9
1.生物技术的第一阶段－－从艺术到科学


o
16世纪中， Robert Hooke发明显微镜。 17世纪末， Antoine van Leeuwenhoek 对于 fungi, bacteria and protozoa 等进行了最 早的纪录和描述。 微生物真正的突破在19世纪： Louis Pasteur 纯种发酵
青霉素生产规模从1升到100M3以上，发酵液的浓度从 0.001g/L(1941)提高到50g/L以上，生产成本降低到 约100元/公斤。 带动了一大批通气发酵的产品生产，如抗生素、维 生素、酶制剂、有机酸等。
13


3. 生物技术的第三阶段－－三个浪潮

医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术
70-120 高
>98% 副产物极少（少量 丙烯酸和丙烯醛）
99.9% 低 20-24 低（比铜催化节约 50%）
30
生物技术含盖的行业和产品
产 业 产 品 医药生物技术 重组蛋白，抗体、基因药物、疫苗（包括 基因疫苗）、生化药物、多肽药物、血液 类药物 农业生物技术
制品、诊断试剂、微生物药物、天然药物、 保健食品和抗生素。基因治疗、组织工程 生物杀虫剂、生物农药、生物微肥

利用微生物脱氢酶的作用，去除氢化可的松的 1，2位C上的氢，可得氢化泼尼松，反应式如 下，转化率90％以上： 经过改造，药效提高数倍，毒副作用降低
CH2OH C HO O OH
HO
1 2 1 2

CH2OH C O OH
O
O
氢化可的松
氢化泼尼松
28
丙烯酰胺生产化学法与生物法比较
铜系催化水合法 丙烯腈单耗 产品纯度 副产物、杂质 及废物 丙烯腈转化率 0.8 95% 产品中有较多催化 剂铜离子，基本无 三废 83-87% 生物催化法 0.75 >98% 副产物极少（少量 丙烯酸和丙烯醛） 99.9%
工业生物技术 生物材料（聚乳酸、蜘蛛丝蛋白“生物
钢”）、生物能源（生物柴油）、环境生 物技术（降低处理成本20％－50％）、提 升传统产业（生物催化）如化工，制药， 采矿、造纸、发酵。可使单耗、水耗、能 耗、污染排放下降30％
31
生物反应工程具体内容




生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为 可供工业生产的工艺过程称为生物反应过程。 典型的生物反应过程： 包括四个部分： 原材料的预处理; 生物催化剂的制备； 生化反应器及反应条件的选择与监控 ； 产物的分离纯化
6
生物技术产业简介

纯种发酵：溶剂、有机酸、酵母 深层发酵：抗生素、维生素、酶制剂 细胞工程和基因工程：
医药生物技术 单克隆抗体生产
生物（蛋白质）药物
农业生物技术 工业生物技术(环境生物技术)
7
生物加工制造技术产业的主要产品
C1 C2 C3 C4 C5
C6
甲烷、甲醇等
乙醇、乙酸、乙烯、乙二醇等
21
工业生物技术的依托
生物技术 （ 生物工程）
基因工程
细胞工程
酶工程
发酵工程
22
目前面临的三大危机
基础物质加工业
（含化工、医药、石化、
食品、材料和能源等） 化 学 化 学 催 化 剂 化石原料 不可再生 加 工 过 程 三废排放 污染环境 能源危机！ 环境危机！
化石燃料 不可再生
资源危机！
生存危机!!! 社会危机!!!!
14
医药生物技术发展
•特点： 采用现代生物技术,借助某些微生物、植 物、动物生产医药品。
•涉及的相关学科： 基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、 生化工程、蛋白质工程、抗体工程等。
15
•1982年基因重组胰岛素批准上市，生物技术产业崛起的标志， •医药技术产业占生物技术市场的70％，占药物市场的9％， •100多种重组蛋白药物批准上市，
一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始： 乙醇, 乳酸, 丙酮，...
10
2. 生物技术的第二阶段－－工程化的过程

Alexander Fleming(1928)发现Staphylococcus培养 受到Penicillium notatum的抑制

Florey and Chain(1939)发现青霉素在对付感染是 有效的。
25
工业生物技术的关键
-催化剂
以催化作用为基础的化学合成品占今天化工产品的60％， 其技术渗入量占目前化工生产技术的90％ 酶是一种具有催化作用的蛋白质，能高效和高选择性的催 化生化反应


生物技术与医药、农业结合充分带动了这两个学科的发展， 也为生物技术与化学工业发展起到了示范作用
杜邦公司、道化学公司、BASF公司、孟山都等世界著名的 化学化工公司等都在积极从事生物技术的开发 当前的科学研究和工业实践证明选择工业生物催化剂是有 前途的选择
化学合成证明是困难的。


表面培养技术和高产菌株使得青霉素开始生产 （1941-43）
青霉素的价格比黄金高。
11Leabharlann Alexander Fleming (1881-1955)
12
工程化过程的发展

大规模生产技术的突破：深层培养、通气、放大技 术、过程的优化控制、培养基的优化和菌种的选育 和优化等。
23
发展生物技术是解决危机的有效途径
绿 色 工 艺 生 物 催
生 物 加 工 过 程
经济效益 无污染工 艺生产
科技贡献
化 剂 生物可再生资源
生 物 能 源
资源和能源，关 系到国家战略安 全问题。 农产品深加工，关 系到三农问题（小 康的关键）
社会效益
24
化学工业面临的挑战



石油资源枯竭 世界性的能源危机 我国石油每年1/3～1/2依赖进口 污染问题严重 以破坏环境为代价发展经济不是长远 之计(绿色GDP) 寻找新的经济生长点


产物的分离纯化： 用适当的方法和手段将一定含量的目的 产物从反应液中提取出来并加以精制以达到 规定的质量要求。 生物反应过程的分类
根据所采用生物催化剂的不同特性，生物反 应过程可分为：
33


整个生物反应过程以生物反应器为核心， 而分别把反应前与后称为上游加工和下游 加工。
生物反应工程是生物反应过程的一个部分， 主要围绕生物反应器进行研究，研究生物 反应过程中有关反应器设计放大等具有共 性的工程技术问题，以达到在工业规模的 反应器中给生物反应提供一个最佳的反应 环境。


•500多种处于临床阶段，
•2010年生物技术药物和疫苗市场从2000年的600亿美元增长到 1500亿美元，占药物市场的25％。 •基因治疗、组织工程、基因诊断都将形成产业。
16
生物技术类药物种类
1）免疫性蛋白，如各种抗原和单克隆抗体； 2）细胞因子，如各种干扰素、白细胞介素、集落刺 激因子、表皮生长因子、凝血因子；
4
5





生物技术作为解决当今人类健康、能源、环境和 可持续发展的高新技术已是人们的共识。而从生 物技术理论到有价值的生物技术产品离不开工程 技术。 • 在传统的经验性酿造过程进入到对生物反应过程 进行定量解析或理论分析时代，离不开生物反应 工程方面的理论作为支撑。 • 并且，在分子生物学飞跃发展的今天,也越来越 显得重要。
九十年代病虫害造成棉花减产17-30%， 最严重的地区减产50% 长江和黄河流域造成的减产分别达到10 万吨和152万吨，造成的直接经济损失达 50亿元，间接经济损失达100亿元。
19

抗 病 毒 转 基 因 青 椒
CMV
抗 病 毒 转 基 因 番 茄
CMV
20
工业生物技术的发展
继医药和农业之后，工业生物催化已 经被广泛看作是“生物技术的第三次浪 潮”。


原材料的预处理 ： 包括原料的选择 ，必要的物理和化学方法加 工，培养基的配制和灭菌 生物催化剂的制备： 包括菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化 反应中酶的纯化、酶的固定等。 生物反应器及反应条件的选择与监控： 生物反应器是进行生物反应的核心设备，它 应为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到反应较 好进行的目的。因此，反应器的确结构、操作方 式和条件对反应原料的转化率、产品的质量和成 本检测和控制对反应的顺利进行也是十分重要的。
3）激素，如胰岛素、生长激素、心素纳；
4）酶类，如尿激酶、链激酶、葡激酶、组织型纤维
蛋白溶酶原激活剂、超氧化物歧化酶。
17
农业生物技术的发展

1983年转基因植物问世 ,1986年被批准进入田间试验 ,根据美 国农业部动植物检疫局 (APHIS)的数据 ,1997年 1月 31日 , 美国已批准的转基因植物田间试验达 2500多例。 转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病的甜菜， 抗腐能力强、耐贮性高的番茄
生产成本
反应温度（℃）
高
70-120
低
20-24
能耗
高
低（比铜催化节约 50%）
29
丙烯酰胺生产化学法与生物法比较
铜系催化水合法 丙烯腈单耗 0.8 生物催化法 0.75
产品纯度
副产物、杂质 及废物 丙烯腈转化率 生产成本 反应温度（℃） 能耗
95% 产品中有较多催化 剂铜离子，基本无 三废 83-87% 高
生 物 质
乳酸、丙烯酸、丙二醇等
糖
丁二酸、富马酸、丁二醇等 衣康酸、木糖醇等
柠檬酸、山梨醇等 苯、苯酚等
能 源 、 高 分 子 材 料 产 品 和 化 学 品 8
生物加工制造技术产业的主要产品
分 类 典 型 产 品 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 溶 剂 酒类 啤酒、白酒、葡萄酒 溶剂 乙醇、丙醇、丁酮 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 有机酸 氨基酸 赖氨酸、谷氨酸 有机酸 柠檬酸、L-乳酸、长链二元酸 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 酶制剂 糖化酶、-淀粉酶、碱性蛋白酶 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 抗生素 青霉素、链霉素、头孢菌素，医药中间体 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 功能性食品添加剂 功能性蛋白质 -乳蛋白、-乳球蛋白、单细胞蛋白 功能性糖类 有保健功能的多种低聚糖、多糖等 功能性脂类 -亚麻酸、卵磷脂 其它复合物质 防腐剂、抗氧化剂、色素 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 生物材料 PHAs、聚L-乳酸、壳聚糖 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 生物化学品 丙烯酰胺、手性药物前体、1，3－丙二醇 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 能源类 乙醇、甲醇、丁醇、生物柴油（脂肪酸甲酯）、甲烷、氢气