[农学]1、绪论.ppt
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1、1.1生物工艺学的定义和特点 生物工艺学(biotechnology),一般称为生物技术(以下将两者视为同义词,可相互通用) 目前能广泛接受的定义是由国际经济合作及发展组织在1982年提出的。 生物技术是“应用自然科学及工程学的原理,依靠生物作用剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务”的技术。这里所谓的生物作用剂可以是酶、整体细胞或多细胞生物体,一般也称为生物催化剂。,归纳起来可有三个特点: 1)生物技术是一门多学科、综合性的科学技术; 2)反应中需有生物催化剂的参与; 3)其最后目的是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。 当然上述定义不太适用于农业生物技术。,l
2、.l.l 生物技术的多学科性 与生物技术相关的学科很多,有生物学(包括生物化学、分子生物学、微生物学、细胞学、遗传学等)、化学、工程学(化学工程、机械工程、电子工程等)、医学、药学、农学等。 但从基础学科讲,主要是生物学、化学和工程学。,试比较: 生物技术- 生物工程- 生物工艺学-,生化工程是运用化学工程的原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发,使之成为生物反应过程的一门学科。简单地说:生化工程是为生物技术服务的化学工程。 生化工程研究生物反应过程中有普遍性意义的特殊工程技术问题, 如大规模细胞培养过程、大规模培养基和空气的灭菌过程、细胞生长和产物形成动力学、生物反应器的优化操作和设
3、计、生物反应过程的参数检测和计算机应用、生化产品的分离纯化等过程中的工程技术问题。由于生化工程是化学工程的一个分支学科或被认为是生物学和化学工程相结合的交叉学科而又被称为生物化工。,1.1.2 生物催化剂的特性 生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称。它们在生物反应过程中起者催化剂的作用。 见表ll,与化学催化剂相比,生物催化剂具有能使反应物(底物或基质)在常温、常压下反应;反应速率大;催化作用专一;一般情况下价格较低廉等优点。 缺点是易受热、受某些化学物质及杂菌的破坏而失活;因而稳定性较差; 温度、pH等参数对反应相当敏感;要求严格控制。 以活细 胞讲,还存在着个体差异、遗传特性变异等生
4、物学上特有的问题,在生长过程中对营养、微量元素、渗透压等也有一定要求。 活细胞特别是微生物细胞易采用化学、物理以及生物的方法加以诱变,以改变其遗传特性,使有利于生产。,随着原生质体融合技术可看作为细胞水平的杂交。 DNA重组技术可看作为分子水平的杂交等现代生物技术的发展, 人们有可能组建出许多具有特殊性能的非天然存在的新型生物催化剂。,1.l.3 生物反应过程的特点 将生物技术的实验成果经工艺及工程开发,成为可供工业生产的工艺过程统称为生物反应过程。 生物反应过程实质上是利用生物催化剂以从事生物技术产品的生产过程。 当过程采用游离的整体微生物活细胞为生物催化剂时,一般称此为发酵过程(特定情况下
5、也有称微生物培养过程、微生物转化过程等), 而当生物催化剂为游离或固定化酶时,此过程则称为酶反应过程。,动、植物细胞(组织)培养过程。 至于污水生化处理和从天然生物物质中提取有效成分也带归属于生物反应过程的范围。,通常的生物反应过程有四个组成部分。 A 原材料的预处理 原材料的预处理包括原材料的选择,必要的物理、化学方法加工,培养基(也称营养基质,指用于发酵过程中供给细胞生长和产物形成所需要的各种基本物质和必要的微量物质)和底物(酶反应过程中的反应物)的配制和灭菌等。,B 生物催化剂的制备 在发酵过程中,首先应在传统诱变选育或用现代生物技术手段进行菌种改造的基础上选择高产、稳产、培养要求不甚苛
6、刻的菌种。在经过多次扩大培养待达到足够数量和一定质量后即可作为“种子”接种至发酵罐中。在实际情况下,生物催化剂微生物细胞的增加和“成熟”在发酵过程的前期以至中期仍在继续进行。 在酶反应过程中,加入的酶量及其纯度与底物量和产品要求有关。 在采用固定化酶或固定化细胞时,应事先通过合适的固定化技术将酶或细胞加以固定,然后装入酶反应器。,C 生物反应器及反应条件的选择 生物反应器是生物反应过程中的主要设备,它应为活细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞增殖或产品形成的目的。 发酵过程的周期一般很长,因此通常采用釜式反应器(发酵罐),实行间歇操作。 个别情况(发酵周期短、菌种稳定性高、杂菌污染影响小)也有
7、用多级串联的发酵罐组进行连续操作。,对酶反应过程,可选择的反应器类型较多,可根据反应特性(米氏常数的大小、是否存在底物或产物的抑制等)来决定究竟是采用连续釜式还是连续管式反应器。 动、植物细胞培养的反应器基本上进行间歇操作,在要求高密度培养时也可以采用灌注操作(连续注入营养液和排出不含细胞的培养液)。 反应条件的选择对生化反应过程来说也是至为重要的。为此应加强生化反应工程的研究,完善有关参数检测及过程控制系统的配置。,D 产物的分离纯化 这一部分工序也常称为下游加工过程,包括用适当的方法和手段将含量甚少的目的产物从反应液(指胞外产物)或细胞中(指胞内产物)初步提取出来,然后再用进一步的方法和手
8、段加以精制使之达到最后产品的要求。上述有关方法、手段包括:,物理方法研磨、高压匀桨(以上用于细胞破碎)、过滤、离心、蒸发、干燥等; 物理化学方法冻溶(用于细胞破碎)、透析、超滤反渗析、絮凝、萃取、吸附、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐析、结晶等; 化学方法离子交换、化学沉淀等; 生物方法亲和层析、免疫层析等。,生物反应过程具有下列特点: (1)由于采用生物催化剂,反应过程在常温常压下进行,且可运用DNA重组技术及原生质体融合等现代生物技术组建或改造生物催化剂而赋于生物反应过程以现实和潜在的活力,但生物催化剂易于失活,易受环境的影响和杂菌的污染,一般不能长时间使用。 (2)以采用可再生资源为主要
9、原材料,来源丰富价格低廉,过程中废物的危害性较小,但原料成分往往难以控制,给产品质量带来一定影响。,(3)与化工生产相比,生产设备较为简单,能量消耗一般也较少,但由于过高的底物或产物浓度常导致酶的抑制或细胞不能耐受如此高的渗透压而失活,因此反应液中的底物(基质)浓度不能过高,因此导致很大的反应器体积且要求在无杂菌污染情况下进行操作。 (4)酶反应过程的专一性强,转化率高,但成本较高,发酵过程成本低,应用广,但反应机理复杂,较难控制,反应液中杂质较多,给提取纯化带来困难。,1.2 生物技术的发展简史 l.2.1传统(古老)生物技术的追溯 酿酒制醋是人类最早通过实践所掌握的生产技术之一。,1.2.
10、2 第一代(初期)生物技术产品的出现 1680年荷兰人吕霍克(Leenwenhoek)制成了显微镜,人们才知道微生物的存在, 1857年法国著名生物学家巴斯德(Pasteur)用实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的,其它不同的发酵产物则由不同微生物的作用而形成。 1897年德国的毕希纳(Buchner)进一步发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵而形成酒精。并将此具有发酵能力的物质称为酶。这样发酵现象的真相才开始被人了解。 从l9世纪末到20世纪30年代,不少工业发酵过程陆续出现,开创了工业微生物的新世纪。,1.2.3 第二代(近代)生物技术产品的发展 近代生物技术产品开始出现于本世纪40年代。1928
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