第六章 生化工程

第六章生化工程第一節(jié)緒論生化工程的定義及與其他學科的關(guān)系生化工程研究的主要內(nèi)容生化工程在國民經(jīng)濟中的重要作用一、生化工程的定義生化工程全稱是生物化學工程（BiochemicalEngineering)，是為生物技術(shù)服務的化學工程。它是利用化學工程原理和方法對實驗室所取得的生物技術(shù)成果加以開發(fā)，使之成為生物反應過程的一門學科，是生物化學與工程學相互滲透所形成的一門新學科。它應用工程學這一實踐技術(shù)，以生物體細胞（包括微生物細胞、動物細胞、植物細胞）作為研究的主角、生物化學作為理論基礎，從動態(tài)、定量、微觀的角度，廣泛而深刻地揭示了生物工業(yè)的過程。所以生化工程是化學工程的一個分支，也是生物工程的一個重要組成部分。二、生化工程與其他學科的關(guān)系生物學化學工程學生物化學生化工程化學工程生物工程

生化工程是化學工程的一個前沿分支，它應用化學工程的原理和方法，研究解決有生物體或生物活性物質(zhì)參與的生產(chǎn)過程即生物反應過程中的基礎理論及工程技術(shù)問題。它作為生物化學、微生物學及化學工程學之間的邊緣學科，是生物技術(shù)中將近代生物學的成就轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)力所必不可少的重要組成部分。

第二節(jié)生化工程研究的主要內(nèi)容一、生物反應過程及其特點二、生化工程研究的主要內(nèi)容一、生物反應過程及其特點

生物反應過程是利用生物催化劑，即游離或固定化的活細胞或酶以從事生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。生物催化劑原材料檢測控制系統(tǒng)生物反應器空氣除菌機械能、熱能副產(chǎn)品產(chǎn)品廢棄物

當采用活細胞催化劑(主要是整體的微生物細胞)時，稱為發(fā)酵過程。而利用從細胞中提取得到的酶為催化劑時，則稱為酶反應過程。動植物細胞大量培養(yǎng)也屬于生物反應過程。

生物反應過程的特點和規(guī)律的研究是生物化學工程主要內(nèi)容之一。生物反應過程的特點

1.穩(wěn)定性較差

由于采用生物催化劑，可在常溫常壓下進行反應，且可運用重組DNA技術(shù)及細胞融合技術(shù)改造生物催化劑，但生物催化劑易于失活，易受環(huán)境影響和污染，一般采用分批操作。2.污染小可采用再生性的生物資源為原料，來源豐富，價格較低，過程中產(chǎn)生的廢料危害性較小，但往往形成原料成分不易控制，對生產(chǎn)控制和產(chǎn)品質(zhì)量帶來影響。

3.設備簡單，能耗小生物反應過程的生產(chǎn)設備較為簡單，能量消耗較少，但由于過高的底物和產(chǎn)物會給酶帶來抑制作用和微生物細胞不能耐受外界溶液過高的滲透壓，反應液的底物和產(chǎn)物濃度不能太高，造成反應器體積很大；

4.反應機理復雜，產(chǎn)物提取困難酶反應的專一性強，轉(zhuǎn)化率高，但成本較高；發(fā)酵過程應用面廣，成本較低，但反應機理復雜，難以進行控制，產(chǎn)物中常含有雜質(zhì)，給提取帶來困難。

二具體的研究內(nèi)容1.原料預處理

即底物（酶催化反應中的作用物）或培養(yǎng)基(發(fā)酵過程中的底物及營養(yǎng)物，也稱營養(yǎng)基質(zhì))的制備過程，包括原料的物理、化學加工和滅菌過程。

2.生物催化劑的制備

生物催化劑是指游離或固定化的活細胞或酶，微生物是最常用的活細胞催化劑，酶催化劑則從細胞中提取出來。

菌種分離、篩選、選育是生物催化劑制備的關(guān)鍵。重組DNA技術(shù)及細胞融合技術(shù)改造或構(gòu)建新的生物催化劑。固定化酶或固定化細胞的出現(xiàn)，使生物催化劑能較長時期地反復使用。3.生物反應的主體設備即生物反應器，凡反應中采用整體微生物細胞時，反應器則稱發(fā)酵罐；凡采用酶催化劑時，則稱為酶反應器。另還有適用于動植物細胞大量培養(yǎng)的裝置。為了設計生物反應器并確定其操作方式和操作條件，在發(fā)酵動力學、酶動力學以及傳遞過程原理的基礎上形成了生化反應工程。4.生物化工產(chǎn)品的分離和精制

這一部分常稱下游加工，是生化分離工程的主要內(nèi)容。

主要探討生化工業(yè)中生物制品分離和純化的工程技術(shù)，以及生化分離過程中一些主要的分離單元操作和分離工程領域的新技術(shù)1）、生產(chǎn)過程中培養(yǎng)基及生產(chǎn)設備——的滅菌問題；2）、大量空氣的—除菌問題；3）、好氧培養(yǎng)過程中氧的需求及傳遞—通風攪拌問題；4）、分批培養(yǎng)中的發(fā)酵動力學或酶動力學問題；5）、生物反應器的設計放大問題；6）、生物產(chǎn)品的大量提取問題；7）、生化反應過程的參數(shù)檢測及控制等問題。這些問題的解決，對生物工程特別是基因工程、細胞工程及酶工程新成果的開發(fā)將起著保證的作用，同時對現(xiàn)有的發(fā)酵工業(yè)的技術(shù)改造也產(chǎn)生積極的作用。因此，生化工程的研究是整個生物工程技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化中一個不可缺少的環(huán)節(jié)。是生物工程的一個重要組成部分。生化工程的誕生和發(fā)展：隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生化工程的研究將向以下四個方面發(fā)展：一是新型生物反應器的研究開發(fā)及相應培養(yǎng)、發(fā)酵技術(shù)的研究；二是新型分離方法和設備的研究開發(fā)；三是各種描述生物反應過程的數(shù)學模型的建立；四是生產(chǎn)過程在線檢測和控制手段的完善。生物技術(shù)根據(jù)應用范圍不同，可分為工業(yè)生物技術(shù)，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)和醫(yī)學生物技術(shù)三大方面。以生化工程來說，主要是為工業(yè)生物技術(shù)服務。工業(yè)生物技術(shù)：主要是利用生物催化劑（游離或固定化的細胞的酶），將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物（包括醫(yī)藥，化工、輕工、食品等產(chǎn)品）的生產(chǎn)過程—生物生產(chǎn)過程或用于環(huán)保和能源的過程。在生產(chǎn)過程中，當過程采用游離的整體微生物細胞時，一般稱為發(fā)酵過程（特定條件下，也稱為微生物學培養(yǎng)或微生物轉(zhuǎn)化過程等）。當生物催化劑為游離酶或固定化酶時，此過程則稱為酶反應過程或酶促反應過程。另外，利用動、植物細胞稱為動植物細胞（組織）的培養(yǎng)過程。用于進行污水處理稱為污水處理過程。生物生產(chǎn)過程：生物生產(chǎn)過程具有以下特點：1）、由于生物催化劑易于失活，易受環(huán)境的影響和雜菌污染，一般不能長時間使用，因此以分批培養(yǎng)方式為主；2）、原材料為天然生物物質(zhì)，來源豐富，價格低廉，過程中的廢物危害較小，但原料成分往往難以控制，給生產(chǎn)控制和產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的困難和影響；3）、與化學反應相比，生產(chǎn)設備較為簡單，能量消耗一般也較少，但過高底物或產(chǎn)物濃度常常導致酶的抑制或細胞失活；4）、所用的反應器體積很大，要求在無菌條件下進行操作；5）、酶反應過程的專一性強，轉(zhuǎn)化率高，但酶的成本高；6）、發(fā)酵過程的成本低，應用廣，但反應周期長，較難控制，反應液中雜質(zhì)多，給分離純化帶來困難。生化工程的基本內(nèi)容：前面我們討論過，生化工程研究的是生物反應的生產(chǎn)過程中帶有共性的技術(shù)問題，對于生物生產(chǎn)過程中的三大部分，生化工程的基本內(nèi)容也有三個方面：一是在上游加工過程中，最重要的是提供和制備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和足夠數(shù)量的生物催化劑。其中的共性問題是大規(guī)模的種子培養(yǎng)、酶或細胞的固定化、如何將這些種子或酶移入生物反應器等。另外原料加工后的基質(zhì)或培養(yǎng)基標準化以及滅菌和空氣除菌問題；二是在生物反應過程中，有關(guān)的共性問題是反應器的類型；操作方式及條件的確定；過程及反應器的放大；過程的參數(shù)檢測和控制等問題；三是在下游過程中，主要是研究和開發(fā)適用于生物反應產(chǎn)品，特別是作為診斷和治療用的活性蛋白質(zhì)、多肽或其它活性物質(zhì)的提取、精制和裝備等內(nèi)容。對于生產(chǎn)藥品和食品過程中，還應注意符合“優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)規(guī)范”的要求。二、培養(yǎng)基的滅菌和空氣除菌技術(shù)1、培養(yǎng)基的滅菌技術(shù)：工業(yè)上，培養(yǎng)基的滅菌一般都采用蒸汽加熱滅菌，滅菌所需時間與培養(yǎng)基及其中雜菌的性質(zhì)、含菌量以及滅菌溫度有關(guān)。工業(yè)上常用高溫快速方法進行滅菌，以保留更多的營養(yǎng)成分。工業(yè)上實際使用的蒸汽滅菌方法有兩種：1）、實罐滅菌（即分批滅菌）：將配好的培養(yǎng)基放入發(fā)酵罐，連同發(fā)酵進行滅菌。開始時，蒸汽先通過夾層或蛇管間接加熱，以免過多的冷凝水稀釋培養(yǎng)基。待罐溫達到80-90。C時，可以直接將蒸汽通入培養(yǎng)基，直至達到滅菌溫度。此時，有關(guān)閥門仍適當開啟，以使蒸汽流動暢通，消滅“死角”，并同時對附管道進行滅菌。滅菌完畢后，應及時通入無菌空氣使罐內(nèi)維持正壓，然后通過夾層或蛇管將培養(yǎng)基盡可能快冷卻。2）、連續(xù)滅菌：將配好的培養(yǎng)基先加熱到60-75。C后用泵連續(xù)輸入由蒸汽直接加熱的加熱塔，使在短時間內(nèi)達到滅菌溫度（126-132。C），然后進入維護罐（或維持管）維持3-7分鐘后再進入冷卻管，使其冷卻至接種溫度并直接進入已事先滅菌過的發(fā)酵罐內(nèi)。特別指出的是，培養(yǎng)動物細胞的培養(yǎng)基的滅菌一般不能用加熱滅菌法。這類培養(yǎng)基采用孔徑小于0.2um的濾膜過濾除菌。2、空氣除菌技術(shù)工業(yè)上大規(guī)模的無菌空氣是用過濾的方法獲得的。用于空氣除菌的過濾器有兩大類：深層過濾法：以活性碳等顆粒介質(zhì)和棉花、玻璃棉、合成纖維等纖維狀介質(zhì)堆積或裝填的填充床式過濾器。這是早期用的過濾空氣的方法。絕對過濾法：利用高分子材料、燒結(jié)金屬或陶瓷制成的濾膜進行空氣過濾。采用孔徑在0.2um左右的濾膜的絕對過濾器能達到“絕對”除菌的效果。空氣的預處理空氣過濾的基本原理：目前在生產(chǎn)上還使用深層過濾器，所采用的介質(zhì)通常是纖維狀物質(zhì)，當纖維以一定填充密度置于過濾器時，其空隙一般都大于50um，即算是濾紙的空隙一般也超過0.5um。即大于微生物的大?。ㄇ蚓睆?.5-1um)，因此在這種過濾器除菌不是真正的“過濾”。而是靠如下四個方面共同作用的結(jié)果：1）、慣性作用：指空氣中的顆粒隨著空氣的高整運動而運動，并憑借顆粒本身的質(zhì)量較空氣大，在接近介質(zhì)時不像空氣哪樣繞過介質(zhì)，而是靠慣性繼續(xù)前進并撞擊在介質(zhì)上而被去除。2）、攔截作用：指部分正對著介質(zhì)的顆粒隨著空氣流動而被介質(zhì)所攔截。3）、擴散作用：指小于1um的顆粒所產(chǎn)生的布朗運動而形成擴散，當顆粒遇到介質(zhì)后被去除。4）、靜電作用：指當顆粒與介質(zhì)具有不同電荷時的靜電吸引作用，細胞表面常帶負電荷。在這四種作用中慣性作用和攔截作用隨著氣流速度的增加而加強；而擴散作用和靜電作用則隨著氣流速度的增大而變?nèi)?。若從提高過濾效果著想，空氣過濾器的設計和操作應選擇較高的氣流速度。三、大規(guī)模細胞培養(yǎng)技術(shù)：這一節(jié)內(nèi)容的大部分在前面已作介紹。同學們自學。四、生物反應器：問題：什么是生物反應器？生物反應器工程研究的內(nèi)容是什么？生物反應器：是為細胞培養(yǎng)（或發(fā)酵）或酶反應提供良好的反應環(huán)境以完成生物催化反應的核心設備，通常稱為發(fā)酵罐或多酶反應器。用于污水生物處理的曝氣池和厭氣消化罐也可作為生物反應器。生物反應器是生物學反應過程中的關(guān)鍵設備，它的結(jié)構(gòu)、操作方式和操作條件對生物過程產(chǎn)品的質(zhì)量、轉(zhuǎn)化率和能耗有密切關(guān)系。它研究的內(nèi)容有：1）、反應器的結(jié)構(gòu)、操作條件與混合、傳質(zhì)、傳熱之間的關(guān)系；2）、生物反應器的設計和放大；3）、在生物反應器中進行微生物發(fā)酵、動植物細胞培養(yǎng)和酶反應結(jié)合反應器的類型、生物催化劑和培養(yǎng)液的特征研究生物反應器的優(yōu)化操作方法和條件，以及過程檢測與控制。（一）、生物反應器的類型、結(jié)構(gòu)與操作原理1、反應器的類型：根據(jù)催化劑的類型分：酶反應器：適用于酶的反應器。細胞反應器：分為微生物反應器、植物細胞反應器和動物細胞反應器。對反應器的要求：1）、能維持溫度、PH值和反應物濃度的穩(wěn)定；2）、具有良好的傳質(zhì)及混合性能，以便為轉(zhuǎn)化提供最適的條件；3）能防止外界微生物的侵染。2、微生物細胞反應器：微生物細胞反應器通常稱為發(fā)酵罐。對工業(yè)發(fā)酵罐的要求：1）、有效地防止雜菌及噬菌體的污染。要求內(nèi)壁及管道焊接部位平整，無裂縫及塌陷，主體構(gòu)造簡單，易于清洗，當外壓大于內(nèi)壓時，能防止外部液體及空氣流入反應器內(nèi)；2）、發(fā)酵過程溫度和PH值調(diào)節(jié)等操作方便；3）、對于好氧發(fā)酵罐來說在攪拌和通風過程中，要求能充分混合并能提高溶氧濃度，促進發(fā)酵液散發(fā)，耗能盡可能低。微生物發(fā)酵設備：固體發(fā)酵設備（現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)少用）；液體發(fā)酵設備分厭氧發(fā)酵設備和好氧發(fā)酵設備。好氧發(fā)酵設備分：機械攪拌式發(fā)酵罐；自吸式發(fā)酵罐；鼓泡塔；氣升式發(fā)酵罐；高位篩板式發(fā)酵罐。3、動植物細胞反應器：1）、機械攪拌細胞反應器：攪拌器有所不同，轉(zhuǎn)速要低得多，常用的攪拌漿有螺旋漿、斜葉漿、帆形漿等；2）、氣升式細胞反應器：與一氣升式發(fā)酵罐沒有什么差別，只是通氣不宜太劇烈，氣泡不宜太大。一般只適用于植物細胞和雜交瘤細胞的培養(yǎng)；3）、中空纖維細胞反應器：

4、固定化酶反應器：采用固定化酶進行轉(zhuǎn)化反應的反應器稱為固定化酶反應器。理想的固定化酶反應器要符合如下要求：1）、固相催化劑在反應器內(nèi)可實現(xiàn)均勻分布，反應器內(nèi)部各部位之間可不計變量差異；2）、對攪拌罐反就器（CSTR）來說，其中流體混合均勻，停留時間可用平均停留時間表示；3）、相關(guān)參數(shù)要保持恒定；4）、無器壁效應等。類型：根據(jù)反應器進出料方式及操作方式的不同分為二大類；批量反應器（BSTR）：又稱間歇式酶反應器。是一類最簡單的反應器。連續(xù)液流反應器分：攪拌罐反應器（CSTR）。此種反應器在投入固定化酶和底物后，攪拌反應至平恒，再連續(xù)流入底物溶液，同時以相同的流速輸出反應液。本反應器的優(yōu)缺點是在理想狀態(tài)下，混合良好