生物反应工程基础1.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第一节 生物反应工程简介,生物反应工程（,Bioreactor Engineering,）是一门以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。,它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应工程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。,生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题。因此，其在生物工业中起着举足轻重的作用。,2,1857,年巴斯德,（,Pasteur,）证明酒精,发酵是由活酵母引起的,20,世纪中期前后生物化学工程学科的形成。,20,世纪后期（,1970,80,年）生物反应工程,学科的形成。英国学者阿特金逊（,1971,）,首次提出生化反应工程,。,20,世纪,90,年代基因工程与生物反应工程不,断融合、发展。,3,6,生物技术产业简介,纯种发酵：溶剂、有机酸、酵母,深层发酵：抗生素、维生素、酶制剂,细胞工程和基因工程：,医药生物技术,单克隆抗体生产,生物（蛋白质）药物,农业生物技术,工业生物技术,(,环境生物技术,),7,C4,C3,C2,C1,生物质,糖,甲烷、甲醇等,乙醇、,乙酸、乙烯、乙二醇等,乳酸、丙烯酸、丙二醇等,丁二酸、富马酸、丁二醇等,衣康酸、木糖醇等,能源、高分子材料产品和化学品,柠檬酸、山梨醇等,C5,C6,苯、苯酚等,生物加工制造技术产业的主要产品,8,生物加工制造技术产业的主要产品,分 类典 型 产 品,溶 剂,酒类 啤酒、白酒、葡萄酒,溶剂 乙醇、丙醇、丁酮,有机酸,氨基酸 赖氨酸、谷氨酸,有机酸 柠檬酸、,L-,乳酸、长链二元酸,酶制剂,糖化酶、,-,淀粉酶、碱性蛋白酶,抗生素,青霉素、链霉素、头孢菌素，医药中间体,功能性食品添加剂,功能性蛋白质,-,乳蛋白、,-,乳球蛋白、单细胞蛋白,功能性糖类 有保健功能的多种低聚糖、多糖等,功能性脂类,-,亚麻酸、卵磷脂,其它复合物质防腐剂、抗氧化剂、色素,生物材料,PHAs,、聚,L-,乳酸、壳聚糖,生物化学品,丙烯酰胺、手性药物前体、,1,，,3,丙二醇,能源类,乙醇、甲醇、丁醇、生物柴油（脂肪酸甲酯）、甲烷、氢气,9,1.,生物技术的第一阶段,从艺术到科学,16,世纪中，,Robert Hooke,发明显微镜。,17,世纪末，,Antoine van Leeuwenhoek,对于,fungi,bacteria and protozoa,等进行了最早的纪录和描述。,微生物真正的突破在,19,世纪：,Louis Pasteur,纯种发酵,一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始：乙醇,乳酸,丙酮，,.,10,2.,生物技术的第二阶段,工程化的过程,Alexander Fleming(1928),发现,Staphylococcus,培养受到,Penicillium notatum,的抑制,Florey and Chain(1939),发现青霉素在对付感染是有效的。,化学合成证明是困难的。,表面培养技术和高产菌株使得青霉素开始生产（,1941-43,）,青霉素的价格比黄金高。,11,Alexander Fleming (1881-1955,),12,工程化过程的发展,大规模生产技术的突破：深层培养、通气、放大技术、过程的优化控制、培养基的优化和菌种的选育和优化等。,青霉素生产规模从,1,升到,100M,3,以上，发酵液的浓度从,0.001g/L(1941),提高到,50g/L,以上，生产成本降低到约,100,元,/,公斤。,带动了一大批,通气发酵,的产品生产，如抗生素、维生素、酶制剂、有机酸等。,13,3.,生物技术的第三阶段,三个浪潮,医药生物技术,农业生物技术,工业生物技术,14,医药生物技术发展,特点：,采用现代生物技术,借助某些微生物、植物、动物生产医药品。,涉及的相关学科,：,基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生化工程、蛋白质工程、抗体工程等。,15,1982,年基因重组胰岛素批准上市，生物技术产业崛起的标志，,医药技术产业占生物技术市场的,70,，占药物市场的,9,，,100,多种重组蛋白药物批准上市，,500,多种处于临床阶段，,2010,年生物技术药物和疫苗市场从,2000,年的,600,亿美元增长到,1500,亿美元，占药物市场的,25,。,基因治疗、组织工程、基因诊断都将形成产业。,16,1,）,免疫性蛋白,，如各种抗原和单克隆抗体；,2,）,细胞因子,，如各种干扰素、白细胞介素、集落刺激因子、表皮生长因子、凝血因子；,3,）,激素,，如胰岛素、生长激素、心素纳；,4,）,酶类,，如尿激酶、链激酶、葡激酶、组织型纤维蛋白溶酶原激活剂、超氧化物歧化酶。,生物技术类药物种类,17,1983,年转基因植物问世,1986,年被批准进入田间试验,根据美国农业部动植物检疫局,(APHIS),的数据,1997,年,1,月,31,日,美国已批准的转基因植物田间试验达,2500,多例。,转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病的甜菜，抗腐能力强、耐贮性高的番茄,我国实施的,“,水稻基因组计划,”,采用离子束介导法将外源基因转入水稻成功,应用细胞工程技术建立了一系列快速、高效的动植物育种新方法,据预计,21,世纪农业生产品种的,90%,将通过生物技术改良,生物技术对农业生产技术总贡献率会高于,70%,农业生物技术的发展,18,病虫害对棉花生产造成严重的影响,九十年代病虫害造成棉花减产,17-30%,，最严重的地区减产,50%,长江和黄河流域造成的减产分别达到,10,万吨和,152,万吨，造成的直接经济损失达,50,亿元，间接经济损失达,100,亿元。,例子：,中国转基因抗虫棉的发展,19,抗,CMV,病毒转基因青椒,抗,CMV,病毒转基因番茄,20,继医药和农业之后，工业生物催化已经被广泛看作是,“,生物技术的第三次浪潮,”,。,工业生物技术的发展,21,工业生物技术的依托,22,基础物质加工业,（,含化工、医药、石化、,食品、材料和能源等,）,三废排放,污染环境,环境危机！,化,学,加,工,过,程,化石燃料,不可再生,能源危机！,化石原料,不可再生,资源危机！,生存危机,!,社会危机,!,化,学,催,化,剂,目前面临的三大危机,23,生物可再生资源,绿色工艺,生,物,加,工,过,程,生,物,催,化,剂,农产品深加工，关系到三农问题（小康的关键）,生物,能源,资源和能源，关系到国家战略安全问题,。,发展生物技术是解决危机的有效途径,无污染工艺生产,社会效益,科技贡献,经济效益,24,化学工业面临的挑战,石油资源枯竭,世界性的能源危机,我国石油每年,1/3,1/2,依赖进口,污染问题严重,以破坏环境为代价发展经济不是长远之计,(,绿色,GDP),寻找新的经济生长点,生物催化剂？,25,工业生物技术的关键,-,催化剂,-,以催化作用为基础的化学合成品占今天化工产品的,60,，其技术渗入量占目前化工生产技术的,90,酶是一种具有催化作用的蛋白质，能高效和高选择性的催化生化反应,生物技术与医药、农业结合充分带动了这两个学科的发展，也为生物技术与化学工业发展起到了示范作用,杜邦公司、道化学公司、,BASF,公司、孟山都等世界著名的化学化工公司等都在积极从事生物技术的开发,当前的科学研究和工业实践证明选择工业生物催化剂是有前途的选择,26,生物催化剂发展现状,现在确认的酶有,3000,多种，随基因组学和蛋白组学的发展会更多,研究的领域：精细化工（包括医药）、石油化工、环境工程、日用化工等学科,我国生物公司,1650,家,投资市场,970,亿，其中用于,R&D 90,亿,产品：,90,多种基因药物和疫苗，,2000,多万人因此受益,27,例子：生物催化改造,利用微生物脱氢酶的作用，去除氢化可的松的,1,，,2,位,C,上的氢，可得氢化泼尼松，反应式如下，转化率,90,以上：,经过改造，药效提高数倍，毒副作用降低,氢化可的松,氢化泼尼松,节杆菌,28,丙烯酰胺,生产化学法与生物法比较,铜系催化水合法,生物催化法,丙烯腈单耗,0.8,0.75,产品纯度,95%,98%,副产物、杂质及废物,产品中有较多催化剂铜离子，基本无三废,副产物极少（少量丙烯酸和丙烯醛）,丙烯腈转化率,83-87%,99.9%,生产成本,高,低,反应温度,（）,70-120,20-24,能耗,高,低（比铜催化节约,50%,）,29,丙烯酰胺,生产化学法与生物法比较,铜系催化水合法,生物催化法,丙烯腈单耗,0.8,0.75,产品纯度,95%,98%,副产物、杂质及废物,产品中有较多催化剂铜离子，基本无三废,副产物极少（少量丙烯酸和丙烯醛）,丙烯腈转化率,83-87%,99.9%,生产成本,高,低,反应温度,（）,70-120,20-24,能耗,高,低（比铜催化节约,50%,）,30,产 业,产 品,医药生物技术类药物,重组蛋白，抗体、基因药物、疫苗（包括基因疫苗）、生化药物、多肽药物、血液制品、诊断试剂、微生物药物、天然药物、保健食品和抗生素。基因治疗、组织工程,农业生物技术,生物杀虫剂、生物农药、生物微肥,工业生物技术,生物材料,（聚乳酸、蜘蛛丝蛋白,“,生物钢,”,）、,生物能源,（生物柴油）、,环境生物技术,（降低处理成本,20,50,）、提升传统产业（生物催化）如化工，制药，采矿、造纸、发酵。可使单耗、水耗、能耗、污染排放下降,30,生物技术含盖的行业和产品,生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程称为生物反应过程。,典型的生物反应过程：,包括四个部分：,原材料的预处理,;,生物催化剂的制备；,生化反应器及反应条件的选择与监控；,产物的分离纯化,生物反应工程具体内容,32,整个生物反应过程以生物反应器为核心，,而分别把反应前与后称为上游加工和下游加工。,生物反应工程是生物反应过程的一个部分，主要围绕生物反应器进行研究，研究生物反应过程中有关反应器设计放大等具有共性的工程技术问题，以达到在工业规模的反应器中给生物反应提供一个最佳的反应环境。,原材料的预处理,：,包括原料的选择,，,必要的物理和化学方法加工，培养基的配制和灭菌,生物催化剂的制备：,包括菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中酶的纯化、酶的固定等。,生物反应器及反应条件的选择与监控：,生物反应器是进行生物反应的核心设备，它应为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到反应较好进行的目的。因此，反应器的确结构、操作方式和条件对反应原料的转化率、产品的质量和成本检测和控制对反应的顺利进行也是十分重要的。,产物的分离纯化：,用适当的方法和手段将一定含量的目的产物从反应液中提取出来并加以精制以达到规定的质量要求。,生物反应过程的分类,根据所采用生物催化剂的不同特性，生物反应过程可分为：,酶催化反应过程,：,采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的反应几乎都是在酶催化下进行的。工业生产上也常见酶催化反应，游离酶反应和固定化酶反应。,微生物细胞反应过程：,采用活细胞为催化剂时的反应过程。包括一般的微生物发酵反应过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。,废水生物处理过程：,它是利用微生物（往往是一群不同种类的）本身的分解和净化能力，除去废水中污浊物质的过程。,生物反应工程的研究内容：,1,、生物反应动力学,2,、生物反应器,生物反应动力学：是研究生物反应过程的速率及其影响因素，这是生物反应工程学的理论基础之一。,生物反应动力学应包括两个层次的动力学：,一是微观动力学，它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。,二是宏观动力学，又可称为反应器动力学，它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。,生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。,例如对酶催化反应，反应动力学可表达为分子水平动力学；,对微生物发酵反应，其动力学可在细胞水乎上来表达；,对废水的生物处理，则可表达为群体动力学；,每一表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力学处理方法。,