生物工藝學(xué)緒論優(yōu)秀課件

生物工藝學(xué)國家十一五規(guī)劃教材《生物工藝學(xué)》（邱樹毅主編）配套課件

目錄第一章緒論第二章工業(yè)微生物菌種選育、制備與保藏第三章工業(yè)培養(yǎng)基及其設(shè)計(jì)第四章生物工藝過程中的無菌技術(shù)第五章生物反應(yīng)動力學(xué)第六章發(fā)酵過程原理第七章生物反應(yīng)器及生物工藝過程的放大第八章生物反應(yīng)過程參數(shù)檢測與控制第九章生物產(chǎn)品分離及純化技術(shù)第十章生物產(chǎn)品工藝學(xué)及應(yīng)用

第一章緒論1.1生物工藝學(xué)及其研究內(nèi)容1.1.1生物工藝學(xué)定義1.1.2生物技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系1.1.3生物工藝學(xué)特點(diǎn)1.1.4生物反應(yīng)的一般過程1.1.5生物工藝學(xué)的研究內(nèi)容1.2生物技術(shù)發(fā)展簡史1.2.1傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)制造技術(shù)——天然發(fā)酵階段1.2.2純種培養(yǎng)技術(shù)的成功——初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)階段1.2.3攪拌技術(shù)成熟——好氧培養(yǎng)階段1.2.4基因重組技術(shù)的成熟——現(xiàn)代生物技術(shù)階段1.3生物技術(shù)應(yīng)用1.3.1農(nóng)業(yè)1.3.2食品工業(yè)1.3.3醫(yī)藥工業(yè)1.3.4化學(xué)冶金工業(yè)1.3.5能源工業(yè)1.3.6環(huán)境保護(hù)1.1.2生物技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系人文科學(xué)物理學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)天文學(xué)數(shù)學(xué)化學(xué)生物學(xué)農(nóng)學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)心理學(xué)生物物理學(xué)生物化學(xué)生物數(shù)學(xué)宇宙生物學(xué)人工智能學(xué)植物生理學(xué)育種學(xué)昆蟲學(xué)植物病理學(xué)人體及動物生理學(xué)藥理學(xué)病理學(xué)生物工程學(xué)生物材料生物傳感器生物能源生物信息學(xué)生物技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系樹1.1.3生物工藝學(xué)特點(diǎn)(1)是一門綜合性學(xué)科。它是生物學(xué)(包括生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物學(xué)等)、化學(xué)、工程學(xué)(包括化學(xué)工程，機(jī)械工程等)等多學(xué)科的交叉與綜合。(2)采用生物催化劑。與化學(xué)催化劑相比，具有反應(yīng)速率快，催化選擇性高，反應(yīng)條件溫和的優(yōu)點(diǎn)，也具有易失活、穩(wěn)定性差的不足。

(3)采用可再生資源為主要原料，因而原料來源豐富，價(jià)格低廉，過程中廢物的危害性小，但由于原料成分難以控制，會給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的影響。(4)與一般化工產(chǎn)品生產(chǎn)相比，其生產(chǎn)設(shè)備比較簡單，能耗較低。但反應(yīng)器生產(chǎn)效率較低。反應(yīng)液中初產(chǎn)物濃度低，對產(chǎn)物分離提純困難。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物反應(yīng)過程的種類和規(guī)模都在不斷地?cái)U(kuò)大。目前已進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的主要有以下三種：酶催化反應(yīng)過程：采用游離酶或固定化酶為催化劑時(shí)的反應(yīng)過程，稱為酶催化反應(yīng)過程。細(xì)胞反應(yīng)過程：采用活細(xì)胞為催化劑時(shí)的反應(yīng)過程。包括微生物發(fā)酵反應(yīng)過程，固定化細(xì)胞反應(yīng)過程和動植物細(xì)胞培養(yǎng)過程。

廢水的生物處理過程：它是利用微生物本身的分解能力和凈化能力，除去廢水中污濁物質(zhì)的過程。

工業(yè)上根據(jù)微生物是單一菌種或混合菌種，把生物反應(yīng)過程分為兩類，一類是采用單一純種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，包括酶制劑、抗生素、氨基酸、核苷酸、乙醇、有機(jī)酸生產(chǎn)等，另一類是采用混合菌種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，包括發(fā)酵食品(乳酸、醬及醬油、白酒、發(fā)酵蔬菜等)、甲烷(或沼氣)生產(chǎn)、廢水處理等。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型：(1)以直接生成生物量為最終目標(biāo)產(chǎn)品。例如生產(chǎn)用于食品、醫(yī)藥的酵母及用于飼料的單細(xì)胞蛋白。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型：(2)利用微生物從簡單營養(yǎng)物質(zhì)合成有用產(chǎn)品，包括初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。如抗生素、酶制劑、氨基酸、核苷酸、有機(jī)酸、乙醇等產(chǎn)品。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型：(3)利用微生物從一些特異性前體物轉(zhuǎn)化有用的目標(biāo)產(chǎn)品。例如甾體化合物、激素類產(chǎn)品。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型：(4)利用酶制劑或非生長細(xì)胞催化合成有用的目標(biāo)產(chǎn)品。例如用青霉素?；干a(chǎn)6-氨基青霉素烷酸，葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)果葡糖漿及高果糖漿。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可將生物反應(yīng)過程分為如下五種類型：(5)利用微生物生產(chǎn)能源或轉(zhuǎn)化有害、有毒物質(zhì)。如生活及工業(yè)污水的生物處理，甲烷、乙醇生產(chǎn)等。

1.1.5生物工藝學(xué)的研究內(nèi)容生物工藝學(xué)主要研究生物反應(yīng)過程中具有普遍意義的工藝技術(shù)問題。以探討生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的共性為目的，從工藝角度闡明細(xì)胞生長和代謝產(chǎn)物與細(xì)胞的培養(yǎng)條件之間的相互關(guān)系，為生產(chǎn)過程的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

(1)工業(yè)微生物菌種的選育、制備與保藏

(2)工業(yè)培養(yǎng)基的制備及其設(shè)計(jì)(3)生物工藝過程中的無菌技術(shù)(4)生物反應(yīng)動力學(xué)(5)發(fā)酵過程原理(6)生物反應(yīng)器及生物工藝過程放大

(7)生物工藝過程中的參數(shù)檢測與控制

(8)生物產(chǎn)品分離純化技術(shù)(9)生物產(chǎn)品的工藝學(xué)我國古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫像）1.2.2純種培養(yǎng)技術(shù)的成功——初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)階段發(fā)明顯微鏡，首次觀察到微生物的存在

證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起,發(fā)明了巴氏消毒法創(chuàng)立了微生物分離、培養(yǎng)、染色技術(shù)從19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代，不少發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)。開創(chuàng)了工業(yè)微生物的新世紀(jì)。這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的發(fā)酵產(chǎn)品有乙醇、醋酸、丙酮、丁醇，食用酵母、乳酸、檸檬酸等發(fā)酵產(chǎn)品。上述產(chǎn)品的特點(diǎn)是：大多數(shù)為嫌氣發(fā)酵過程的產(chǎn)物，產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，屬于初級代謝產(chǎn)物，其生產(chǎn)通常是在敞開環(huán)境中經(jīng)發(fā)酵而進(jìn)行，控制染菌是通過細(xì)心的操作而實(shí)現(xiàn)的。生產(chǎn)過程簡單，生產(chǎn)設(shè)備相對要求不高，規(guī)模一般不大。這一時(shí)期生物技術(shù)的特點(diǎn)是：產(chǎn)品類型多，不但有初級代謝產(chǎn)物，也出現(xiàn)了次級代謝產(chǎn)物，還有生物轉(zhuǎn)化及酶反應(yīng)等產(chǎn)品；技術(shù)要求高，主要使用純種發(fā)酵，在發(fā)酵過程中通入無菌空氣；規(guī)模巨大，通風(fēng)機(jī)械攪拌罐容積可達(dá)500立方米，生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的氣升式發(fā)酵罐的容積已超過200立方米；菌種選育技術(shù)發(fā)展速度，其性能獲得了驚人的提高；在產(chǎn)品品種的更新，新技術(shù)及新設(shè)備的應(yīng)用均達(dá)到前所未有的程度，可以說，這一階段是常規(guī)發(fā)酵工業(yè)的全盛時(shí)期。1.2.4基因重組技術(shù)的成熟——現(xiàn)代生物技術(shù)階段1944年，Avery等人通過實(shí)驗(yàn)證明了DNA是遺傳物質(zhì)；1953年，Watson和Crick發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，并闡明了DNA半保留復(fù)制機(jī)制；1961年，Nirenberg等破譯了遺傳密碼；1973年，StanleyCohen等人成功進(jìn)行了DNA分子的體外重組實(shí)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌間性狀的轉(zhuǎn)移，同時(shí)還提出了“基因克隆”策略，這一研究成果標(biāo)志著基因工程從此誕生。1976年，DNA測序技術(shù)誕生；1982年，用DNA重組技術(shù)生產(chǎn)的第一個(gè)動物疫苗在歐洲獲得批準(zhǔn)；

基因工程技術(shù)的出現(xiàn)為人們提供了一種全新的技術(shù)手段，使人們可以按照意愿切割DNA，分離基因并重組后，導(dǎo)入其他生物活細(xì)胞，以改造農(nóng)作物或畜牧品種，也可以導(dǎo)入細(xì)菌以產(chǎn)生大量的有用蛋白質(zhì)或藥物、疫苗，也可以導(dǎo)入人體內(nèi)進(jìn)行基因治療，這是一項(xiàng)技術(shù)上的革命，帶動了發(fā)酵工程，酶工程，細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，形成了具有劃時(shí)代意義的現(xiàn)代生物技術(shù)。基因工程菌轉(zhuǎn)基因抗蟲棉熒光轉(zhuǎn)基因豬利用細(xì)胞工程技術(shù)對植物優(yōu)良品種進(jìn)行大量的快速無性繁殖的微繁殖技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于花卉、果樹、蔬菜、藥用植物和農(nóng)作物的快速繁殖，實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)。植物細(xì)胞培養(yǎng)可用于生產(chǎn)具有商業(yè)價(jià)值的次生代謝產(chǎn)物。

胡蘿卜快速無性繁殖利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以提高包括魚在內(nèi)的農(nóng)畜肉的產(chǎn)量和品質(zhì)，提高奶產(chǎn)量和質(zhì)量，增加動物的抗病性，科學(xué)家們已經(jīng)成功培育出轉(zhuǎn)基因羊、轉(zhuǎn)基因兔、轉(zhuǎn)基因豬、轉(zhuǎn)基因魚等多種動物新品種。此外，還可以低成本地生產(chǎn)出貴重藥物或其它生物制品，生物技術(shù)還可用于農(nóng)業(yè)快速分析和動物免疫疾病的快速診斷。轉(zhuǎn)基因超級奶牛轉(zhuǎn)基因兔子1.3.3醫(yī)藥工業(yè)醫(yī)藥生物技術(shù)是生物技術(shù)領(lǐng)域中最活躍、產(chǎn)業(yè)發(fā)展最迅速、效益最顯著的領(lǐng)域，其應(yīng)用涉及到新藥開發(fā)、新診斷技術(shù)、預(yù)防措施及新的治療技術(shù)。利用生物技術(shù)生產(chǎn)抗生素、疫苗、抗體已經(jīng)非常普遍。利用基因工程可以生產(chǎn)貴重的新型生物藥物。胰島素、人類生長激素、干擾素、生長激素抑制素、促紅細(xì)胞生成素、白細(xì)胞介素等生物藥物已經(jīng)投放市場。已有60多種重組蛋白質(zhì)應(yīng)用于治療。另有200多種正在進(jìn)一步研發(fā)。利用生物轉(zhuǎn)化合成手性藥物在近年來也取得的重大進(jìn)展。

從轉(zhuǎn)基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA1.3.6環(huán)境保護(hù)與化學(xué)工業(yè)相比，生物技術(shù)生產(chǎn)，不僅節(jié)約能源還可以減輕