生化工程教学汇总

第一章绪论

一生化工程由来

1. 传统的发酵业－天然发酵

➢酿酒：BC 2100 古巴比伦Hammurabi典籍记载；

➢中国商代“酒池肉林”，酿酒业已很发达，BC1300前；

➢古罗马，希腊，埃及，印度等都有相关记载；

➢用于制作面包和储存食品奶酪；

2．第一代微生物发酵技术－纯培养技术建立

➢1680年荷兰：列文虎克（40－150倍）显微镜观察到微生物：细菌、酵母等

➢1857年法国：巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由于酵母引起。

➢1897年德国：毕希纳酵母细胞磨碎－酵母汁使糖液发酵产生酒精－酵母体内的酶➢德国：柯赫发明了固体培养基－获得细菌的纯培养物

人为控制发酵过程，简单的发酵罐（以厌氧发酵和表面固体发酵为主），生产酵母、酒精、丙酮、丁醇、有机酸、酶制剂等

3．第二代微生物发酵技术－深层培养技术建立

➢1928年英国弗莱明发现点青霉可以产生抑制葡萄球菌生长的青霉素

➢20世纪40年代：青霉素的大量需求－需氧发酵工业化生产

建立了高效通气搅拌供氧（深层培养）技术、无菌空气的制备技术及大型生物反应器灭菌技术，促进了生物制品的大规模工业化－进入微生物发酵工业新阶段

微生物学，生物化学与化学工程相结合，标志着生物化学工程（Biochemical Engineering）的诞生

1964年，Aiba认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中比拟放大是焦点1973年，Aiba从发酵过程的物理现象解析与设备开发转向对微生物反应的定量研究－反应动力学研究

生化工程逐渐细化为生物反应工程、生化控制工程、生化分离工程、生化系统工程

4．第三代微生物发酵技术－微生物工程

➢1953年Waston, Crick发现了DNA双螺旋结构

➢1973年转基因技术的建立

➢利用微生物生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，➢生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料；生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等

二发酵工程的组成

发酵工程三部分组成：

上游工程（上游技术），发酵工程（中游技术）和下游工程（下游技术）。

上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。

发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。主要有发酵原料和发酵罐以及各种连接管道灭菌技术；空气灭菌技术；菌种的扩大培养；过程设计；反应器设计及控制等

下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术，细胞破壁技术，蛋白质纯化技术，产品的包装处理技术等

三生物化学工程的定义

•又称生化工程或生物化工

•是生物化学与化学工程相互渗透形成的一门学科。以微生物为研究主体，生物化学为理论基础，应用工程学实践技术，从动态、定量和微观的角度，揭示生物化学工业过程的本质。

四生化工程的研究领域

•生物工程的上游技术：生物化学、生物物理、分子生物学、遗传学、细胞培养、育种等

•生物工程的下游技术：生物初级制品的分离、纯化、精制到产品的过程

•生化工程贯穿于上下游技术之中：生化反应工程学（反应动力学、反应器性能），产品后处理技术（分离纯化手段）等

五生化工程重点研究内容

•新型生物反应器的研究开发

1)传统的生物反应器

2)新型的生物反应器

•新型分离方法和设备的研究开发

•描述生物反应过程的数学模型的建立

•生产过程控制手段的改进：在线反映反应器参数的传感器及计算机控制系统软件六生化工程的应用

•2000年生物制品5600－6900亿美元，其中医药制品占55％，农产品14％，食品及动物饲料7.5%

•医药工业：激素、胰岛素、抗生素、干扰素、维生素等

•食品工业：传统调味剂、醇类饮料、氨基酸、单细胞蛋白、甜味剂等

•化工、冶金工业：微生物合成许多化工原料

•能源和环境保护：生物产甲烷、乙醇；微生物产氢等；微生物处理污水、工业生活垃圾

第二章培养基灭菌（5学时）

目的：发酵过程要求纯培养

需要：培养基、发酵罐及管道、空气进行灭菌

生产环境消毒

第一节概述

灭菌（sterilization）利用物理或化学手段除去物体的所有生活微生物的方法。消毒（disinfection; sterilization）仅除去病原微生物的措施。

一灭菌方法

1．加热灭菌

火焰灭菌：彻底、快速。适用于：接种

干热灭菌：160～170℃，1~2h 适用于：保持干燥的物料、设备等

湿热灭菌：不同温度的蒸汽灭菌。简单经济，应用广泛

2．射线灭菌

紫外线、阴极射线、x射线等

适用于：表面灭菌

3．化学药剂灭菌

二培养基及有关设备的灭菌方法

1．实罐灭菌（实消）：培养基与发酵罐同时灭菌。

分批灭菌属于实罐灭菌方式

方法：预热－加热－冷却

2．连续灭菌(连消)：培养基通过连续灭菌装置，

快速连续加热灭菌，后进入灭菌的空罐。

方法：

连续灭菌装置：板式热交换器连续灭菌

蒸汽喷射连续灭菌

连消塔保温罐连续灭菌

3. 空罐灭菌：空罐体灭菌

罐压：1.5~2.0×105Pa；罐温：125～130℃，时间：30～45min

4. 发酵附属设备及管道灭菌：

管道：罐压：>3.5×105Pa；时间：1～1.5h

补料罐：糖水罐罐压：1.5×105Pa；时间：30min

消泡剂罐罐压：1.5~1.8×105Pa；时间：60min

空气过滤器：罐压：>3.5×105Pa；蒸汽从上至下通入

第二节加热灭菌的原理

●培养基灭菌要求：

达到需要的无菌程度；

有效成分受热破坏程度尽可能低。

●灭菌工作关键：控制加热温度和受热时间

一、加热灭菌原理影响

1、微生物的热阻：微生物对热的抵抗力称为热阻。

（1）微生物对热的抵抗能力

•营养细胞：在60℃加热10 min 全部死亡；

•细菌芽孢：能耐较高的温度，在100℃需要几分钟甚至几小时才能被杀灭；

•嗜热菌的芽孢：120℃，39 min 或更长时间才能杀灭。

（2）致死温度：杀死微生物的极限温度。

（3）致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所需要的时间。在致死温度以上，温度愈

表14-5 微生物对湿热的相对抵抗力

微生物名称大肠杆菌细菌芽孢霉菌孢子病毒

相对抵抗力 1 3000000 2~10 1~5