01生物工艺学概论讲义.doc

1 序论 1.1 生物工艺学的定义和性质 生物工艺学(biotechnology)，一般称为生物技术，是一门既有悠久历史又有崭新内容的科学技术和生产工艺。 1、“生物技术”的第一次提出 生物技术一词最早是1919年匈牙利生物学家K. Ereky最早提出，定义为：“凡是以生物有机体（living organisms）为原料，无论用任何方法进行产品生产的技术都是生物技术”。 缺点：范围太广，包括了常规农业生产、面粉、白糖、肥皂、甚至烹调，因此，未受到重视。 2、“生物技术”的再次次提出： 20世纪70年代，基因工程等一类具有现代生物技术内涵或以分子生物学为基础的技术出现，人们再一次提出生物技术这个概念。 缺点：范围太狭窄。局限于必须采用基因工程等现代生物学技术手段或以分子生物学为基础的技术，排除了当时已经相当成熟的发酵技术、酶催化技术、生物转化技术、原生质体融合技术等。 3、国际经济合作及发展组织的定义(IECDO:1982) ： 生物技术是“应用自然科学及工程学的原理依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务”的技术。这里所谓的生物作用剂可以是酶、整体细胞或多细胞生物体，一般也称为生物催化剂。 4、国际纯粹及应用化学联合会(1981)定义： 生物技术是“将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程(包括医药卫生、能源及农业的产品)及环境保护的技术”。。 5、从国际经济合作及发展组织的定义(IECDO:1982)解读生物技术的性质： （1）、 IECDO定义采用“生物作用剂”取代Erekey定义中“生物肌体”的模糊概念。 生物催化剂的特性 生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称。它们在生物反应过程中起着催化剂的作用，见表l—1。 优点：1、常温、常压下反应；2、速率快；催化作用专一；3、一般情况下价格较低廉等优点。4、活细胞易加以诱变，以改变其遗传特性，使有利于生产。5、随着原生质体融合技术、DNA重组技术等现代生物技术的发展，人们有可能组建出许多具有特殊性能的非天然存在的新型生物催化剂。 缺点：1、易受热、受某些化学物质及杂菌的破坏而失活，因而稳定性较差；2、对温度、pH等参数对反应相当敏感；3、活细胞还存在着个体差异、遗传特性差异等。4、在生长过程中对营养、微量元素、渗透压等也有一定要求。 活细胞和酶两类生物催化剂的比较： （2）、被作用的物料： 生物体或有关的器官、细胞、体液或经其加工的组分以及少量的无机物质。 （3）、生物技术的产品：工、农、医、食等产品。 （4）、生物技术提供的服务：指医学诊断和治疗、卫生和环保等 （5）生物技术的多学科性 生物技术所应用的自然学科： 生物学(包括细胞学、遗传学等)、化学、物理学及其分支、交叉学科如微生物学、植物学、动物学、生物化学、分子生物学等，以及医学、药学、农学、 bio-X等。 bio-X：指任何可与生物发生关联的学科或工程技术。 生物技术所应用的工程学： 化学工程、机械工程、电气工程、电子工程自动化工程等，并派生出交叉分支学科如生物化学工程、生物医学工程、生物药学工程、生物信息学（bioinformatics）、bio-X等 。 6、生物反应过程的特点 生物反应过程实质上是利用生物催化剂以从事生物技术产品的生产过程。 分类： （1）、发酵过程：采用游离的整体微生物活细胞为生物催化剂。 （2）、酶反应过程：催化剂为游离或固定化酶。 （3）、动、植物细胞(组织)培养过程。 生物反应过程的示意图： 生物反应过程有4个组成部分： A 原材料的预处理：包括原材料的选择、加工，培养基和底物的配制和灭菌。 B 生物催化制的制备。 C 生物反应器及反应条件的选择。 D 产物的分离纯化。也常称为下游加工过程。 有关方法、手段包括： 物理方法——研磨、高压匀浆、过滤、离心、蒸发、干燥。 物理化学方法——冻溶、透析、超滤反渗析、絮凝、萃取、吸附、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐折、结晶。 化学方法——离子交换、化学沉淀。 生物方法——亲和层析、免疫层析等。 生物反应过程的特点： (1)、常温常压下进行。且可运用DNA重组技术及原生质体融合等现代生物技术组建或改造生物催化剂，但生物催化剂易于失活，易受环境的影响和杂菌的污染，一般不能长时间使用。 (2)、以采用可再生资源为主要原材料，来源丰富、价格低廉，过程中废物的危害性较小，但原料成分往往难以控制，给产品质量带来一定影响。 (3)、与化工生产相比，生产设备较为简单，能耗较少。 (4)、酶反应过程的专一性强，转化率高，但成本较高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制。 （5）、提取纯化较困难。 7、生物技术与生