01 生物工艺学概论.ppt

第1页：生物工艺学课程封面

欢迎大家光临《生物工艺学》课程课件。本套课件系统讲解生物工艺学的基本概念、生物工业菌种、厌氧与好氧发酵机制以及生物工艺过程的优化控制。

第2页：生物工艺学课程名称页

生物工艺学

英文名称 Biotechnology，是以生物学、化学和工程学原理进行工业规模开发与应用的综合性科学技术。

第3页：生物工艺学教学大纲

下表为《生物工艺学》课程教学大纲的章节与学时安排。

第4页：生物工艺学的定义与特点

第一章 绪论

• 一、生物工艺学的定义和特点
• 生物工艺学的概念（又称生物技术，biotechnology）

生物技术的由来

生物技术这一名词首先由匈牙利工程师 Karl Ereky 于 1917 年提出，其含义为：用甜菜作为饲料进行大规模养猪。

第5页：生物工艺学的定义

生物工艺学

是根据生物学、化学和工程学的原理进行工业规模的经营和开发微生物、动植物细胞及其亚细胞组分，进而利用生物体所具有的功能元件（如基因、蛋白质等）来提供商品或社会服务的一门综合性科学技术。

第6页：生物技术的组成与产业化重点

• 生物技术的主要分支：基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、生化工程（仿生生物工程）。
• 产业化重点：优质高产农业新品种、生物芯片、生物反应器、生物技术新型药物和疫苗、人体组织（器官）工程。
• 计划攻关的关键技术：生物工程技术、基因操作技术、生物信息技术、现代农业技术。

第7页：生物工艺学的特点与产业现状

生物工艺学的特点：

• 多学科性：涉及生物学、化学、工程学、生物化学、生物工程、生物技术、化学工程等学科。
• 反应中需有生物催化剂（biocatalyst）。
• 建立工业生产过程或进行社会服务，这一过程可称为生物反应过程。

国内外生物技术产业的发展现状：美国、日本、欧洲等主要发达国家和地区竞相开展生物技术的研究和开发工作，许多国家和机构纷纷建立了独立的政府机构，成立了一系列生物技术研究的生物学、化学与工程学研究组织。

第8页：基因工程药物开发成果

主要发达国家和地区制定了 2010 年或 2020 年的中长期计划，成功地开发了诸如促红细胞生成素（EPO）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）等一批基因工程药物，取得了巨大的经济效益。

1978 年，美国 Genentech 公司的科学家们成功地把编码人胰岛素的两条链的基因转到一个载体上，并在大肠杆菌中获得表达。

第9页：国内外生物技术公司数量

1980 年至 1983 年间，仅在美国就成立了约 200 家生物技术公司，到 1985 年已发展到 400 多家，现已达 1500 多家；欧洲也有 800 多家；日本有 300 多家。

我国是最早利用生物技术的国家之一，现已成为世界发酵产品市场的重要竞争者，多种发酵产品的产量和出口量剧增。

第10页：我国发酵产品与产业展望

我国柠檬酸（citric acid）的生产工艺和技术达世界先进水平，产量居世界首位。

未来，我国高技术将着眼于解决事关国家长远发展和国家安全的战略性、前沿性和前瞻性问题，发展自主知识产权高技术，培育产业新的增长点，争取 5～10 年时间使生物技术进入世界先进行列，成为国民经济的支柱产业之一。

第11页：生物反应过程流程图

生物反应过程的特点：常温条件下进行，操作条件温和；一种设备多种用途；原料不含有毒物质；可在单一设备中进行；容易进行复杂的高分子化合物的生产。

流程环节：经加工的原材料（原料、底物、培养基、营养物）经灭菌（热）后进入生物反应器，细胞与酶构成生物催化剂，配合检测控制（monitor）、无菌空气（sterilized air），最后经提取（extract）得到产品、副产品与残渣。

第12页：生物反应过程的其他特点

• 能够高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团的导入等。
• 生产产品的生物体本身也是产物。
• 生产过程中需注意防止杂菌污染。

第13页：微生物产品类型

通过改良生物体生产性能，可利用原有的生产设备使生产能力大幅度提高。

微生物产品类型：

• 微生物菌体发酵：以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的，特点是细胞的生长与产物的积累呈平行关系。
• 微生物酶发酵。
• 微生物代谢产物发酵：初级代谢产物是菌体生长所必需的、在对数生长期产生的物质；次级代谢产物与菌体生长繁殖无明显关系，在菌体生长的稳定期合成。
• 微生物的生物转化：特异性强。
• 微生物特殊机能的利用。

第14页：传统生物技术的追溯

生物技术发展简史——传统生物技术的追溯：

• 最原始的啤酒出自居住于两河流域的苏美尔人之手，距今至少已有 9000 多年的历史；我国古代的原始啤酒也有 4000 至 5000 年的历史。
• 初期代谢产品的出现：荷兰的 Antony van Leeuwenhoek（1632—1723）制作了世界上第一台显微镜，人们由此认识了微生物。

第15页：纯种培养技术与酶的发现

• 19 世纪 60 年代，法国科学家巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）首先证实酒精发酵是由酵母引起的，由此建立了纯种培养技术。
• 1897 年，德国人毕希纳发现了酶。

第16页：近代发酵工业的形成

• 19 世纪末到 20 世纪 20～30 年代，发酵工业过程陆续出现。
• 近代生物产品的出现：出现于 20 世纪 40 年代的抗生素，50 年代的氨基酸工业和 60 年代酶制剂工业、有机酸工业的发展，使产品多样化。

第17页：现代生物技术的兴起

现代生物技术产品的挑战：随着现代生物技术——DNA 重组技术和原生质体融合技术的出现与发展，现代生物技术产品应运而生。

• 十九世纪，人们就已经发现了蛋白质；到二十世纪初，组成蛋白质的 20 种氨基酸被相继发现（Fisher）。

第18页：基因学说与生物大分子认识

• 二十世纪初，美国遗传学家 Morgan 提出了基因学说。他指出：种质必须由独立的要素组成，这些要素称为遗传因子，或者简单地称为基因。
• 还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成；细胞的其他成分，如脂类、糖类和核酸也相继被认识和部分纯化。
• 1910 年，德国科学家 Kossel 首先分离得到了腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。

第19页：DNA双螺旋模型的提出

1953 年 Watson 和 Crick 提出 DNA 右手双螺旋模型（相关文章发表于 Nature 杂志），于 1962 年和 Wilkins 共享诺贝尔生理医学奖。

时年 James Watson 23 岁（丹麦哥本哈根），Francis Crick 35 岁（剑桥大学 Cavendish Lab.）。

第20页：蛋白质序列分析与中心法则

• 同年，Sanger 首次阐明了胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的先河，他于 1958 年获诺贝尔化学奖。
• 1954 年 Crick 提出遗传信息传递的中心法则。

第21页：胰岛素研究与半保留复制

• 1955 年，Sanger（英）确定牛胰岛素的一级结构。
• 1958 年，Meselson 和 Stahl 提出了 DNA 的半保留复制。
• 1965 年，首次人工合成结晶牛胰岛素——中国。

第22页：重组DNA技术的建立

• 1972 年 10 月，保罗·伯格（Paul Berg）与 Boyer 等人创建了第一个重组 DNA 分子（发表于《美国国家科学院院报》）。
• 1973 年，基因重组技术建立（美）。

第23页：PCR技术的发明

1985 年 12 月，Mullis 发明了 PCR 技术（发表于 Science）。1993 年 Mullis 与第一个设计定点突变的 Smith 共享了诺贝尔化学奖。

第24页：人类基因组计划启动

1988 年沃森（Watson）出任“人类基因组计划”首席科学家，举世瞩目的人类基因组测序工作开始启动。

第25页：基因组测序的里程碑

• 1996 年，酵母基因组 DNA 的全部序列测定工作完成。
• 2000 年 6 月 26 日，人类基因组工作框架图绘制完成。

第26页：课程的内容与任务

生物工艺原理课程的内容和任务

• 课程的内容
• 课程的任务

第27页：教材与主要参考资料

教材

《生物工艺学原理》，贺小贤主编，化学工业出版社。

主要参考资料

《新编生物工艺学》，俞俊堂等主编；《微生物工艺学》，陈声主编。