選修2.2第二章生物科學(xué)與工業(yè)目錄CONTENCT生物科學(xué)與工業(yè)概述生物質(zhì)能源與工業(yè)應(yīng)用微生物發(fā)酵工程及其在工業(yè)中應(yīng)用酶工程及其在工業(yè)中應(yīng)用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)及其在工業(yè)中應(yīng)用基因工程及其在工業(yè)中應(yīng)用總結(jié)與展望01生物科學(xué)與工業(yè)概述01020304生物催化生物制藥生物材料生物能源生物科學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用利用生物技術(shù)生產(chǎn)生物相容性好的材料，如生物降解塑料、生物基纖維等。通過生物技術(shù)手段生產(chǎn)藥物，包括基因工程藥物、抗體藥物、細(xì)胞治療等。利用生物催化劑（如酶）進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，提高反應(yīng)速率和選擇性，降低能耗和廢棄物排放。利用生物質(zhì)資源生產(chǎn)可再生能源，如生物柴油、生物燃?xì)獾?。初級階段發(fā)展階段成熟階段20世紀(jì)50年代以前，工業(yè)生物技術(shù)主要局限于傳統(tǒng)釀造、發(fā)酵等領(lǐng)域。20世紀(jì)50年代至80年代，基因工程、細(xì)胞工程等技術(shù)的興起為工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展提供了新動力。20世紀(jì)90年代至今，工業(yè)生物技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工、能源等領(lǐng)域。工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展歷程深度融合創(chuàng)新驅(qū)動綠色低碳跨界合作當(dāng)前生物科學(xué)與工業(yè)融合現(xiàn)狀生物科學(xué)與工業(yè)在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)深度融合，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈。生物技術(shù)的不斷創(chuàng)新為工業(yè)發(fā)展提供了源源不斷的新產(chǎn)品、新工藝和新服務(wù)。生物技術(shù)的應(yīng)用有助于降低工業(yè)生產(chǎn)過程中的能耗和廢棄物排放，推動綠色低碳發(fā)展。生物科學(xué)與工業(yè)的合作日益緊密，跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的合作成為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量。02生物質(zhì)能源與工業(yè)應(yīng)用木質(zhì)生物質(zhì)農(nóng)業(yè)廢棄物水生植物動物糞便生物質(zhì)能源種類及特點(diǎn)01020304包括木材、木屑、樹枝等，具有高熱值和較穩(wěn)定的燃燒性能。如秸稈、稻草、玉米芯等，來源廣泛且可再生。如藻類、水草等，生長迅速，富含油脂，可用于生產(chǎn)生物柴油。如雞糞、牛糞等，經(jīng)過處理可作為沼氣原料。80%80%100%生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)通過高溫高壓條件下的熱化學(xué)反應(yīng)，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃?xì)狻⑷加偷?。利用微生物或酶的作用，將生物質(zhì)分解為可燃?xì)怏w或液體燃料。采用物理和化學(xué)方法相結(jié)合，如氣化、液化等，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位能源。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化生物化學(xué)轉(zhuǎn)化物理化學(xué)轉(zhuǎn)化工業(yè)領(lǐng)域生物質(zhì)能源應(yīng)用案例利用生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能發(fā)電，具有環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)。以油脂類生物質(zhì)為原料，通過酯交換反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油，可替代部分石化柴油。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，用于工業(yè)鍋爐、窯爐等設(shè)備的燃料。將生物質(zhì)壓縮成型，提高密度和燃燒效率，用于替代煤炭等傳統(tǒng)燃料。生物質(zhì)發(fā)電生物柴油生產(chǎn)生物質(zhì)燃?xì)馍镔|(zhì)成型燃料03微生物發(fā)酵工程及其在工業(yè)中應(yīng)用微生物代謝與發(fā)酵發(fā)酵過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化發(fā)酵過程的控制微生物發(fā)酵工程基本原理微生物通過分解代謝和合成代謝，將原料中的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，同時(shí)合成新的細(xì)胞物質(zhì)和目標(biāo)產(chǎn)物。通過對發(fā)酵過程中的溫度、pH值、溶氧、攪拌速度等參數(shù)的控制，優(yōu)化微生物的生長和代謝環(huán)境，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。利用微生物的代謝活動，將原料轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的過程。食品工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域環(huán)保領(lǐng)域微生物發(fā)酵工程應(yīng)用領(lǐng)域用于生產(chǎn)面包、啤酒、葡萄酒、醬油、醋等食品，改善食品的風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值。用于生產(chǎn)生物農(nóng)藥、生物肥料等，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，減少化學(xué)農(nóng)藥和化肥的使用。用于生產(chǎn)抗生素、維生素、氨基酸等藥物原料和中間體，以及通過基因工程生產(chǎn)重組蛋白藥物。用于處理有機(jī)廢水、廢氣等污染物，以及生產(chǎn)可生物降解的塑料等環(huán)保材料。原料粉碎→蒸煮→糖化→發(fā)酵→蒸餾→陳釀→勾兌→灌裝。酒精生產(chǎn)工藝流程菌種選育→孢子制備→種子培養(yǎng)→發(fā)酵培養(yǎng)→過濾→萃取→精制→干燥?？股厣a(chǎn)工藝流程原料處理→菌種培養(yǎng)→發(fā)酵→過濾→濃縮→結(jié)晶→干燥。氨基酸生產(chǎn)工藝流程菌種選育→發(fā)酵培養(yǎng)→酶的提取與純化→酶的固定化→酶制劑的制備與應(yīng)用。酶制劑生產(chǎn)工藝流程典型微生物發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程04酶工程及其在工業(yè)中應(yīng)用酶工程基本原理酶工程分類酶工程基本原理及分類酶工程是利用酶或者微生物細(xì)胞、動植物細(xì)胞、細(xì)胞器等具有的生物催化功能，借助生物反應(yīng)裝置，將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)并應(yīng)用于社會生活的一門科學(xué)技術(shù)。它包括酶制劑的制備及應(yīng)用酶催化劑生產(chǎn)各種產(chǎn)品的技術(shù)。根據(jù)酶的特性，酶工程可分為水解酶類、氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、裂合酶類、異構(gòu)酶類和合成酶類等。食品工業(yè)在食品工業(yè)中，酶工程被廣泛應(yīng)用于淀粉糖、有機(jī)酸、釀造、果蔬加工、乳制品、焙烤、肉類制品和蛋白質(zhì)水解物等的生產(chǎn)。醫(yī)藥工業(yè)在醫(yī)藥工業(yè)中，酶工程被用于制造各種抗生素、維生素、激素等藥物，以及生產(chǎn)氨基酸、多肽和蛋白質(zhì)類藥物等。紡織工業(yè)在紡織工業(yè)中，酶工程被用于棉織物的退漿、蠶絲的脫膠和真絲綢的精練等。洗滌劑工業(yè)在洗滌劑工業(yè)中，酶工程被用于生產(chǎn)加酶洗衣粉和液體洗滌劑，提高去污能力。造紙工業(yè)在造紙工業(yè)中，酶工程被用于廢紙脫墨、機(jī)械漿漂白、化學(xué)漿漂白和紙漿的凈化等。飼料工業(yè)在飼料工業(yè)中，酶工程被用于生產(chǎn)飼用復(fù)合酶制劑，提高飼料的利用率和營養(yǎng)價(jià)值。酶工程應(yīng)用領(lǐng)域0102030405原料處理酶解反應(yīng)滅酶處理分離純化干燥包裝典型酶制劑產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程選擇適當(dāng)?shù)脑喜⑦M(jìn)行預(yù)處理，如破碎、浸泡、磨漿等，以便于后續(xù)的酶解反應(yīng)。將預(yù)處理后的原料與特定的酶制劑混合，在一定的溫度、pH值和反應(yīng)時(shí)間下進(jìn)行酶解反應(yīng)，使原料中的大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)。通過加熱或加入化學(xué)試劑等方法使酶失活，終止酶解反應(yīng)。采用過濾、離心、萃取等方法將目標(biāo)產(chǎn)物從反應(yīng)體系中分離出來，并進(jìn)行純化處理以去除雜質(zhì)。將純化后的產(chǎn)物進(jìn)行干燥處理，以便于儲存和運(yùn)輸。最后進(jìn)行包裝和標(biāo)識，以便于產(chǎn)品的使用和管理。05細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)及其在工業(yè)中應(yīng)用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是通過模擬體內(nèi)環(huán)境，在體外提供適宜的營養(yǎng)物質(zhì)和生長條件，使細(xì)胞得以生長、繁殖并維持其結(jié)構(gòu)和功能的一門技術(shù)。根據(jù)培養(yǎng)細(xì)胞的來源和特性，細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)可分為原代細(xì)胞培養(yǎng)、傳代細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞株/系培養(yǎng)等。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)基本原理及分類分類基本原理用于生產(chǎn)疫苗、抗體、基因工程藥物等。生物醫(yī)藥領(lǐng)域用于生產(chǎn)酶制劑、細(xì)胞因子、生長因子等。生物制品領(lǐng)域用于植物組織培養(yǎng)、快速繁殖、種質(zhì)保存等。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用于廢水處理、環(huán)境監(jiān)測、生物修復(fù)等。工業(yè)領(lǐng)域細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域細(xì)胞復(fù)蘇→細(xì)胞擴(kuò)增→病毒接種→病毒擴(kuò)增→病毒收獲→疫苗制備。疫苗生產(chǎn)工藝流程抗體生產(chǎn)工藝流程基因工程藥物生產(chǎn)工藝流程細(xì)胞因子生產(chǎn)工藝流程細(xì)胞復(fù)蘇→細(xì)胞擴(kuò)增→抗體表達(dá)→抗體純化→抗體制劑。基因克隆→基因表達(dá)→蛋白質(zhì)純化→藥物制劑。細(xì)胞培養(yǎng)→細(xì)胞刺激→細(xì)胞因子分泌→細(xì)胞因子純化→細(xì)胞因子制劑。典型細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程06基因工程及其在工業(yè)中應(yīng)用基因工程基本原理基因工程是在分子水平上對基因進(jìn)行操作的復(fù)雜技術(shù)，通過將外源基因通過體外重組后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)，使基因能在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)的操作?；蚬こ谭诸惛鶕?jù)操作對象的不同，基因工程可分為植物基因工程、動物基因工程和微生物基因工程。基因工程基本原理及分類醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)培育轉(zhuǎn)基因作物，提高作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域環(huán)保領(lǐng)域01020403構(gòu)建工程菌用于污水處理、重金屬吸附等環(huán)境治理。通過基因工程技術(shù)生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)類藥物、抗體、疫苗等。利用基因工程菌生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，如酶制劑、有機(jī)酸等?；蚬こ虘?yīng)用領(lǐng)域目的基因的獲取從基因組文庫或cDNA文庫中獲取目的基因，或通過PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因。將目的基因與載體DNA在體外進(jìn)行重組，形成重組DNA分子。選擇適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞，如大腸桿菌、酵母菌或動植物細(xì)胞，將重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞。在受體細(xì)胞中，目的基因得以表達(dá)，產(chǎn)生相應(yīng)的蛋白質(zhì)或多肽。通過相應(yīng)的檢測方法，如SDS、Westernblot等，對表達(dá)產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析。根據(jù)表達(dá)產(chǎn)物的性質(zhì)，采用適當(dāng)?shù)姆蛛x和純化方法，如層析、電泳、超濾等，獲得高純度的目的產(chǎn)品?；虮磉_(dá)載體的構(gòu)建目的基因的表達(dá)與檢測產(chǎn)品的分離與純化受體細(xì)胞的選擇與導(dǎo)入典型基因工程產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程07總結(jié)與展望技術(shù)轉(zhuǎn)化難題生物科學(xué)研究成果向工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化過程中，存在技術(shù)瓶頸和成本問題。法規(guī)政策限制生物技術(shù)的快速發(fā)展與現(xiàn)有法規(guī)政策的滯后性之間存在矛盾，限制了生物科學(xué)與工業(yè)的融合。人才短缺既懂生物科學(xué)又具備工業(yè)技能的復(fù)合型人才短缺，制約了生物科學(xué)與工業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前生物科學(xué)與工業(yè)融合存在問題及挑戰(zhàn)隨著基因測序技術(shù)的發(fā)展，未來醫(yī)療將更加個(gè)性化，精準(zhǔn)醫(yī)療將成為可能。個(gè)性化醫(yī)療利用生物技術(shù)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，如生物塑料、生物燃料等，將成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。生物制造未來發(fā)展趨勢預(yù)測和戰(zhàn)略建議農(nóng)業(yè)生物技術(shù)：通過基因編輯等技術(shù)改良作物性狀，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，保障糧食安全