生物丁艺学
1 绪 论 1.1 生物工艺学的定义和特点 生物工艺学（biotechnology）一门既有悠久历史又有崭新 内容的科学技术和生产工艺。 生物工艺学（biotechnology) （生物技术，生物工程） 应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂 （biocatalyst)的作用将物料进行加工以提供产品或用以 为社会服务的技术
1 绪 论 1.1 生物工艺学的定义和特点 生物工艺学（biotechnology）一门既有悠久历史又有崭新 内容的科学技术和生产工艺。 生物工艺学（biotechnology) （生物技术，生物工程） 应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂 （biocatalyst)的作用将物料进行加工以提供产品或用以 为社会服务的技术
生物技术是带动２１世纪经济发展的关键技术之一，它在化工、医药 卫生、农林牧渔、轻工食品、能源和环境等领域都将发挥重要作用。它促 进了传统产业的改造和新兴产业的形成，将对人类社会产生深远的影响。 21世纪是生物技术世纪；科学家预言： 21世纪世界即将在生物技术上取 得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、 新型生物材料、能源、环境保护上有所突破； 经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长 阶段，即工业生产与商业开发阶段。 在世界各国普遍重视高科技发展的今天，生物技术对经济建设和社会 进步的深远影响，已越来越被人们认识。有关部门领导在思考着如何用生 物技术去振兴部门、地区或国家的经济；工农业、企事业单位在估量着如 何用生物技术去调整产业结构，提高产品质量与企业效益；科技人员在探 索着如何从生物机能中获得发展生物技术的启发，又如何将生物技术的研 究成果转化为生产力；社会公众在关注着生物技术可能给全社会同时带来 的福利、问题和灾难
生物技术是带动２１世纪经济发展的关键技术之一，它在化工、医药 卫生、农林牧渔、轻工食品、能源和环境等领域都将发挥重要作用。它促 进了传统产业的改造和新兴产业的形成，将对人类社会产生深远的影响。 21世纪是生物技术世纪；科学家预言： 21世纪世界即将在生物技术上取 得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、 新型生物材料、能源、环境保护上有所突破； 经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长 阶段，即工业生产与商业开发阶段。 在世界各国普遍重视高科技发展的今天，生物技术对经济建设和社会 进步的深远影响，已越来越被人们认识。有关部门领导在思考着如何用生 物技术去振兴部门、地区或国家的经济；工农业、企事业单位在估量着如 何用生物技术去调整产业结构，提高产品质量与企业效益；科技人员在探 索着如何从生物机能中获得发展生物技术的启发，又如何将生物技术的研 究成果转化为生产力；社会公众在关注着生物技术可能给全社会同时带来 的福利、问题和灾难
但是，应该承认生物技术又是一种较难准确掌 握的知识。因为生物技术所涉及的学科和行业实在 太多。它是一个高度跨学科与跨行业的领域。从不 同的学科和行业去理解生物技术时，总难免带有不 同侧重点。所以强调准确理解生物技术就显得十分 必要。 生物学 化学 工程学 生物 生物 技术 工程 化学 工程 生物 化学
但是，应该承认生物技术又是一种较难准确掌 握的知识。因为生物技术所涉及的学科和行业实在 太多。它是一个高度跨学科与跨行业的领域。从不 同的学科和行业去理解生物技术时，总难免带有不 同侧重点。所以强调准确理解生物技术就显得十分 必要。 生物学 化学 工程学 生物 生物 技术 工程 化学 工程 生物 化学
1.2 一般生物反应过程 生物反应过程的实质是利用生物催化剂从事生物产品 的生产过程。 酶（enzyme） 游离酶/固定化酶-酶反应过程 生物催化剂 细胞（cell）固定化细胞/游离细胞-发酵过程 动、植物细胞（组织）培养过程 污水生化处理过程 生物反应过程 从天然物质中应用生物技术提取 有效成分
1.2 一般生物反应过程 生物反应过程的实质是利用生物催化剂从事生物产品 的生产过程。 酶（enzyme） 游离酶/固定化酶-酶反应过程 生物催化剂 细胞（cell）固定化细胞/游离细胞-发酵过程 动、植物细胞（组织）培养过程 污水生化处理过程 生物反应过程 从天然物质中应用生物技术提取 有效成分
细胞(cell) 酶 (enzyme) 除菌 检测 空气 控制 生物催化剂 热能(heat) (biocatalyst) (bioreactor) 产品(product) 生物反应器 提取 副产品(by product) (raw material) (extract) 残渣(lee/residue) 原材料 底物 (substrate) 灭菌 (sterilizing) 营养物 (nutrient) 经加工的 培养基(medium) 原材料(processed material) 一般生物反应过程示意图
细胞(cell) 酶 (enzyme) 除菌 检测 空气 控制 生物催化剂 热能(heat) (biocatalyst) (bioreactor) 产品(product) 生物反应器 提取 副产品(by product) (raw material) (extract) 残渣(lee/residue) 原材料 底物 (substrate) 灭菌 (sterilizing) 营养物 (nutrient) 经加工的 培养基(medium) 原材料(processed material) 一般生物反应过程示意图
一般生物反应过程可分为四个部分： １ 发酵原料的预处理： 发酵原料是很丰富的，如薯类、谷类等，但许多工业 微生物都不能直接利用这些发酵原料，通常需要将它们进 行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供给微生物利用。还可以 利用废糖蜜、工农业的下脚料。 ２ 发酵过程的准备： 发酵前必须进行种子制备与无菌消毒。无菌消毒是种 子制备与发酵的必要条件，一般在发酵前将发酵原料装入 发酵罐中，通入98千帕的蒸汽高温灭菌，冷却后，在无菌 条件下接入菌种。在发酵过程中要绝对保证无杂菌的污染 ，即没有目标微生物以外的微生物存在，这是发酵成功与 否的关键，对于好氧性发酵，还需要通入无菌空气
一般生物反应过程可分为四个部分： １ 发酵原料的预处理： 发酵原料是很丰富的，如薯类、谷类等，但许多工业 微生物都不能直接利用这些发酵原料，通常需要将它们进 行粉碎、蒸煮、水解成葡萄糖以供给微生物利用。还可以 利用废糖蜜、工农业的下脚料。 ２ 发酵过程的准备： 发酵前必须进行种子制备与无菌消毒。无菌消毒是种 子制备与发酵的必要条件，一般在发酵前将发酵原料装入 发酵罐中，通入98千帕的蒸汽高温灭菌，冷却后，在无菌 条件下接入菌种。在发酵过程中要绝对保证无杂菌的污染 ，即没有目标微生物以外的微生物存在，这是发酵成功与 否的关键，对于好氧性发酵，还需要通入无菌空气
３ 生物反应器及反应条件的选择： 由于使用的微生物不同，其代谢规律不一样，因而有厌氧 发酵和好氧发酵两种方法。厌氧发酵亦称静置发酵，如酒精 (alcohol)、啤酒(beer)、丙酮(acetone)丁醇(butanol)及乳酸(lactic acid)等均为厌氧发酵产品，其发酵设备不需供氧，所以设备和 工艺都较好氧发酵简单。好氧发酵，顾名思义，就是微生物发 酵过程中需要消耗大量的氧气，以供代谢需要。味精、赤霉素 、土霉素等的生产都属此类。 ４ 产品的分离与纯化（下游技术) 分离与纯化是从发酵液中制取符合质量指标的制品。 首先 ，将发酵液进行过滤、离心以除去固体杂质，然后采用吸附法 、溶煤萃取法、离子交换法、沉淀法或蒸馏法等，对发酵液中 的产品进行进一步的提炼，以得到符合要求的目标产品
３ 生物反应器及反应条件的选择： 由于使用的微生物不同，其代谢规律不一样，因而有厌氧 发酵和好氧发酵两种方法。厌氧发酵亦称静置发酵，如酒精 (alcohol)、啤酒(beer)、丙酮(acetone)丁醇(butanol)及乳酸(lactic acid)等均为厌氧发酵产品，其发酵设备不需供氧，所以设备和 工艺都较好氧发酵简单。好氧发酵，顾名思义，就是微生物发 酵过程中需要消耗大量的氧气，以供代谢需要。味精、赤霉素 、土霉素等的生产都属此类。 ４ 产品的分离与纯化（下游技术) 分离与纯化是从发酵液中制取符合质量指标的制品。 首先 ，将发酵液进行过滤、离心以除去固体杂质，然后采用吸附法 、溶煤萃取法、离子交换法、沉淀法或蒸馏法等，对发酵液中 的产品进行进一步的提炼，以得到符合要求的目标产品
生物反应过程的特点: 1. 原料以碳水化合物为主，不含有毒物质，并加入少量 有机和无机氮源。 2. 生物反应过程是以生命体的自动调节方式进行的，多 个反应象一个反应一样，在单一设备中进行。 3. 能容易进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学 活性体。 4.生产过程通常在常温下进行，操作温和，不考虑防爆 问题，可能使一种设备有多种用途。 5. 能够高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的反应， 如氧化、还原、官能团的导入等。 6. 生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白 质、酶等；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物 造成危害。 7. 生产过程中需要注意防止杂菌以及噬菌体的污染
生物反应过程的特点: 1. 原料以碳水化合物为主，不含有毒物质，并加入少量 有机和无机氮源。 2. 生物反应过程是以生命体的自动调节方式进行的，多 个反应象一个反应一样，在单一设备中进行。 3. 能容易进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、光学 活性体。 4.生产过程通常在常温下进行，操作温和，不考虑防爆 问题，可能使一种设备有多种用途。 5. 能够高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的反应， 如氧化、还原、官能团的导入等。 6. 生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白 质、酶等；除特殊情况外，培养液一般不会对人和动物 造成危害。 7. 生产过程中需要注意防止杂菌以及噬菌体的污染
培养基原料 培养基配制 培养基灭菌 储备菌种 摇瓶（种子培养） 种子罐培养 发酵罐培养 空气 空气处理系统 无菌空气 (胞内产品)细胞等固型物 固液分离 培养液 (胞外产品)无细胞清液 产品抽提 产品精制 产品包装 典型发酵过程示意图
培养基原料 培养基配制 培养基灭菌 储备菌种 摇瓶（种子培养） 种子罐培养 发酵罐培养 空气 空气处理系统 无菌空气 (胞内产品)细胞等固型物 固液分离 培养液 (胞外产品)无细胞清液 产品抽提 产品精制 产品包装 典型发酵过程示意图