生物化工简介.pdf

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生物化工简介 1. 定义 1.1 生物化学(Biochemistry ):用化学的原理和方法,研究生命现象的学科。通 过研究生物体的化学组成、代谢、营养、酶功能、遗传信息传递、生物膜、细胞 结构及分子病等阐明生命现象。 1.2 生物技术(Biotechnology ):应用生命科学研究成果,以人们意志设计,对 生物或生物的成分进行改造和利用的技术。现代生物技术综合分子生物学、生物 化学、遗传学、细胞生物学、胚胎学、免疫学、化学、物理学、信息学、计算机 等多学科技术,可用于研究生命活动的规律和提供产品为社会服务等。 1.3 生物化工(Biochemical Engineering )是生物学、化学、工程学等多学科组成 的交叉学科,研究有生物体或生物活性物质参与的过程中的基本理论和工程技 术。它是一级学科“化学工程与技术” 中的一个重要分支和重点发展的二级学科, 在生物技术产业化过程中起着关键作用。 生物化工学科起始于第二次世界大战时期,以抗生素的深层发酵和大规模生 产技术的研究为标志。20 世纪60 年代末至80 年代中期,精基因技术、生物催 化与转比技术、动植物细胞培养技术、新型生物反应器和新型生物分离技术等开 发和研究的成功,使本学科进入了新的发展时期,学科体系逐步完善。20 世纪 后期,随着以基因工程为代表的高新技术的迅速崛起,为本学科的进一步发展开 辟了新领域。 2 生物化工的特点 生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科,它以生物来源 的物质为原料,通过生物活性物质为催化剂使其转化,或用其他生物技术进行制 备、纯化,从而得到我们预期的产品。 目前世界面临着粮食、环境和能源三大危机,这也是制约各国发展的瓶颈。 生物化工的任务不仅是要把生命科学上游技术的发展转化为实际的产品以满足 社会需要,而且在创造新物质、新材料、设计新过程、生产新产品、创建新产业 中也将起到关键作用,对可持续发展将做出巨大贡献。与传统生物化学工业相比 较,生物化学工程具有以下特点: (1 )以生物为对象,常以有生命的活细胞或酶为催化剂,创造必要的生化 反应条件,不依靠地球上的有限资源,着眼于再生资源的利用。 (2 )由于细菌不耐高温,需在常温常压下连续化生产,工艺简单,并可节 约能源,减少环境污染。 (3 )定向地按人们的需要创造新物种、新产品和有经济价值的生命类物质, 开辟了生产高纯度、优质、安全可靠的生物制品的新途径。 (4 )生物化工为生物技术提供了高效率的反应器、新型分离介质、工艺控 制技术和后处理技术,扩大了生物技术的应用范围。 由于生物化工技术具有反应条件温和、能耗低、效率高、选择性强、投资少、 三废少以及可用再生资源作原料等优点,已成为化工领域战略转移的目标。 2.1 主要应用菌株 2.1.1 细菌 ①醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌等不生孢子的需氧菌。 ②乳杆菌属的德氏乳杆菌;链球菌属;片球菌属、串珠菌属等。 ③芽孢杆菌属的枯草杆菌是本属最主要的菌种。 ④梭菌属的丙酮丁醇梭菌,可生产丙酮和丁醇,是工业发酵的重要菌种。 ⑤大肠杆菌和产气气杆菌为革兰氏阴性、无孢子的杆菌,在动物肠中形成细 菌群。 2.1.2 放线菌 链霉菌属包括金霉素、氯霉素、卡那霉素、红霉素等,这些链霉菌可以生 产葡萄糖异构酶,是很好的葡萄糖异构酶产生菌。 2.1.3 霉菌 工业上最常用的霉菌以曲霉菌和青霉菌为主,根霉属和红曲霉属也较常用。 2.1.4 酵母 酵母有酵母属、裂殖酵母属、假丝酵母属、毕赤酵母属和汉逊酵母属。 2.2 生物化工的关键 2.2.1 生物催化剂 生物催化剂是指由常规选育或经现代生物工程方法获得的菌株、细胞系或从 中提取的酶。它的作用相当于化学反应中的催化剂,是生化反应中不可缺少的。 从自然界得到的菌种要进行筛选、分离、遗传育种,有的还要经过菌种变异才能 使用。 2.2.2 生物反应器 生物反应器是整个生物反应过程的关键设备,为特定的细胞或酶提供适宜的 增殖环境,也可在反应器中进行特定的生化反应。它的结构、操作方式和操作条 件与产品的质量、转化率和能耗有着密切的关系。根据反应器的操作方式,可分 为间歇操作、连续操作和半间歇操作。根据生物催化剂在反应器中的分布方式进 行分类,可分为生物团块(包括细胞、絮凝物、菌丝体)反

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