《生物工艺学概论》课件：探索生物技术与工艺的奥秘

生物工艺学概论探索生物技术与工艺的奥秘生物工艺学是一门探索生物技术与工艺奥秘的重要学科，它为发酵工程、酶工程、环境微生物工程等专业课程奠定坚实基础随着全球生物技术产业的蓬勃发展，该领域的市场价值已超过亿美元4750本课程将带领学生深入了解生物工艺学的基本原理、核心技术和实际应用，培养学生运用生物学、化学和工程学知识解决实际问题的能力通过系统学习，学生将掌握从实验室研发到工业化生产的完整工艺流程课程概述1课程目标掌握生物工艺学基本原理与应用，培养分析和解决生物工艺问题的能力2课程范围涵盖生物技术基础理论、工艺流程设计、应用领域等核心内容3学习方法采用理论学习与实践操作相结合的教学模式，注重实际应用能力培养4考核方式平时作业，实验报告，期末考试的综合评价体系30%20%50%第一部分生物工艺学基础学科定义发展历程现代地位生物工艺学是研究生物技术产品生产工从传统发酵技术到现代生物技术，生物在现代生物技术体系中，生物工艺学扮艺的综合性学科，融合了生物学、化学工艺学经历了从经验到科学的重要转变演着连接基础研究与产业应用的关键桥和工程学的核心理论梁作用生物技术的历史发展年概念提出年药物突破19171982匈牙利工程师首次提出生物技术概念，最第一个基因工程药物人胰岛素获得批准，开启了生Karl ErekyFDA初定义为用甜菜作为饲料进行大规模养猪的技术物制药的新纪元1234年代现代兴起年后快速发展19702000现代生物技术正式兴起，重组技术的发明标志着组学技术与合成生物学快速发展，生物技术应用领域不DNA生物技术进入全新时代断扩大生物工艺学的定义与范围科学定义研究范围根据生物学、化学和工程学原理，涵盖从实验室研发到工业化规模研究生物技术产品生产工艺的综生产的全过程，包括工艺设计、合性科学核心目标是开发和优过程控制、设备选型和系统优化化生物技术产品的生产流程等各个环节关键原理以生物转化为核心，结合分离纯化技术和质量控制体系，实现高效、经济、环保的生物产品生产生物工艺学与相关学科关系上游学科平行学科12分子生物学、微生物学、生物化学为生物工生物反应工程、生物分离工程构成生物工艺艺学提供理论基础学的核心技术支撑应用领域下游学科医药、食品、农业、环保、能源等多个产业发酵工程、酶工程、环境微生物工程是生物43领域的技术应用工艺学的具体应用分支生物工艺学的特点催化特异性温和条件环境友好生物催化剂具有高度特反应在常温常压下进行，利用可再生资源，减少异性和高效性，能够实降低了能耗和设备要求环境污染，符合绿色制现精确的化学转化造理念过程复杂工艺具有复杂性和不确定性，需要精确控制和优化第二部分生物反应基础生物反应类型了解酶催化反应、微生物代谢等不同类型生物反应的基本原理和特征反应机制深入研究生物反应的分子机制，掌握反应动力学和调控机制影响因素分析温度、、营养条件等环境因素对生物反应的影响规律pH酶催化反应原理结构功能关系酶的三维结构决定其催化功能，活性位点的空间构象影响底物特异性和催化效率米氏方程动力学描述酶催化反应速率与底物浓度关系，值反映酶对底物的亲和力Km环境影响因素温度、、底物浓度等因素通过改变酶构象和活性位点环境影响催化pH活性固定化应用酶固定化技术提高酶稳定性，实现重复使用，在工业生产中具有重要应用价值微生物代谢类型好氧呼吸效率最高，产最多ATP无氧呼吸以其他化合物为电子受体发酵代谢无外在电子受体的厌氧过程微生物根据环境条件采用不同的能量代谢方式好氧呼吸效率最高，每分子葡萄糖可产生个无氧呼吸使用硝酸盐、硫酸盐等38ATP作为电子受体发酵是最原始的代谢方式，虽然能量效率较低，但在厌氧环境中具有重要意义发酵类型与产物乙醇发酵酵母菌将糖类转化为乙醇和₂CO乳酸发酵乳酸菌产生乳酸，应用于食品加工混合酸发酵肠杆菌科细菌产生多种有机酸不同类型的发酵产生不同的最终产物乙醇发酵主要用于酒精饮料和燃料乙醇生产乳酸发酵广泛应用于酸奶、泡菜等发酵食品制造混合酸发酵可同时产生乙酸、乳酸、琥珀酸等多种有机酸，在化工原料生产中具有重要价值微生物生长动力学迟滞期指数期细胞适应环境，酶系统激活，生长缓慢细胞快速分裂，生长速率达到最大值衰亡期稳定期细胞死亡率超过增殖率，总数下降营养耗尽或毒素积累，生长停止生物反应的影响因素°35C最适温度大多数中温微生物的最适生长温度

7.0中性pH多数微生物适宜的范围为pH

6.5-

7.520%溶氧浓度好氧发酵中溶氧饱和度的最低要求C:N:P营养比例是微生物生长的基本营养比例100:10:1溶解氧对发酵的影响第三部分生物工艺设计原理实验室研究基础研究与概念验证中试放大工艺参数优化与验证工业化生产大规模稳定生产经济分析成本效益评估与优化生物工艺设计的基本流程实验室研究阶段进行菌种筛选与改良，确定最佳生产菌株，建立基础培养条件和检测方法中试研究阶段在中试规模下优化工艺参数，验证放大可行性，建立质量控制标准工业化生产阶段实现大规模稳定生产，建立完善的质量保证体系和过程控制系统工艺路线选择通过技术经济分析比较不同工艺路线，选择最优化的生产方案上游工艺设计菌种保藏技术采用液氮冷冻、冷冻干燥等方法长期保存生产菌株，确保遗传稳定性培养基设计根据微生物营养需求设计最优培养基配方，平衡成本与性能接种工艺确定最适接种量和接种方式，缩短迟滞期，提高生产效率原料预处理对生物原料进行适当预处理，提高利用率，降低生产成本生物转化工艺设计反应器选择操作模式过程控制根据产物特性和工艺要求选择合适的生批次培养操作简单，适合小规模生产建立关键工艺参数的在线检测与实时调物反应器类型搅拌式反应器适用于大补料分批培养可提高细胞密度和产物浓控系统，包括温度、、溶氧、泡沫等pH多数发酵过程，气升式反应器适合剪切度连续培养稳定性好，适合大规模生参数的自动控制，确保工艺稳定性敏感的细胞培养产下游工艺设计固液分离去除细胞和固体杂质粗提取初步浓缩和提取目标产物精制纯化去除杂质，提高产品纯度制剂包装最终产品的制剂和包装下游工艺设计是生物工艺的重要组成部分，通常占总生产成本的工艺设计需要考虑产物的理化性质、纯度要求、生产规模和经济性合理50-80%的工艺流程设计能够显著降低生产成本，提高产品质量和收率生物工艺放大原理相似性原理几何、动力学、传质相似性关键参数氧传递系数、混合时间、剪切力放大比例通常采用倍的逐级放大10-100风险控制中试验证与工艺参数优化生物工艺放大是将实验室规模的工艺成功转移到工业规模的关键步骤放大过程中需要保持关键工艺参数的一致性，特别是氧传递系数、kLa混合时间和剪切应力成功的放大需要深入理解工艺机理，建立可靠的数学模型，并通过中试验证确保工艺的可行性和经济性生物工艺的经济性分析第四部分生物反应器技术反应器类型设计原则传递现象搅拌式、气升传质传热特性、质量传递、热式、固定床等放大规律、控量传递、动量不同类型反应制策略的综合传递的工程分器的特点与应考虑析用过程控制参数检测、自动控制、优化调节的技术实现生物反应器的类型搅拌式生物反应器气升式生物反应器最常用的反应器类型，具有良好的混合效果和传质性能适用于结构简单，剪切力小，能耗低特别适合剪切敏感的细胞培养和大多数微生物发酵和细胞培养过程大规模生产固定床反应器膜生物反应器细胞或酶固定在载体上，可连续操作，易于产物分离适合酶催结合生物反应和膜分离技术，可实现细胞截留和产物连续分离，化和连续发酵过程提高反应效率搅拌式生物反应器结构特点操作参数工业应用由反应容器、搅拌系统、通气系统、温搅拌速度、通气速率和功率消耗是关键广泛应用于抗生素、氨基酸、有机酸等控系统和检测装置组成搅拌器通常采操作参数典型的搅拌功率为大宗发酵产品生产容积可从几升到数2-5用涡轮、轴流式或径流式叶轮，，通气速率为，可根百立方米，是现代发酵工业的主力设备Rushton kW/m³

0.5-

2.0vvm确保良好的混合效果据具体工艺需求调整气升式生物反应器上升区气液分离气体通入产生气液混合物上升流动顶部气液分离，气体逸出循环混合下降区形成自然循环实现混合传质液体在重力作用下回流下降气升式生物反应器利用气体通入产生的密度差驱动液体循环与搅拌式反应器相比，具有结构简单、维护方便、剪切力小的优点特别适用于动物细胞培养、微藻培养和对剪切敏感的发酵过程能耗约为搅拌式反应器的1/3固定床与流化床反应器载体选择多孔玻璃珠、活性炭、聚氨酯泡沫等材料作为细胞固定载体，提供大比表面积固定化技术包埋法、吸附法、共价结合法等方法将细胞或酶固定在载体上，保持生物活性连续操作底物连续进入，产物连续输出，实现稳态操作，提高设备利用率和生产效率催化剂回收固定化生物催化剂可重复使用，降低生产成本，简化产物分离过程生物反应器的传质特性

0.02氧传递系数典型搅拌式反应器的值（秒）kLa/8氧溶解度°水中氧气饱和浓度（）25C mg/L100传质推动力气液界面氧浓度梯度（）mg/L3传质阻力主要阻力气膜、液膜、生物膜传质是生物反应器设计的核心问题氧传递速率必须满足微生物的氧吸收速率需求值是衡量反应器传质性能的关键参数，OTR OURkLa受搅拌强度、通气速率、介质性质等因素影响提高传质效率的策略包括优化搅拌器设计、增加通气量、改善气泡分散等生物反应器的通气与搅拌通气与搅拌系统的协调配合是确保良好传质效果的关键气体分散器的设计影响气泡大小和分布，进而影响气液传质面积搅拌系统不仅提供混合动力，还能打碎大气泡，增加传质界面功率数和气体分散能力的平衡是系统优化的重点现代生物反应器通常采用多级搅拌和分层通气设计生物反应器的温度控制生物反应器的参数检测与控制在线检测温度、、溶氧、泡沫等基本参数的实时监测，为过程控制提供数据支pH持生物量测定采用浊度、电容、图像分析等技术实现生物量的在线检测和估算代谢产物分析利用在线色谱、质谱、近红外等分析技术实时监测产物浓度变化智能控制应用人工智能算法优化控制策略，实现自适应控制和预测控制第五部分发酵工艺技术1工艺分类按产物类型、氧气需求、操作方式等不同标准对发酵工艺进行分类2过程设计从菌种选育到产物回收的完整工艺流程设计与优化3典型案例抗生素、氨基酸、有机酸等重要发酵产品的工艺分析4技术进展现代发酵工业的最新技术发展趋势和应用前景发酵工艺的特点与分类初级代谢产物次级代谢产物与细胞生长相关的产物，如氨基酸、有机酸与细胞生长无关的产物，如抗生素、色素连续发酵好氧发酵连续进料出料的稳态操作需要充足氧气供应的发酵过程批次发酵厌氧发酵间歇式操作，周期性生产在无氧或低氧条件下进行的发酵工业发酵过程设计1菌种选育与保藏筛选高产菌株，通过诱变、杂交或基因工程技术改良菌种性能，建立菌种保藏体系培养基优化设计经济高效的培养基配方，平衡营养成分与生产成本，提高产物产率工艺参数控制确定最适温度、、溶氧等关键参数，建立稳定的过程控制策略pH污染防控建立严格的无菌操作体系，制定污染预防和应急处理方案抗生素发酵工艺青霉素发酵链霉素发酵头孢菌素发酵采用青霉菌发酵生产，典型的次级代谢利用链霉菌生产，具有广谱抗菌活性半合成抗生素的重要前体发酵过程对产物发酵周期小时，需要严格发酵过程需要控制磷酸盐浓度，避免产营养条件要求严格，需要精确控制碳氮120-150控制和溶氧补料策略对提高产量至物分解发酵液需维持在比产物对和温度敏感pH pH

7.0-

7.5pH关重要氨基酸发酵工艺基因工程菌构建高产工程菌株1代谢调控2解除反馈抑制机制发酵控制精确控制培养条件产物提取离子交换树脂分离氨基酸发酵是现代生物技术的重要应用领域谷氨酸发酵采用谷氨酸棒杆菌，通过生物素限制诱导产酸赖氨酸发酵需要构建苏氨酸、蛋氨酸抗性突变株解除反馈抑制苏氨酸发酵采用同源丝氨酸抗性菌株，发酵液浓度可达以上现代氨基酸工业普遍采用基因工程菌株，产率和效率显100g/L著提高有机酸发酵工艺柠檬酸发酵黑曲霉菌株，低条件，锰离子限制pH乳酸发酵乳酸菌发酵，同型或异型发酵途径丙酸发酵丙酸杆菌，琥珀酸途径代谢提取纯化酸化、萃取、结晶等分离技术酶制剂发酵工艺蛋白酶生产采用枯草芽孢杆菌发酵生产碱性蛋白酶发酵温度°，，发酵周期37C pH

7.0-

7.548-72小时产酶高峰期需严格控制通气和搅拌淀粉酶制备利用黑曲霉或米曲霉生产淀粉酶培养基以淀粉为主要碳源，诱导酶合成发酵过程α-需控制在范围内pH

5.0-

6.0纤维素酶发酵采用木霉菌属微生物生产纤维素酶复合物以纤维素或纤维素酶诱导物为碳源，发酵周期较长，通常需要天5-7酶制剂制备发酵液经过滤、浓缩、喷雾干燥等工艺制成粉状产品添加稳定剂和载体，确保酶活性和储存稳定性生物能源发酵技术生物乙醇生物丁醇沼气工程利用酵母菌发酵糖类原梭菌发酵生产丁醇，能厌氧消化有机废料产生料生产燃料乙醇，转化量密度高，可直接替代甲烷，实现废物资源化率可达理论值的汽油使用利用95%微藻产油光合自养微藻积累脂类，提取制备生物柴油第六部分生物分离纯化技术分离挑战生物产品热敏感、结构复杂，要求温和分离条件和高纯度标准技术选择根据产物性质选择合适的分离技术，优化工艺参数和操作条件工艺集成将多种分离技术有机结合，构建高效经济的分离纯化工艺流程生物分离纯化的特点与挑战50-80%

99.9%成本占比纯度要求分离纯化在生物产品总成本中的比例医药级生物产品的最低纯度标准°4C1000操作温度分子量范围多数生物产品分离的适宜温度生物大分子分子量变化范围（千道尔顿）生物分离纯化面临独特挑战生物产品通常对温度、敏感，要求温和的分离条件复杂的生物体系含有多种结构相似的组分，分离难度大高纯度要求使得分离工艺复杂，成pH本高昂绿色分离技术发展趋势要求减少有机溶剂使用，提高环境友好性固液分离技术固液分离是生物分离纯化的第一步，目的是去除细胞和固体杂质离心分离效率高但能耗大，适合中小规模生产膜分离技术具有分离精度高、操作连续的优点，在大规模生产中应用广泛过滤技术简单可靠，但易堵塞，需要定期清洗或更换滤材选择合适的固液分离技术需要综合考虑处理量、分离精度、设备投资和操作成本等因素细胞破碎技术物理破碎化学破碎酶法破碎高压均质器通过高压剪切力破碎细胞，碱裂解法常用于质粒提取，操作简溶菌酶专一性破碎细菌细胞壁，条件温DNA破碎效率高达以上超声波破碎适单但可能影响产物活性表面活性剂破和，不影响胞内产物活性蛋白酶可用95%合小规模处理，能量利用率较低珠磨碎条件温和，但需要后续去除步骤渗于某些特殊细胞的破碎成本较高但产法使用玻璃珠研磨，适合酵母等厚壁细透压冲击适合动物细胞破碎物质量好胞萃取与沉淀技术溶剂萃取水相两相选择合适有机溶剂，实现目标产物选择盐系统形成两相，温和分离蛋白质PEG-2性提取盐析沉淀超临界萃取硫酸铵等盐类诱导蛋白质沉淀析出₂超临界流体，环保高效的萃取技术CO层析纯化技术离子交换层析根据电荷差异分离蛋白质，分辨率高，载量大阳离子交换适合分离碱性蛋白，阴离子交换适合酸性蛋白分子筛层析按分子大小分离，温和条件下保持生物活性适合蛋白质脱盐、缓冲液置换和分子量测定亲和层析利用生物分子特异性结合，纯化效果最佳配基设计是关键，洗脱条件需要优化成本较高但纯度极高高效液相色谱分析和制备级技术，分辨率极高适合高附加值产品的精细纯化，HPLC但处理量有限结晶与干燥技术控制结晶温度、浓度、精确控制pH冷冻干燥升华脱水，保持生物活性喷雾干燥雾化快速脱水，生产效率高产品保护添加保护剂，维持稳定性结晶是获得高纯度产品的重要方法，需要精确控制结晶条件冷冻干燥技术在低温真空下进行，最大程度保持生物活性，但成本较高喷雾干燥处理量大、效率高，适合热稳定性好的产品产品保护剂如海藻糖、甘露醇等能够防止蛋白质变性，延长储存期。