完成六六 生物工艺原理课程的内容和任务生物工艺原理课程的内容和任务n课程的内容课程的内容n课程的任务课程的任务n教材教材生物工艺学原理生物工艺学原理 贺小贤贺小贤 主编主编 化学工业出版社化学工业出版社n主要参考资料主要参考资料新编生物工艺学新编生物工艺学 俞俊堂等俞俊堂等 主编主编微生物工艺学微生物工艺学 陈声陈声 主编主编