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1、2023-3-6生物化学工程生物化学工程生物化学工程生物化学工程生物化学工程第一章：绪论第一章：绪论第二章：工业微生物概论第二章：工业微生物概论第三章：灭菌技术第三章：灭菌技术第四章：氧的供需与传递第四章：氧的供需与传递第五章：生物反应器第五章：生物反应器第六章：微生物培养技术与动力学第六章：微生物培养技术与动力学第七章：动物细胞大规模培养技术第七章：动物细胞大规模培养技术第八章：植物细胞大规模培养技术第八章：植物细胞大规模培养技术第九章：生物物质分离与纯化第九章：生物物质分离与纯化第十章：生化生产工艺实例第十章：生化生产工艺实例生物化学工程第一章第一章 绪绪 论论1.1 生化工程的定义及其与
2、生物工程的关系生化工程的定义及其与生物工程的关系生物化学工程简称生化工程（生物化学工程简称生化工程（biochemical engineering)，是应用化学工程的原理和方法将生物工程的实验室成果是应用化学工程的原理和方法将生物工程的实验室成果进行工业开发的学科进行工业开发的学科。它即可视为化学工厂的一个分之，。它即可视为化学工厂的一个分之，又可认为是生物工程的一个组成部分。是以应用基础研又可认为是生物工程的一个组成部分。是以应用基础研究为主，是走向产业化的必由之路。究为主，是走向产业化的必由之路。 生物工程则是（生物工程则是（biotechnology，又称生物技术）是应用，又称生物技术）
3、是应用生物体（包括微生物，动物细胞，植物细胞）或其组成生物体（包括微生物，动物细胞，植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶），在最适条件下，生产有价值的产部分（细胞器和酶），在最适条件下，生产有价值的产物，或进行有益的过程技术。以生命科学为基础。物，或进行有益的过程技术。以生命科学为基础。现代生物技术包括基因工程，细胞工程，酶工程，蛋白现代生物技术包括基因工程，细胞工程，酶工程，蛋白质工程和发酵工程质工程和发酵工程生物化学工程生物反应器生物反应器检 测 控 制 系检 测 控 制 系统统细细胞胞酶酶（游离或固定（游离或固定化）化）空空气气生物催化生物催化剂剂除除菌菌空气空气 能量能量提取精提取精制制
4、产产品品副 产副 产品品废废物物原原料料基质或培养基质或培养基基营 养营 养物物灭灭菌菌生物反应过程示意生物反应过程示意图图下游过程生物反应过程(中游过程)上游过程生物化学工程生物化学工程生物化学工程1.2 生化工程发展简史生化工程发展简史 传统的生物技术制品：传统的生物技术制品： 如传统的发酵制品如传统的发酵制品, 生产技术生产技术带有浓郁的地方性和经验性的特点带有浓郁的地方性和经验性的特点,设备简单设备简单.20世纪初世纪初, 微生物产品有所发展微生物产品有所发展,但主要属于初级代谢但主要属于初级代谢产物产物, 厌气发酵厌气发酵, 设备也相对简单（乳酸，乙醇，丙设备也相对简单（乳酸，乙醇，
5、丙酮）。酮）。20世纪世纪40年代年代,抗生素的发展抗生素的发展,使生化工程诞生使生化工程诞生. 特点是特点是好气发酵好气发酵,产物结构复杂产物结构复杂,次级代谢物次级代谢物, 培养液含量低培养液含量低,无无菌条件高菌条件高.20世纪世纪50年代年代, 氨基酸工业氨基酸工业, 60年代年代: 酶制剂酶制剂. 70 年代年代: 干扰素干扰素, 胰岛素胰岛素, 生长激素生长激素, 乙肝疫苗乙肝疫苗, 单克隆抗体单克隆抗体.生物化学工程生物化学工程生物化学工程生物化工产品的特定产物和反应条件，决定了常规工生物化工产品的特定产物和反应条件，决定了常规工业反应装置和分离纯化设备必须经过专门的设计和改进业
6、反应装置和分离纯化设备必须经过专门的设计和改进后才能得以应用，新型高性能的生化反应器和高效分离后才能得以应用，新型高性能的生化反应器和高效分离纯化设备、分离介质以及反应工艺及分离工艺的研制开纯化设备、分离介质以及反应工艺及分离工艺的研制开发是生物化工产业开发的重点领域。生物化工是化学工发是生物化工产业开发的重点领域。生物化工是化学工业的前沿领域之一，在生物技术转化为生产力的过程中业的前沿领域之一，在生物技术转化为生产力的过程中起决定性的作用。在生物技术发展初期，生物化工的重起决定性的作用。在生物技术发展初期，生物化工的重要作用并没有得到足够的重视，随着生物技术产业的发要作用并没有得到足够的重视
7、，随着生物技术产业的发展和化学工业结构和产品结构的调整，越来越多的生物展和化学工业结构和产品结构的调整，越来越多的生物技术产品极大地依赖生物化工技术才能实现规模化生产，技术产品极大地依赖生物化工技术才能实现规模化生产，而且许多化学品的生产工艺有生物法取代，显示了很大而且许多化学品的生产工艺有生物法取代，显示了很大的优势。据美国和欧盟预测生物技术产业在未来的优势。据美国和欧盟预测生物技术产业在未来1010年内年内将增长将增长10-2010-20倍，生物化工产品在化学工业中的比重也倍，生物化工产品在化学工业中的比重也将提高一倍。将提高一倍。生物化学工程目前生物化工的发展速度显然不能适应生物技术产目
8、前生物化工的发展速度显然不能适应生物技术产业化的飞速发展。生物化工面临着改造传统产业和业化的飞速发展。生物化工面临着改造传统产业和发展生物高技术产业的双重任务。加强生物技术的发展生物高技术产业的双重任务。加强生物技术的研究开发，大力发展生物化工不仅是化学工业自身研究开发，大力发展生物化工不仅是化学工业自身发展的需要，也是生物技术产业化的保证。发展的需要，也是生物技术产业化的保证。生物化学工程1.3 生化工程的基本内容生化工程的基本内容 新型生物反应器的研究开发，特别是针对基因工程新型生物反应器的研究开发，特别是针对基因工程产品和动、植物细胞培养的产品的投产研制新型生物反产品和动、植物细胞培养的
9、产品的投产研制新型生物反应器。重点在于生物安全。植物细胞对剪切力和环境敏应器。重点在于生物安全。植物细胞对剪切力和环境敏感以及培养周期长而防止污染的问题。动物细胞的附壁感以及培养周期长而防止污染的问题。动物细胞的附壁生长的特点。生长的特点。 新型分离方法和设备的研发，特别是针对蛋白质、新型分离方法和设备的研发，特别是针对蛋白质、多肽产品的分离。多肽产品的分离。 各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有利于各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有利于过程的控制和优化以及计算机的应用。过程的控制和优化以及计算机的应用。 生物反应器内重要参数的传感器的研制和有关计算机生物反应器内重要参数的传感器
10、的研制和有关计算机控制系统硬件及软件的建立和完善。控制系统硬件及软件的建立和完善。生物化学工程第二章第二章 工业微生物学概论工业微生物学概论2.1 工业生产中常见的微生物工业生产中常见的微生物 2.1.12.1.1细菌（细菌（bacteriabacteria）分布广，数量多，与人的关）分布广，数量多，与人的关系密切。按其形态分为球菌、杆菌和螺旋菌系密切。按其形态分为球菌、杆菌和螺旋菌其中发酵工业中常用的为杆菌。包括醋酸杆菌属（其中发酵工业中常用的为杆菌。包括醋酸杆菌属（AcetobacterAcetobacter）, ,乳酸乳酸杆菌属（杆菌属（LactobacillusLactobacillu
11、s）, ,芽孢杆菌属（芽孢杆菌属（BacillusBacillus）, ,如枯草芽孢杆菌如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilisBacillus subtilis）可生产）可生产-淀粉酶和蛋白酶和淀粉酶和蛋白酶和5-5-核苷酸酶等。核苷酸酶等。梭菌属（梭菌属（ClostridiumClostridium）如丙酮）如丙酮丁醇的梭状芽孢杆菌（丁醇的梭状芽孢杆菌（Clostridium Clostridium acetobutyliumacetobutylium）。大肠杆菌（）。大肠杆菌（Escherichia coliEscherichia coli）：判断食品被动物）：判断食品被动物排
12、泄物污染的可能，公共卫生的重要指标。，在工业上利用大肠杆菌的排泄物污染的可能，公共卫生的重要指标。，在工业上利用大肠杆菌的谷氨酸脱羧酶进行谷氨酸定量分析。利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨谷氨酸脱羧酶进行谷氨酸定量分析。利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨酸和缬氨酸。医药方面用大肠杆菌制造治疗白血病的天冬酰氨酶，基因酸和缬氨酸。医药方面用大肠杆菌制造治疗白血病的天冬酰氨酶，基因工程菌。产氨短杆菌（工程菌。产氨短杆菌（Brevibacterium ammoniagenesBrevibacterium ammoniagenes）：短杆菌属，）：短杆菌属，为氨基酸、核苷酸和酶法生产辅酶为氨基酸、核苷酸和酶法生
13、产辅酶A A的菌种。的菌种。 生物化学工程Staphylococcus aureus生物化学工程2.1.2 放线菌（放线菌（Actinomyces） 因因菌落呈放射状而得名，大多数是腐生菌。介于细菌和霉菌呈长菌落呈放射状而得名，大多数是腐生菌。介于细菌和霉菌呈长的细丝，与霉菌相似，但宽度与细菌相似，无横隔，为单细胞，的细丝，与霉菌相似，但宽度与细菌相似，无横隔，为单细胞，菌丝无完整的核，为原核生物。土壤中含有菌丝无完整的核，为原核生物。土壤中含有104-106/g，有特有的，有特有的土腥味。它的一大贡献是产生抗生素。不完全统计，目前，自然土腥味。它的一大贡献是产生抗生素。不完全统计，目前，自然
14、界发现和分离了界发现和分离了5500种以上的抗生素，其中放线菌产生的有种以上的抗生素，其中放线菌产生的有4400多种。其中链霉菌属（多种。其中链霉菌属（Streptomyces）自）自1942年，年，Waksman 发现发现灰色链霉菌（产链霉素）相继发现了发酵工业中常用的有龟裂链灰色链霉菌（产链霉素）相继发现了发酵工业中常用的有龟裂链霉菌（生产土霉素），红链霉菌（产红霉素），金黄色链霉菌霉菌（生产土霉素），红链霉菌（产红霉素），金黄色链霉菌（产金霉素），委内瑞拉链霉菌（产氯霉素），卡那链霉菌（产（产金霉素），委内瑞拉链霉菌（产氯霉素），卡那链霉菌（产卡那霉素）。小单孢菌属（卡那霉素）。小单孢菌
15、属（Micromonospora）不形成气生菌丝）不形成气生菌丝体，在基内菌丝体上长出孢子梗，顶端着生一个球形、椭圆、或体，在基内菌丝体上长出孢子梗，顶端着生一个球形、椭圆、或长形的孢子。菌落常带有颜色。此属产抗生素的菌种有长形的孢子。菌落常带有颜色。此属产抗生素的菌种有30多种。多种。如绛红小单胞菌和棘孢小单孢菌属都产（产庆大霉素）如绛红小单胞菌和棘孢小单孢菌属都产（产庆大霉素）生物化学工程单细胞，卵圆形，圆形或圆柱形。酵母对发酵生产特别单细胞，卵圆形，圆形或圆柱形。酵母对发酵生产特别有利，自古酿制含酒饮料，而后做面包，发馒头，进行酒有利，自古酿制含酒饮料，而后做面包，发馒头，进行酒精、甘油
16、的生产，近年又用酵母进行石油发酵脱腊、生产精、甘油的生产，近年又用酵母进行石油发酵脱腊、生产各种有机酸。又因酵母内含有丰富的蛋白质、维生素和各各种有机酸。又因酵母内含有丰富的蛋白质、维生素和各种酶，所以酵母本身又是医药、化工和食品工业中的重要种酶，所以酵母本身又是医药、化工和食品工业中的重要原料。如单细胞蛋白质、酵母片、核糖核酸、核苷酸、辅原料。如单细胞蛋白质、酵母片、核糖核酸、核苷酸、辅酶酶A、脂肪酸及乳糖酶等。酵母的繁殖通常以芽殖为主。、脂肪酸及乳糖酶等。酵母的繁殖通常以芽殖为主。工业中常用的菌主要有酿酒酵母菌属和假丝酵母菌属，前工业中常用的菌主要有酿酒酵母菌属和假丝酵母菌属，前者用于酿酒，后者用于其他的发酵生产。者用于酿酒，后者用于其他的发酵生产。 2.1.3 酵母菌酵母菌（yeast）生物化学工程2.1.4霉菌（霉菌（molds）凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌为霉凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌为霉菌。在自然界中分布广，存在土壤、空气、水和生物体内外等处，菌。在自然界中分布广，存在土壤、空气、水和生物体内外等处，喜偏酸性环境，多数为好氧性、
