生物化工简介

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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）反应器和生物膜反应器　两大类。

　生物反应器的分类如下： ３　生物化工的主流方向　３．１　现代生物制药　把生物工程技术应用到药物制造的过程称之为生物制药。

生物药品是以微生　物、寄生虫、动物毒素、生物组织为原材料，采用生物学工艺和分离、纯化技术，　并以生物学的分析技术控制中间产物和成品质量制成的生物活化制剂，包括菌　苗、疫苗、毒素、类毒素、血清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克　隆抗体及基因工程产品等。

　３．１．１　生物有机酸的应用　采用发酵法生产的有机酸已在食品、医药、塑料、香料等行业得到应用。

柠　檬酸用途很广，其中用于食品和饮料行业的为　５０％，医药行业为　２０％，化学工　业为　２０％，化妆品为　２％，其他　８％。

柠檬酸是我国最大的出口发酵产品。

Ｌ－苹 果酸主要用于食品业、保健品、化妆品及饮料的酸味剂和防腐剂。

　３．１．２　酶制剂的应用　酶是细胞原生质合成的一种高活性的生物催化剂，由许多氨基酸组成，其催　化性能具有高效和专一性。

酶普遍存在于动物、植物、微生物中，通过采取适当　的理化方法，将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来，加工成具有一定纯　度标准的生化制品，成为酶制剂。

酶制剂主要有　α－（β－）淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、　纤维素酶、碱性蛋白酶和中性蛋白酶等。

　３．１．３　石油微生物炼制　（１）石油脱蜡：利用解脂假丝酵母、拟圆酵母、粉孢霉菌、诺卡氏菌等进　行发酵法脱蜡可出去石油及其馏分产物的蜡质，获得高质量、低凝固点的航空汽　油、高级柴油、变压器油和多种机油。

　（２）石油脱硫：许多地区的原油中含硫量高，这些硫化物腐蚀设备，影响　产品质量，　而且石油产品燃烧时，　还生成　ＳＯ２　污染环境，　因此石油脱硫十分重要。

　（３）石油脱氮：利用土壤中培养出的微生物，通过环羟基化和断裂机理，　使吡啶降解成　ＮＨ３、ＣＯ２　和　Ｈ２Ｏ。

这些微生物能对含氮杂环化合物分子的氧化有　专一性，并能把油中的含氮杂环化合物氧化。

４　生物化工的主要工艺　４．１　分离与提纯　从生物反应器中排出的反应产物是一种混合物，里面除含有目的产品外，还　含有未转化的基质、不能转化的物质、大量的水、微生物体及各种微量杂质。

为　了获得合格的生化产品，并且不浪费其他有用的物质，必须对需要的生化产品进　行分离或提纯。

这一过程称之为“下游加工”，这样可以使其他物质循环使用或再　进行综合利用，既降低了成本又保护了环境。

　４．１．１　固体物质的去除　分离生化反应液的细胞或其他固体物质，是提取生化产品的重要一步。

分离　过程是基于它们的粒度、密度、溶解度和扩散度等的不同实现的，分离的粒度范　围为　０．３￣１０μｍ。

为了提高分离效率要进行预处理，以促进细胞的絮凝。

常用的　去除固体的分离方法是过滤、离心分离、沉降及倾析等。

４．１．２　初步分离　当从反应器出来的反应液除去了不需要的固体颗粒后，一般要进一步把溶液　浓缩，以提高目的产品在溶液中的浓度。

为了实现这一过程，可以使用蒸发、萃　取、沉淀和膜分离等单元操作。

如膜分离技术是一种新型的分离技术，近年来发　展很快。

它是用一种半透明的薄膜，使溶液中的某些组分通过，其他组分被阻止　或截留，从而达到分离的目的。

它包括反渗透法和超滤法。

膜分离法不同于萃取　和沉淀法那样，需要加入溶剂或盐类等其他物质，也不同于蒸发操作，需要加入　热量，膜分离法只是根据物质粒度的大小这一几何特性的差异，来分离物质，因　此产品的损失很少，产率和质量较高。

　４．１．３　产品提纯　产品提纯的目的主要是去除溶液中的各种微量杂质，进一步提高产物的纯　度。

常用的方法有沉淀法、层析法和吸附法。

但是生物产品的提纯，更多用的是　层析法。

　层析法有吸附层析法、　离子交换层析法、　分子筛层析法和亲和层析法等，　根据不同被分离物的特性，选择不同的层析分离方法。

　４．１．４　产品的最终分离　最后一步必须使产品达到规定的质量指标，以适合销售市场的要求。

主要的　单元操作是先离心分离，然后进行干燥或冷冻干燥等。

干燥操作往往是生物产品　的最后工序，其目的是除去物料中的水分，便于产品的保藏和运输。

由于很多的　生物产品，如味精、柠檬酸、酶制剂、抗生素及单细胞蛋白等均是固体产品，因　此干燥操作在生物产品的最终分离方面十分重要。

５　典型生物化工品的生产工艺举例　５．１　有机化工品—丙烯酰胺（ＡＭ）　丙烯酰胺无色、无味，分子式是　Ｃ３Ｈ５ＯＮ　，固体是粉剂的结晶产品，含量　大于　９７％，熔点为　８４．５℃。

水剂产品含丙烯酰胺分别是　２５％、３０％、４０％、５０％　等。

２５％或　４０％的水剂产品，直接用于聚合。

　结构式： 反应方程式如下： 工艺流程： ５．２　食品添加剂—柠檬酸　柠檬酸（ｃｉｔｒｉｃ　ａｃｉｄ），别名枸橼酸，化学名称为　２－羟基丙三羧酸，分子式是　Ｃ６Ｈ８Ｏ７（无水物）　。

柠檬酸有无水物和一水合物两种，无臭，有强酸味，易溶于　水、乙醇和乙醚。

无水柠檬酸为白色晶体颗粒或粉末，相对密度　１．６７，熔点是　１５３℃，在潮湿空气中吸潮，能形成一水合物，一水合物是无色半透明结晶，相　对密度　１．５４２，熔点是　１００￣１３３℃。

　结构简式： 柠檬酸的生产方法有三种，一是由水果提取；二是用化学方法合成，即用草　酰乙酸与乙烯酮缩合制得；三是用发酵法制取。

　发酵法生产柠檬酸是用黑曲霉菌做发酵剂，主要原料是碳水化合物，如从蔗　糖或甜菜中提取的糖蜜、甘薯淀粉、玉米淀粉、马铃薯加工废渣和废液、木薯粉　等。

　生产工艺过程： ６　生物化工的现状与前景　生物化工的发展已经历了半个多世纪，最早主要是生产抗生素；随后，是为　氨基酸发酵、甾体激素的生物转化、维生素的生物法生产、单细胞蛋白生产及淀　粉糖生产等工业化服务。

自　２０　世纪　８０　年代起，随着现代生物技术的兴起，生物　化工又利用重组微生物、动植物细胞大规模培养等手段生产药用多肽、蛋白、疫　苗、干扰素等。

现在，生物化工的应用已涉及到人民生活的方方面面，包括农业　生产、化轻原料生产、医药卫生、食品、环境保护、资源和能源的开发等各领域。

　国际著名咨询公司麦凯锡（ＭｃＫｉｎｓｅｙ　＆　Ｃｏ）预测：生物化工产业　２００７　年　占化学工业总营业收入的　６％，即　１０００　亿欧元，到　２０１２　年将增长至　１５３０　亿欧　元。