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1、第8章生物化工p生物化工的特点与发展概况p生物化工的应用领域p生物化工的生产工艺技术p典型生物化工生产化工产品举例p生物化工发展趋势8.18.1生物化工的特点与发展概况生物化工的特点与发展概况生物技术是在生物学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等基础上发展起来的，是由基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大先进技术组成的新技术群。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。定义：生物化工特点生物化工特点（1 1）以以生生物物为为对对象象，常常以以有有生生命命的的活活细细
2、胞胞或或酶酶为为催催化化剂剂，创创造造必必要要的的生生化化反反应应条条件件，不不依依靠靠地地球球上上的的有有限限资资源源，着着眼眼于于再再生生资资源的利用。源的利用。（2 2）由由于于细细菌菌不不耐耐高高温温，需需在在常常温温常常压压下下连连续续化化生生产产，工工艺艺简简单单，并可节约能源，减少环境污染。并可节约能源，减少环境污染。（3 3）定定向向地地按按人人们们的的需需要要创创造造新新物物种种、新新产产品品和和有有经经济济价价值值的的生生命命类类物物质质，开开辟辟了了生生产产高高纯纯度度、优优质质、安安全全可可靠靠的的生生物物制制品品的的新途径。新途径。（4 4）生生物物化化工工为为生生物
3、物技技术术提提供供了了高高效效率率的的反反应应器器、新新型型分分离离介介质质、工艺控制技术和后处理技术，扩大了生物技术的应用范围。工艺控制技术和后处理技术，扩大了生物技术的应用范围。世界生物化工行业的现状世界生物化工行业的现状生物化工发展至今已经历了半个多世纪，最早主要是生生物化工发展至今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、舀体激素的生物转产抗生素；随后，是为氨基酸发酵、舀体激素的生物转化、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。随着生物化工上游技术产等工业化服务。随着生物化工上游技术生物工程生物工
4、程技术的进步以及化学工程、信息技术技术的进步以及化学工程、信息技术(IT)(IT)和生物信息学和生物信息学等学科技术的发展，生物化工将迎来又一个崭新的发展等学科技术的发展，生物化工将迎来又一个崭新的发展时期。时期。9O9O年代中期，美国生物化工企业有：年代中期，美国生物化工企业有：20002000多家，西欧有多家，西欧有580580多家，日本有多家，日本有300300多家。多家。世界大公司正把注意力向生命科学部分转移世界大公司正把注意力向生命科学部分转移生物化工的发展生物化工的发展我国生物化工行业的现状及存在的问题我国生物化工行业的现状及存在的问题生物化工产品也涉及医药、保健、农药、食品与饲生
5、物化工产品也涉及医药、保健、农药、食品与饲料、有机酸等各个方面。料、有机酸等各个方面。但是与发达国家相比，我国生物化工行业存在着许但是与发达国家相比，我国生物化工行业存在着许多问题：多问题：一是我国的生物化工产业主要以医药、轻工、食品一是我国的生物化工产业主要以医药、轻工、食品业为主业为主;二是产品结构不合理，品种单一，低档次产品重复二是产品结构不合理，品种单一，低档次产品重复生产，不能适应需求。在我国高档的医药生化产品生产，不能适应需求。在我国高档的医药生化产品如激素、生长因子、干扰素、药用多肽等，有的产如激素、生长因子、干扰素、药用多肽等，有的产量很小，有的没有生产，因此每年都需进口。量很
6、小，有的没有生产，因此每年都需进口。三是在生产技术上，工艺、设备不配套，上下游三是在生产技术上，工艺、设备不配套，上下游技术不配套，产物的收得率低。我国虽然某些产技术不配套，产物的收得率低。我国虽然某些产品如柠檬酸、乳酸等发酵水平较高，但大多数产品如柠檬酸、乳酸等发酵水平较高，但大多数产品的收率都低于国外，酶制剂的活力也明显低于品的收率都低于国外，酶制剂的活力也明显低于国外，生化反应器和分离纯化技术更是落后国外国外，生化反应器和分离纯化技术更是落后国外15-2015-20年。每年都要花费大量资金从国外进口生年。每年都要花费大量资金从国外进口生物反应器、细胞破碎机、分离纯化设备及分离介物反应器、
7、细胞破碎机、分离纯化设备及分离介质、生物传感器和计算机监控设备。质、生物传感器和计算机监控设备。四是有些产品投入产出比达四是有些产品投入产出比达15 15 以上，造成严重的以上，造成严重的资源浪费和环境污染。资源浪费和环境污染。五是基础研究薄弱，技术创新能力不强，企业的五是基础研究薄弱，技术创新能力不强，企业的技术开发、技术吸收能力差，生产发展多数依靠技术开发、技术吸收能力差，生产发展多数依靠传统的夕蜒型、粗放型扩大投资的增长模式，效传统的夕蜒型、粗放型扩大投资的增长模式，效益低、市场竞争力低。益低、市场竞争力低。8.28.2生物化工的应用领域生物化工的应用领域 把把生生物物工工程程技技术术应
8、应用用到到药药物物制制造造的的过过程程称称之之为为生生物物制制药药。生生物物药药品品是是以以微微生生物物、寄寄生生虫虫、动动物物毒毒素素、生生物物组组织织为为原原材材料料，采采用用生生物物学学工工艺艺和和分分离离、纯纯化化技技术术，并并以以生生物物学学的的分分析析技技术术控控制制中中间间产产物物和和成成品品质质量量制制成成的的生生物物活活化化制制剂剂，包包括括菌菌苗苗、疫疫苗苗、毒毒素素、类类毒毒素素、血血清清、血血液液制制品品、免免疫疫制制剂剂、细细胞胞因因子子、抗抗原原、单单克克隆隆抗抗体体及基因工程产品等。及基因工程产品等。现代生物制药现代生物制药基基本本制制造造方方法法发酵法（发酵法（
9、Zymotechnics）化学合成（化学合成（Chemical synthesize）组织培养法（组织培养法（Tissue culture）现代生物技术现代生物技术(Modern Biotechnics)现代生物制药现代生物制药生化制药的六个阶段生化制药的六个阶段原料的选择和预处理原料的选择和预处理 原料的粉碎原料的粉碎 提取提取 纯化纯化 浓缩浓缩 制剂制剂现代生物制药现代生物制药 基基因因工工程程是是在在体体外外对对生生物物的的遗遗传传物物质质基基因因进进行行剪剪切切、拼拼接接、重重新新组组合合，与与适适宜宜的的载载体体连连接接，构构成成完完整整的的基基因因表表达达系系统统，然然后后导导入
10、入宿宿主主生生物物细细胞胞内内，与与原原有有遗遗传传物物质质整整合合或或以以质质粒粒形形式式单单独独在在细细胞胞中中繁繁殖殖，编编码码产产生生人人类类所所需需的的物物质质或或创创造造新新的的物物种种，也可对疾病进行基因治疗。也可对疾病进行基因治疗。基因工程基因工程现代生物制药现代生物制药u19731973年年重重组组DNADNA技技术术的的建建立立为为标标志志，是是科科学学技技术术史史上上的的里里程程碑碑。应应用用于于农农业业、医医药药、轻轻工工、化化工工、环环境境等等领领域域，成成为为人人类类解解决决粮粮食食、能能源源、环环境境、制制药药的的主要手段。主要手段。u19761976年年世世界界
11、上上第第一一家家基基因因工工程程技技术术开开发发药药物物的的公公司司（GenentechGenentech公公司司）建建立立，开开始始了了现现代代生生物物技技术术产产业业发发展展的的新新纪纪元元。19821982年年世世界界上上第第一一个个基基因因工工程程药药物物重重组组人人胰胰岛岛素素获获得得FDAFDA批批准准，由由Eli Eli LillyLilly公公司司正正式式生产，推向市场。生产，推向市场。u基基因因工工程程技技术术首首先先在在医医药药领领域域实实现现产产业业化化，到到现现在在仍仍有有60608080集集中中在在医医药药领领域域，占占主主要要地地位位的的是是基因工程药物的研究和商品
12、化。基因工程药物的研究和商品化。u研研究究开开发发的的治治疗疗药药物物是是癌癌症症、心心脑脑血血管管疾疾病病、艾艾滋滋病病、遗遗传传病病等等重重大大病病而而用用常常规规方方法法又又难难以以获获得得的的药药物。物。年代年代技术技术贡献者贡献者5353DNADNA双螺旋模型双螺旋模型Watson Watson 和和CrickCrick5858DNADNA半保留复制和中心法则半保留复制和中心法则CrickCrick6161遗传密码的碱基三联体遗传密码的碱基三联体CrickCrick和和NirenbergNirenberg6767破译遗传密码破译遗传密码KhoranaKhorana和和Nirenber
13、gNirenberg7171首家生物技术制药公司成立首家生物技术制药公司成立CetusCetus公司公司7272体外重组体外重组DNADNAJacksonJackson和和BergBerg7373重组质粒在大肠杆菌中表达重组质粒在大肠杆菌中表达Boyer Boyer 和和CohenCohen7575细胞融合，单克隆抗体技术细胞融合，单克隆抗体技术KohlerKohler和和MilsteinMilstein7676首家基因工程技术制药公司成立首家基因工程技术制药公司成立GenentechGenentech公司公司7878大肠杆菌中表达出胰岛素大肠杆菌中表达出胰岛素GenentechGenente
14、ch公司公司8080转基因小鼠转基因小鼠GordonGordon等等8282基基因因工工程程人人胰胰岛岛素素在在美美国国上市上市Eli LillyEli Lilly公司公司8282转基因超级小鼠转基因超级小鼠PalmiterPalmiter等等8383基因扩增的基因扩增的PCRPCR技术技术MullisMullis8585植物转基因技术植物转基因技术HorschHorsch等等8686基基因因工工程程重重组组乙乙肝肝疫疫苗苗上上市市MerckMerck公司公司8787转基因鼠乳腺表达药物转基因鼠乳腺表达药物tPAtPAGordonGordon等等9090人类基因组计划开始人类基因组计划开始美国
15、美国9797克隆动物绵羊多利，克隆动物绵羊多利，转凝血因子转凝血因子IXIX基因绵羊波利基因绵羊波利WilmutWilmut等等9999中国加入人类基因组计划中国加入人类基因组计划20002000绘绘制制出出人人类类基基因因组组“工工作作框框架图架图”中中、美美、英英、日日、法法、德德等等6 6国国20012001完成人类基因组完成人类基因组“中国卷中国卷”中国中国20032003绘绘制制出出人人类类基基因因组组“序序列列图图”中中、美美、英英、日日、法法、德德等等6 6国国基基因因工工程程主主要要包包括括三三大大类类：基基因因工工程程药药物物、生生物物疫疫苗苗和和生生物物诊诊断断试试剂剂。这
16、这些些药药品品在在诊诊断断、预预防防、控控制制及及消消灭灭传传染染病病，保保护护人人类类健健康康，延延长长寿寿命命中中发挥着越来越重要的作用。发挥着越来越重要的作用。国外生物制药国外生物制药全全世世界界生生物物技技术术公公司司36003600多多家家，主主要要集集中中在在欧欧美美，美美国国14501450家家，欧欧洲洲700700家家，加加拿拿大大330330家家，日日本本也也有有几几百百家家。年年产产值值超超过过1010亿亿美美元元的的生生物物技技术术公公司司有有2020余家。余家。美美国国是是现现代代生生物物技技术术的的发发源源地地，又又是是应应用用现现代代生生物物技技术术研研制制新新型型
17、药药物物的的第第一一个个国国家家，多多数数基基因因工工程程药物都首创于美国。年研究经费药物都首创于美国。年研究经费7070亿美元以上。亿美元以上。19801980年年美美国国的的生生物物技技术术产产品品的的销销额额还还是是零零增增长长，1991:591991:59亿亿USDUSD，1996:1011996:101亿亿USDUSD，基基因因工工程程药药物物为为8080亿亿USDUSD，1997:1301997:130亿亿USDUSD，2001:2702001:270亿亿USDUSD。生物药物批准情况生物药物批准情况国内生物制药国内生物制药2020世世纪纪8080年年代代是是我我国国生生物物制制药
18、药的的起起步步阶阶段段，19831983年年成成立立生生物物工工程程开开发发中中心心，“七七五五”期期间间投投资资成成立立了了基基因因工工程程药药物物、生生物物制制品品、疫疫苗苗三三个个研研究究开开发发中中心心。项项目目主主要要集中在肝炎、疫苗、血液制品等产品，企业数目极少。集中在肝炎、疫苗、血液制品等产品，企业数目极少。19861986年年我我国国生生物物技技术术尚尚处处于于研研发发初初期期，仅仅有有单单克克隆隆抗抗体体诊诊断断试试剂剂盒盒、微微生生物物农农药药等等少少数数、少少量量产产品品，医医药药产产品产值约为品产值约为0.20.2亿元，占生物技术产品销售额的亿元，占生物技术产品销售额的
19、8 8。2020世世纪纪9090年年代代，企企事事业业单单位位齐齐头头并并进进，大大发发展展。国国外外主要的基因工程药物及疫苗，都能生产主要的基因工程药物及疫苗，都能生产.我我国国生生产产的的生生物物药药品品主主要要是是基基因因乙乙肝肝疫疫苗苗、干干扰扰素素、白白细细胞胞介介素素-2-2、增增白白细细胞胞、重重组组链链激激酶酶、重重组组表表皮皮生生长长因因子子等等1515种种基基因因工工程程药药物物，已已进进入入市市场场。重重组组凝凝乳乳酶酶等等4040多多种种基基因因工工程程新新药药正正在在进进行行研研究究。单单克克隆隆抗抗体体的的研研制制已已由由实实验验进进入入临临床床，B B型型血血友友
20、病病基基因因治治疗疗初初步步获获得得临临床床疗疗效效，组组织织溶溶纤纤原原激激活活剂剂、白白介介素素-3-3、重重组组人人工工胰胰岛岛素素、尿尿激激酶酶等等十几种多肽药品在临床实验中。十几种多肽药品在临床实验中。我国正在研制的创新性基因工程药物我国正在研制的创新性基因工程药物 肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子(TNF)TNF)神经营养因子神经营养因子 激素激素 酶酶 其他基因重组蛋白质、多肽其他基因重组蛋白质、多肽 重组毒素及蛇毒成分重组毒素及蛇毒成分 单克隆抗体及受体单克隆抗体及受体 重组基因融合蛋白重组基因融合蛋白 生物制药发展的几大重点领域：生物制药发展的几大重点领域：诊断与检测试剂、新型基因工
21、程疫苗、基诊断与检测试剂、新型基因工程疫苗、基因工程活性肽和蛋白质、治疗功能基因药因工程活性肽和蛋白质、治疗功能基因药物、转基因动植物反应器。物、转基因动植物反应器。生物制药发展方向生物制药发展方向 生生物物技技术术在在农农作作物物中中已已有有广广泛泛的的应应用用。最最初初通通过过遗遗传传工工程程获获得得而而进进入入市市场场的的作作物物是是：玉玉米米、大大豆豆和和棉棉花花。它它们们经经转转基基因因后后具具有有抗抗除除草草剂剂和和棉棉铃铃虫虫的的能能力力。利利用用BtBt细细菌菌获获得得经经遗遗传传改改良良的的作作物物的的商商业业潜潜力力是是相相当当大大的的。例例如如：美美国国有有200200万
22、万m2m2的的BtBt棉棉花花，澳澳大大利利亚亚有有4040万万m2m2，两两者者各各相相当当于于2.52.5亿亿美美元元价价值值。如如果果将将BtBt玉玉米米引引种种在在美美国国10001000万万m2m2的的土土地地上上，只只要要增增产产5%5%，就就意意味味着着能能增增加加3.53.5亿亿美美元元收入。收入。农业生物技术与生物农药农业生物技术与生物农药8.2 8.2 生物化工的应用领域生物化工的应用领域农业生物技术应用国际服务组织(ISAAA)生生物物技技术术在在畜畜牧牧业业上上应应用用所所获获得得的的益益处处与与在在农农作作物物上上相相似似。一一方方面面，生生物物技技术术有有助助于于提
23、提高高畜畜禽禽的的生生命命力力以以及及消消灭灭竞竞争争者者。如如利利用用鼠鼠类类基基因因（该该基基因因能能促促进进角角蛋蛋白白的的形形成成）获获得得了了经经遗遗传传改改良良的的绵绵羊羊，这这种种绵绵羊羊比比普普通通棉棉羊羊产产毛毛量量能能提提高高6%6%左左右右。另另一一方方面面，生生物物技技术术在在提提高高农农作作物物产产量量、质质量量的的同同时时，有有助助于于提提高高畜畜牧牧业业的的生生产产力力发发展展水水平平。例例如如，通通过过控控制制饲饲料料作作物物体体内内碳碳水水化化合合物物含含量量可可提提高高畜畜牧牧业业生生产产力力；利利用用基基因因调调控控技技术术可可以以提提高高包包括括豆豆科科
24、作作物物在在内内一一些些作作物物的的蛋蛋白白质质含含量量，减少饲料作物中难消化的木质素含量等。减少饲料作物中难消化的木质素含量等。农业生物技术与生物农药农业生物技术与生物农药农业生物技术与生物农药农业生物技术与生物农药我我国国的的两两系系法法杂杂交交水水稻稻育育种种研研究究已已深深入入到到基基因因层层的的研研究究，跃跃居居世世界界领领先先水水平平。在在水水稻稻无无融融合合生生殖殖育育种种新新技技术术研研究究上上取取得得了了重重大大突突破破，成成功功地地培培育育出出无无融融合合杂杂交交水水稻稻。经经过过数数千千亩亩大大田田的的试试验验示示范范，表表现现出出丰丰产产、米米质质量量佳佳、抗抗性性强强
25、、适适应应性性广广等等优优点点，克克服服了了杂杂交交水水稻稻需需要要年年年年制制种种和和杂杂种种只只能用一次的缺点，为水稻育种开辟了新途径。能用一次的缺点，为水稻育种开辟了新途径。我我国国进进行行了了动动物物胚胚胎胎的的工工程程研研究究，掌掌握握了了实实用用化化的的胚胚胎胎分分割割和和移移植植技技术术，获获得得了了一一批批胚胚胎胎移移植植良良种种牛牛，并并已已建建立立了了良良种种奶奶牛牛的的胚胚胎胎移移植植和和繁繁殖殖中中心心。在在动动物物细细胞胞工工程程研研究究上上，也也已已成成功功地地选选育育出出“四四倍倍体体复复合合银银鲫鲫鱼鱼”和和“人人工工复复合合三三倍倍体体鲤鲤鱼鱼”，经经大大面面
26、积积饲饲养养试试验验，显显示示了了快快速速生生长长的的特特性。性。农业生物技术与生物农药农业生物技术与生物农药我我国国在在抗抗病病抗抗虫虫方方面面的的转转基基因因植植物物的的研研究究取取得得了了实实质质性性进进展展。目目前前已已经经获获得得了了抗抗病病毒毒的的转转基基因因烟烟草草、番番茄茄、马马铃铃薯薯、小小麦麦、玉玉米米等等植植物物，并并成成功功地地竟竟苏苏云云金金芽芽抱抱杆杆菌菌杀杀虫虫基基因因导导入入棉棉花花和和水水稻稻种种，获获得得了了抗抗虫虫棉棉和和抗抗虫虫水水稻稻。抗抗烟烟草草花花叶叶病病毒毒、黄黄瓜瓜花花叶叶病病毒毒的的转转基基因因烟烟草草，在在大大田田试试验验表表现了较强的抗病
27、性。现了较强的抗病性。农业生物技术与生物农药农业生物技术与生物农药生生物物农农药药是是利利用用微微生生物物本本身身或或代代谢谢物物防防治治虫虫、草草等等的的制制剂剂。包包括括农农用用抗抗生生素素、细细菌菌农农药药、真真菌菌农农药药和和病病毒毒农农药药，具具有有选选择择性性高高、易易于于降降解解、用用量量少少、污污染染小小、对对人人畜畜毒毒性性小小、保保护护环环境境、病病虫虫害害不不易易产产生生抗抗性性等等优优点点。因因而而发发展展生生物物农农药药，减减少少化化学学合合成成农农药药的的使使用用，已已成成为为全全球球农农药药产产业业发发展的新趋势。展的新趋势。农业生物技术与生物农药农业生物技术与生
28、物农药生物技术可能引发的问题生物技术可能引发的问题u人们利用生物技术生产出抗旱、耐盐、抗病虫害人们利用生物技术生产出抗旱、耐盐、抗病虫害作物同时，也导致生物多样性遭受严重破坏，甚作物同时，也导致生物多样性遭受严重破坏，甚至导致一些物种灭绝。至导致一些物种灭绝。u转基因植物、动物、微生物脱离当地农业生态系转基因植物、动物、微生物脱离当地农业生态系统所造成的危害，可能引起如下危害：统所造成的危害，可能引起如下危害：转基因作物使自生作物成为严重的杂草问题；转基因作物使自生作物成为严重的杂草问题；转基因作物通过杂交后产生杂种；转基因作物通过杂交后产生杂种；转基因作物影响食物安全。转基因作物影响食物安全
29、。精细化工中的生物技术精细化工中的生物技术生物有机酸的应用生物有机酸的应用采采用用发发酵酵法法生生产产的的有有机机酸酸已已在在食食品品、医医药药、塑塑料料、香香料料等等行行业业得得到到应应用用。柠柠檬檬酸酸用用途途很很广广，其其中中用用于于食食品品和和饮饮料料行行业业的的为为50%50%，医医药药行行业业为为20%20%，化化学学工工业业为为20%20%，化化妆妆品品为为2%2%，其其他他8%8%。柠柠檬檬酸酸是是我我国国最最大大的的出出口口发发酵酵产产品品。L-L-苹苹果果酸酸主主要要用用于于食食品品业业、保保健健品品、化化妆妆品品及及饮饮料料的的酸酸味味剂剂和和防防腐腐剂。剂。酶制剂的应用
30、酶制剂的应用酶酶是是细细胞胞原原生生质质合合成成的的一一种种高高活活性性的的生生物物催催化化剂剂，由由许许多多氨氨基基酸酸组组成成，其其催催化化性性能能具具有有高高效效和和专专一一性性。酶酶普普遍遍存存在在于于动动物物、植植物物、微微生生物物中中，通通过过采采取取适适当当的的理理化化方方法法，将将酶酶从从生生物物组组织织或或细细胞胞以以及及发发酵酵液液中中提提取取出出来来，加加工工成成具具有有一一定定纯纯度度标标准准的的生生化化制制品品，成成为为酶酶制制剂剂。酶酶制制剂剂主主要要有有-（-）淀淀粉粉酶酶、葡葡萄萄糖糖淀淀粉粉酶酶、纤纤维维素素酶酶、碱碱性性蛋白酶和中性蛋白酶等。蛋白酶和中性蛋白
31、酶等。精细化工中的生物技术精细化工中的生物技术生物催化在精细化工中的应用实例生物催化在精细化工中的应用实例由由DL-氨基己内酰胺生产氨基己内酰胺生产L-赖氨酸的过程如下：赖氨酸的过程如下：采用青霉素酰化酶的基因工程菌合成采用青霉素酰化酶的基因工程菌合成6-氨基青霉烷酸即氨基青霉烷酸即6-APA生物石油化工生物石油化工石油微生物炼制石油微生物炼制（1 1）石油脱蜡：利用解脂假丝酵母、拟圆酵母、）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、低凝固点油及其馏分产物的蜡质，获得高质量、低凝固
32、点的航空汽油、高级柴油、变压器油和多种机油。的航空汽油、高级柴油、变压器油和多种机油。（2 2）石油脱硫：许多地区的原油中含硫量高，这）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，还生成品燃烧时，还生成SOSOX X 污染环境，因此石油脱硫污染环境，因此石油脱硫十分重要。十分重要。（3 3）石石油油脱脱氮氮：利利用用土土壤壤中中培培养养出出的的微微生生物物，通通过过环环羟羟基基化化和和断断裂裂机机理理，使使吡吡啶啶降降解解成成NHNH3 3、COCO2 2和和H H2 2O O。这这些些微微生生物物能能对对
33、含含氮氮杂杂环环化化合合物物分分子子的的氧氧化化有专一性，并能把油中的含氮杂环化合物氧化。有专一性，并能把油中的含氮杂环化合物氧化。生物石油化工生物石油化工8.3.1原料原料选择与预处理选择与预处理原料选择的基本准则原料选择的基本准则：u 在大量的信息资料和实践经验的基础上，选择目标原料在大量的信息资料和实践经验的基础上，选择目标原料u 选择有效成分含量高的新鲜材料；选择有效成分含量高的新鲜材料；u 来源丰富易得；来源丰富易得；u 制造工艺简单易行；制造工艺简单易行；u 成本比较低；成本比较低；u 原料的采集不破坏生态环境原料的采集不破坏生态环境,选择对环境友好的原材料资选择对环境友好的原材料
34、资 源，防止生物入侵。源，防止生物入侵。8.3 8.3 生物化工品的生产工艺技术生物化工品的生产工艺技术预处理方法预处理方法：动物组织先要剔除结缔组织、脂肪组织等非活动物组织先要剔除结缔组织、脂肪组织等非活性部分；植物种子去壳除脂；微生物要进行菌性部分；植物种子去壳除脂；微生物要进行菌体与发酵液分离等基本操作。便于贮存和运输。体与发酵液分离等基本操作。便于贮存和运输。冷冻法预处理以抑制微生物和酶的作用。冷冻法预处理以抑制微生物和酶的作用。有机溶剂除去部分水分有机溶剂除去部分水分原料的粉碎原料的粉碎：l动物脏器组织：常用绞肉机机械法粉碎；动物脏器组织：常用绞肉机机械法粉碎；l植物肉质组织：常用磨
35、碎法；植物肉质组织：常用磨碎法；l微生物：常用自溶、冷热交替、加砂研磨、超微生物：常用自溶、冷热交替、加砂研磨、超声、加压等处理方法。声、加压等处理方法。1.1.机械法机械法：组织捣碎机、匀浆器、研钵、球磨机、万能粉组织捣碎机、匀浆器、研钵、球磨机、万能粉碎机、绞肉机、击碎机、刨片机。碎机、绞肉机、击碎机、刨片机。动物组织多在冰冻状态绞碎、溶浆。动物组织多在冰冻状态绞碎、溶浆。2.2.物理法物理法:A A、反复冻融法、反复冻融法 B B、冷热交替法冷热交替法C、超声波处理法超声波处理法 D、加压破碎法、加压破碎法3.生化及化学法：生化及化学法：A.自溶法自溶法 B.溶菌酶处理法溶菌酶处理法 C
36、.表面活性剂处理法表面活性剂处理法8.3.28.3.2工业用微生物的培养工业用微生物的培养（1 1）细菌）细菌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。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。乳杆菌属的德氏乳杆菌；链球菌属；片球菌属、串珠菌属等。乳杆菌属的德氏乳杆菌；链球菌属；片球菌属、串珠菌属等。芽孢杆菌属的枯草杆菌是本属最主要的菌种。芽孢杆菌属的枯草杆菌是本属最主要的菌种。梭菌属的丙酮丁醇梭菌，可生产丙酮和丁醇，是工业发酵的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。重要菌种。大肠杆菌和产气气杆菌为革兰氏阴性、无孢子的杆菌，在动大肠杆菌和产气气杆
37、菌为革兰氏阴性、无孢子的杆菌，在动物肠中形成细菌群。物肠中形成细菌群。常用工业微生物常用工业微生物（2 2）放线菌）放线菌 链霉菌属包括金霉素、氯霉素、卡那霉素、红霉素等，这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。生菌。（3 3）霉菌）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。曲霉属也较常用。（4 4）酵母）酵母 酵母有酵母属、裂殖酵母属、假丝酵母属、毕赤酵母属和酵母有酵母属、裂殖酵母属、假丝酵母
38、属、毕赤酵母属和汉逊酵母属。汉逊酵母属。常用工业微生物常用工业微生物（1 1）培养基的组成）培养基的组成 培培养养基基一一般般由由碳碳源源、氮氮源源、无无机机盐盐和和微微量量生生长长因因子子等等组组成成。碳碳源源一一般般是是蔗蔗糖糖、葡葡萄萄糖糖等等。工工业业上上常常用用淀淀粉粉水水解解液液和和糖糖蜜蜜等等。氮氮源源有有硫硫酸酸铵铵、尿尿素素、豆豆饼饼水水解解液液等等。无无机机盐盐有有磷磷酸酸二二氢氢钾钾、磷磷酸酸氢氢二二钾钾、七七水水硫硫酸酸镁镁等等。微微量量生生长长因因子子有有生生物物素素、硫硫铵铵素素等等。酵酵母母和和霉霉菌菌用用培培养养基基以以曲曲汁汁或麦芽汁最常用。或麦芽汁最常用。微
39、生物的培养方法：微生物的培养方法：（2 2）培养方法）培养方法 按按培培养养基基的的培培养养过过程程分分为为国国体体培培养养和和液液体体培培养养。按按操操作作方方式式分分为为分分批批培培养养、连连续续培培养养和和半半连连续续培培养养，按按是是否否需需要要氧氧气气可可分分为为需需氧氧培培养养和和厌厌氧氧培培养养，需需氧氧培培养养用用设设备备又又分分为为浅浅盘盘培培养养、厚厚层层通通风风培培养养和液体通风深层培养。和液体通风深层培养。培培养养条条件件主主要要由由糖糖浓浓度度、温温度度、PHPH值值、氧氧气气、氮氮源和微量因子决定。源和微量因子决定。微生物的培养方法：微生物的培养方法：母菌最适宜的母
40、菌最适宜的PHPH值为值为4-64-6，细菌为，细菌为6-7.56-7.5。对于氧气，微生物有需氧菌、厌氧菌和兼性厌氧对于氧气，微生物有需氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌三种。菌三种。氮源，一般使用尿素，使培养液维持恒定的氮源，一般使用尿素，使培养液维持恒定的PHPH值，值，同时又可供给氮源。同时又可供给氮源。微量因子是指维生素，它是生物体生长不可缺少微量因子是指维生素，它是生物体生长不可缺少的一种或数种极微量的有机物质，但微生物生长的一种或数种极微量的有机物质，但微生物生长时，自身往往又缺少合成这种有机物的能力，因时，自身往往又缺少合成这种有机物的能力，因此必须由外界提供。此必须由外界提供。生生物物
41、催催化化剂剂是是指指由由常常规规选选育育或或经经现现代代生生物物工工程程方方法法获获得得的的菌菌株株、细细胞胞系系或或从从中中提提取取的的酶酶。它它的的作作用用相相当当于于化化学学反反应应中中的的催催化化剂剂，是是生生化化反反应应中中不不可可缺缺少少的的。从从自自然然界界得得到到的的菌菌种种要要进进行行筛筛选选、分分离离、遗遗传传育育种种，有有的的还还要要经经过过菌菌种种变变异异才才能能使使用。用。8.3.3 8.3.3 生物催化剂生物催化剂生生物物反反应应器器是是整整个个生生物物反反应应过过程程的的关关键键设设备备，为为特特定定的的细细胞胞或或酶酶提提供供适适宜宜的的增增殖殖环环境境，也也可
42、可在在反反应应器器中中进进行行特特定定的的生生化化反反应应。它它的的结结构构、操操作作方方式式和和操操作作条条件件与与产产品品的的质质量量、转转化化率率和和能能耗耗有有着着密密切切的的关关系系。根根据据反反应应器器的的操操作作方方式式，可可分分为为间间歇歇操操作作、连连续续操操作作和和半半间间歇歇操操作作。根根据据生生物物催催化化剂剂在在反反应应器器中中的的分分布布方方式式进进行行分分类类，可可分分为为生生物物团团块块（包包括括细细胞胞、絮絮凝凝物物、菌菌丝丝体体）反反应应器器和和生物膜反应器两大类。生物膜反应器两大类。8.3.48.3.4生物反应器生物反应器生物反应器的分类生物反应器的分类从
43、从生生物物反反应应器器中中排排出出的的反反应应产产物物是是一一种种混混合合物物，里里面面除除含含有有目目的的产产品品外外，还还含含有有未未转转化化的的基基质质、不不能能转转化化的的物物质质、大大量量的的水水、微微生生物物体体及及各各种种微微量量杂杂质质。为为了了获获得得合合格格的的生生化化产产品品，并并且且不不浪浪费费其其他他有有用用的的物物质质，必必须须对对需需要要的的生生化化产产品品进进行行分分离离或或提提纯纯。这这一一过过程程称称之之为为“下下游游加加工工”，这这样样可可以以使使其其他他物物质质循循环环使使用用或或再再进进行行综综合合利利用用，既既降低了成本又保护了环境。降低了成本又保护
44、了环境。8.3.5 8.3.5 生物化工品的分离与提纯生物化工品的分离与提纯分离与提纯分离与提纯1固体物质的去除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0.310m。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。2初步分离初步分离当当从从反反应应器器出出来来的的反反应应液液除除去去了了不不需需要要的的固固体体颗颗粒粒后后，一一般般要要进进一一步步把把溶溶液液浓浓缩缩，以以提提高高目目的的产产品品在在溶溶液液中中的的浓浓度度。
45、为为了了实实现现这这一一过过程程，可可以以使使用用蒸蒸发发、萃萃取取、沉沉淀淀和和膜膜分分离离等等单单元元操操作作。如如膜膜分分离离技技术术是是一一种种新新型型的的分分离离技技术术，近近年年来来发发展展很很快快。它它是是用用一一种种半半透透明明的的薄薄膜膜，使使溶溶液液中中的的某某些些组组分分通通过过，其其他他组组分分被被阻阻止止或或截截留留，从从而而达达到到分分离离的的目目的的。它它包包括括反反渗渗透透法法和和超超滤滤法法。膜膜分分离离法法不不同同于于萃萃取取和和沉沉淀淀法法那那样样，需需要要加加入入溶溶剂剂或或盐盐类类等等其其他他物物质质，也也不不同同于于蒸蒸发发操操作作，需需要要加加入入
46、热热量量，膜膜分分离离法法只只是是根根据据物物质质粒粒度度的的大大小小这这一一几几何何特特性性的的差差异异，来来分分离离物物质质，因因此此产产品品的的损损失失很少，产率和质量较高。很少，产率和质量较高。3产品提纯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产品的最终分离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
47、求。主要的单元操作是先离心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。产品的最终分离方面十分重要。8.4 8.4 典型生物化工品的生产工艺举例典型生物化工
48、品的生产工艺举例性性质质：丙丙烯烯酰酰胺胺无无色色、无无味味，分分子子式式是是 C3H5ON，固固体体是是粉粉剂剂的的结结晶晶产产品品，含含量量大大于于97%，熔熔点点为为84.5。水水剂剂产产品品含含丙丙烯烯酰酰胺胺分分别别是是25%、30%、40%、50%等等。25%或或40%的的水水剂剂产产品品,直直接用于聚合。接用于聚合。结构式：结构式：有机化工品有机化工品丙烯酰胺（丙烯酰胺（AM）用途用途丙丙烯烯酰酰胺胺是是精精细细化化工工的的骨骨干干系系列列品品种种之之一一，其其主主要要用用来来生生产产聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺。聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺用用途途很很广广，在在采采油油、煤煤炭炭、地地质质、冶
49、冶金金、纺纺织织、化化工工、土土建建和和农农业业等等许许多多经经济济建建设设领领域域中中都都有有广广泛泛用用途途，尤尤其其是是在在石石油油工工业业中中聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺的的应应用用更更为为突突出出。目目前前国国内内丙丙烯烯酰酰胺胺年年产产量量的的65%65%用用于于石石油油工工业业，其其他他行行业业占占35%35%。我我国国已已成成功功开开发发了了万万吨吨级级规规模模的的微微生生物物法法生生产产丙丙烯烯酰酰胺胺技技术术，无无论论在在规规模模上上还还是是水水平上均达到了国际领先的水平。平上均达到了国际领先的水平。有机化工品有机化工品丙烯酰胺（丙烯酰胺（AM）生产工艺过程生产工艺过程在在工工业业
50、生生产产中中，丙丙烯烯酰酰胺胺是是由由丙丙烯烯腈腈水水合合来来制制备备，传传统统的的生生产产工工艺艺历历经经硫硫酸酸水水合合法法和和铜铜催催化化水水合合法法两两个个阶阶段段。而而微微生生物物酶酶催催化化法法是是第第三三代代最最新新技技术术，具具有有高高选选择择高高活活性性、高高效效率率、丙丙烯烯腈腈反反应应完完全全、无无副副产产物物和和无无机机盐盐及及残残留留铜铜离离子子等等杂杂质质、工工艺艺过过程程在在常常温温常常压压下下进进行行、三三废废少少等等优优点点。因因而而丙丙烯烯酰酰胺胺产产品品不不需需要要精精制制，节节省省投投资资和和能能源源，生生产产成成本本低低，被被认认为为是是当当代代最最经