天津大學化工導論生物化工第1頁/共36頁第八章生物化工●生物化工的概括●生物化工的應用領域●生物化工技術●生物化工生產化工產品舉例第2頁/共36頁生物化工概括-定義定義：生物技術是在生物學、分子生物學、細胞生物學和生物化學等基礎上發(fā)展起來的，是由基因工程、細胞工程、酶工程和發(fā)酵工程四大先進技術組成的新技術群。生物化工是生物學技術和化學工程技術相互融合的新型學科，它以生物來源的物質為原料，通過生物活性物質為催化劑使其轉化，或用其他生物技術進行制備、純化，從而得到我們預期的產品。第3頁/共36頁生物化工特點（1）以生物為對象，常以有生命的活細胞或酶為催化劑，創(chuàng)造必要的生化反應條件，不依靠地球上的有限資源，著眼于再生資源的利用。（2）由于細菌不耐高溫，需在常溫常壓下連續(xù)化生產，工藝簡單，并可節(jié)約能源，減少環(huán)境污染。（3）定向地按人們的需要創(chuàng)造新物種、新產品和有經濟價值的生命類物質，開辟了生產高純度、優(yōu)質、安全可靠的生物制品的新途徑。（4）生物化工為生物技術提供了高效率的反應器、新型分離介質、工藝控制技術和后處理技術，擴大了生物技術的應用范圍。第4頁/共36頁生物化工的應用領域現(xiàn)代生物制藥把生物工程技術應用到藥物制造的過程稱之為生物制藥。生物藥品是以微生物、寄生蟲、動物毒素、生物組織為原材料，采用生物學工藝和分離、純化技術，并以生物學的分析技術控制中間產物和成品質量制成的生物活化制劑，包括菌苗、疫苗、毒素、類毒素、血清、血液制品、免疫制劑、細胞因子、抗原、單克隆抗體及基因工程產品等。第5頁/共36頁生物化工的應用領域

基因工程用克隆技術和組織的培養(yǎng)技術，對DNA進行切割、插入、連接和重組，從而獲得生物制藥產品。主要包括三大類：基因工程藥物、生物疫苗和生物診斷試劑。這些藥品在診斷、預防、控制及消滅傳染病，保護人類健康，延長壽命中發(fā)揮著越來越重要的作用。第6頁/共36頁生物化工的應用領域

我國生產的生物藥品主要是基因乙肝疫苗、干擾素、白細胞介素-2、增白細胞、重組鏈激酶、重組表皮生長因子等15種基因工程藥物，已進入市場。重組凝乳酶等40多種基因工程新藥正在進行研究。單克隆抗體的研制已由實驗進入臨床，B型血友病基因治療初步獲得臨床療效，組織溶纖原激活劑、白介素-3、重組人工胰島素、尿激酶等十幾種多肽藥品在臨床實驗中。第7頁/共36頁農業(yè)生物技術與生物農藥

我國的兩系法雜交水稻育種研究已深入到基因層的研究，躍居世界領先水平。在水稻無融合生殖育種新技術研究上取得了重大突破，成功地培育出無融合雜交水稻。經過數(shù)千畝大田的試驗示范，表現(xiàn)出豐產、米質量佳、抗性強、適應性廣等優(yōu)點，克服了雜交水稻需要年年制種和雜種只能用一次的缺點，為水稻育種開辟了新途徑。第8頁/共36頁農業(yè)生物技術與生物農藥

我國進行了動物胚胎的工程研究，掌握了實用化的胚胎分割和移植技術，獲得了一批胚胎移植良種牛，并已建立了良種奶牛的胚胎移植和繁殖中心。在動物細胞工程研究上，也已成功地選育出“四倍體復合銀鯽魚”和“人工復合三倍體鯉魚”，經大面積飼養(yǎng)試驗，顯示了快速生長的特性。第9頁/共36頁農業(yè)生物技術與生物農藥

我國在抗病抗蟲方面的轉基因植物的研究取得了實質性進展。目前已經獲得了抗病毒的轉基因煙草、番茄、馬鈴薯、小麥、玉米等植物，并成功地竟蘇云金芽抱桿菌殺蟲基因導入棉花和水稻種，獲得了抗蟲棉和抗蟲水稻?？篃煵莼ㄈ~病毒、黃瓜花葉病毒的轉基因煙草，在大田試驗表現(xiàn)了較強的抗病性。第10頁/共36頁農業(yè)生物技術與生物農藥

生物農藥是利用微生物本身或代謝物防治蟲、草等的制劑。包括農用抗生素、細菌農藥、真菌農藥和病毒農藥，具有選擇性高、易于降解、用量少、污染小、對人畜毒性小、保護環(huán)境、病蟲害不易產生抗性等優(yōu)點。因而發(fā)展生物農藥，減少化學合成農藥的使用，已成為全球農藥產業(yè)發(fā)展的新趨勢。第11頁/共36頁精細化工中的生物技術

生物有機酸的應用采用發(fā)酵法生產的有機酸已在食品、醫(yī)藥、塑料、香料等行業(yè)得到應用。檸檬酸用途很廣，其中用于食品和飲料行業(yè)的為50%，醫(yī)藥行業(yè)為20%，化學工業(yè)為20%，化妝品為2%，其他8%。檸檬酸是我國最大的出口發(fā)酵產品。L-蘋果酸主要用于食品業(yè)、保健品、化妝品及飲料的酸味劑和防腐劑。第12頁/共36頁精細化工中的生物技術酶制劑的應用酶是細胞原生質合成的一種高活性的生物催化劑，由許多氨基酸組成，其催化性能具有高效和專一性。酶普遍存在于動物、植物、微生物中，通過采取適當?shù)睦砘椒ǎ瑢⒚笍纳锝M織或細胞以及發(fā)酵液中提取出來，加工成具有一定純度標準的生化制品，成為酶制劑。酶制劑主要有α-（β-）淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、纖維素酶、堿性蛋白酶和中性蛋白酶等。第13頁/共36頁生物石油化工

石油微生物煉制（1）石油脫蠟：利用解脂假絲酵母、擬圓酵母、粉孢霉菌、諾卡氏菌等進行發(fā)酵法脫蠟可出去石油及其餾分產物的蠟質，獲得高質量、低凝固點的航空汽油、高級柴油、變壓器油和多種機油。（2）石油脫硫：許多地區(qū)的原油中含硫量高，這些硫化物腐蝕設備，影響產品質量，而且石油產品燃燒時，還生成SOX

污染環(huán)境，因此石油脫硫十分重要。第14頁/共36頁生物石油化工（3）石油脫氮：利用土壤中培養(yǎng)出的微生物，通過環(huán)羥基化和斷裂機理，使吡啶降解成NH3、CO2和H2O。這些微生物能對含氮雜環(huán)化合物分子的氧化有專一性，并能把油中的含氮雜環(huán)化合物氧化。第15頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術

（1）細菌①醋桿菌屬的醋化醋桿菌、弱氧化醋桿菌等不生孢子的需氧菌。②乳桿菌屬的德氏乳桿菌；鏈球菌屬；片球菌屬、串珠菌屬等。③芽孢桿菌屬的枯草桿菌是本屬最主要的菌種。④梭菌屬的丙酮丁醇梭菌，可生產丙酮和丁醇，是工業(yè)發(fā)酵的重要菌種。⑤大腸桿菌和產氣氣桿菌為革蘭氏陰性、無孢子的桿菌，在動物腸中形成細菌群。第16頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術（2）放線菌鏈霉菌屬包括金霉素、氯霉素、卡那霉素、紅霉素等，這些鏈霉菌可以生產葡萄糖異構酶，是很好的葡萄糖異構酶產生菌。（3）霉菌工業(yè)上最常用的霉菌以曲霉菌和青霉菌為主，根霉屬和紅曲霉屬也較常用。（4）酵母酵母有酵母屬、裂殖酵母屬、假絲酵母屬、畢赤酵母屬和漢遜酵母屬。第17頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術微生物的培養(yǎng)方法：（1）培養(yǎng)基的組成培養(yǎng)基一般由碳源、氮源、無機鹽和微量生長因子等組成。碳源一般是蔗糖、葡萄糖等。工業(yè)上常用淀粉水解液和糖蜜等。氮源有硫酸銨、尿素、豆餅水解液等。無機鹽有磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、七水硫酸鎂等。微量生長因子有生物素、硫銨素等。酵母和霉菌用培養(yǎng)基以曲汁或麥芽汁最常用。第18頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術（2）培養(yǎng)方法按培養(yǎng)基的培養(yǎng)過程分為國體培養(yǎng)和液體培養(yǎng)。按操作方式分為分批培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)和半連續(xù)培養(yǎng)，按是否需要氧氣可分為需氧培養(yǎng)和厭氧培養(yǎng)，需氧培養(yǎng)用設備又分為淺盤培養(yǎng)、厚層通風培養(yǎng)和液體通風深層培養(yǎng)。培養(yǎng)條件主要由糖濃度、溫度、PH值、氧氣、氮源和微量因子決定。第19頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術母菌最適宜的PH值為4~6，細菌為6~7.5。對于氧氣，微生物有需氧菌、厭氧菌和兼性厭氧菌三種。氮源，一般使用尿素，使培養(yǎng)液維持恒定的PH值，同時又可供給氮源。微量因子是指維生素，它是生物體生長不可缺少的一種或數(shù)種極微量的有機物質，但微生物生長時，自身往往又缺少合成這種有機物的能力，因此必須由外界提供。第20頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術生物催化劑生物催化劑是指由常規(guī)選育或經現(xiàn)代生物工程方法獲得的菌株、細胞系或從中提取的酶。它的作用相當于化學反應中的催化劑，是生化反應中不可缺少的。從自然界得到的菌種要進行篩選、分離、遺傳育種，有的還要經過菌種變異才能使用。第21頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術生物反應器生物反應器是整個生物反應過程的關鍵設備，為特定的細胞或酶提供適宜的增殖環(huán)境，也可在反應器中進行特定的生化反應。它的結構、操作方式和操作條件與產品的質量、轉化率和能耗有著密切的關系。根據(jù)反應器的操作方式，可分為間歇操作、連續(xù)操作和半間歇操作。根據(jù)生物催化劑在反應器中的分布方式進行分類，可分為生物團塊（包括細胞、絮凝物、菌絲體）反應器和生物膜反應器兩大類。第22頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術生物反應器的分類第23頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術分離與提純從生物反應器中排出的反應產物是一種混合物，里面除含有目的產品外，還含有未轉化的基質、不能轉化的物質、大量的水、微生物體及各種微量雜質。為了獲得合格的生化產品，并且不浪費其他有用的物質，必須對需要的生化產品進行分離或提純。這一過程稱之為“下游加工”，這樣可以使其他物質循環(huán)使用或再進行綜合利用，既降低了成本又保護了環(huán)境。第24頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術1．固體物質的去除分離生化反應液的細胞或其他固體物質，是提取生化產品的重要一步。分離過程是基于它們的粒度、密度、溶解度和擴散度等的不同實現(xiàn)的，分離的粒度范圍為0.3~10μm。為了提高分離效率要進行預處理，以促進細胞的絮凝。常用的去除固體的分離方法是過濾、離心分離、沉降及傾析等。第25頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術2．初步分離當從反應器出來的反應液除去了不需要的固體顆粒后，一般要進一步把溶液濃縮，以提高目的產品在溶液中的濃度。為了實現(xiàn)這一過程，可以使用蒸發(fā)、萃取、沉淀和膜分離等單元操作。如膜分離技術是一種新型的分離技術，近年來發(fā)展很快。它是用一種半透明的薄膜，使溶液中的某些組分通過，其他組分被阻止或截留，從而達到分離的目的。它包括反滲透法和超濾法。膜分離法不同于萃取和沉淀法那樣，需要加入溶劑或鹽類等其他物質，也不同于蒸發(fā)操作，需要加入熱量，膜分離法只是根據(jù)物質粒度的大小這一幾何特性的差異，來分離物質，因此產品的損失很少，產率和質量較高。第26頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術3．產品提純產品提純的目的主要是去除溶液中的各種微量雜質，進一步提高產物的純度。常用的方法有沉淀法、層析法和吸附法。但是生物產品的提純，更多用的是層析法。層析法有吸附層析法、離子交換層析法、分子篩層析法和親和層析法等，根據(jù)不同被分離物的特性，選擇不同的層析分離方法。第27頁/共36頁生物化工品的生產工藝技術4．產品的最終分離最后一步必須使產品達到規(guī)定的質量指標，以適合銷售市場的要求。主要的單元操作是先離心分離，然后進行干燥或冷凍干燥等。干燥操作往往是生物產品的最后工序，其目的是除去物料中的水分，便于產品的保藏和運輸。由于很多的生物產品，如味精、檸檬酸、酶制劑、抗生素及單細胞蛋白等均是固體產品，因此干燥操作在生物產品的最終分離方面十分重要。第28頁/共36頁典型生物化工品的生產工藝舉例

有機化工品—丙烯酰胺（AM）丙烯酰胺無色、無味，分子式是C3H5ON，固體是粉劑的結晶產品，含量大于97%，熔點為84.5℃。水劑產品含丙烯酰胺分別是25%、30%、40%、50%等。25%或40%的水劑產品,直接用于聚合。結構式：第29頁/共36頁典型生物化工品的生產工藝舉例反應方程式如下：

第30頁/共36頁典型生物化工品的生產工藝舉例工藝流程：第31頁/共36頁典型生物化工品的生產工藝舉例食品添加劑—檸檬酸檸檬酸(citricacid)，別名枸櫞酸，化學名稱為2-羥基丙三羧酸，分子式是C6H8O7（無水物）。檸檬酸有無水物和一水合物兩種，無臭，有強酸味，易溶于水、乙醇和乙醚。無水檸檬酸為白色晶體顆?；蚍勰?，相對密度1.67，熔點是153℃，在潮濕空氣中吸潮，能形成一水合物，一水合物是無色半透明結晶，相對密度1.542，熔點是100~133℃。

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