生物化学工程

化学工程的前沿分支

生物化学工程是化学工程的一个前沿分支，它应用化学工程的原理和方法，研究解决有生物体或生物活性物质参与的生产过程即生物反应过程中的基础理论及工程技术问题。

它作为生物化学、微生物学及化学工程学之间的边缘学科，是生物技术中将近代生物学的成就转变成生产力所必不可少的重要组成部分。

沿革酿酒制醋、面团发酵是人类最早掌握的生产和生活知识之一。考古工作者证明，在距今4000～4200年前的中国龙山文化遗址中就有盛酒用的陶樽等；在距今4600年前的古埃及金字塔中，也发现了类似面包的遗迹。

1857年法国科学家L.巴斯德首先证明酒精乙醇是由活的酵母引起发酵而得到的，其他不同发酵产物是由不同的微生物的作用引起的。在这一启示下，从19世纪80年代起到20世纪30年代末为止，不少发酵产品，如乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮、正丁醇、柠檬酸等相继投入生产。这些都是属于第一代的生物化工产品。这一时期的特点是工业生产即实验室规模的简单放大，人们着重于工艺的研究，而尚未形成严格的工程学科。第二代的生物化工产品是在40年代随着抗生素工业的兴起而出现的。第二次世界大战爆发时，急需一种高效治疗剂以控制战伤及其继发感染。由英、美两国联合加速对青霉素的研究和生产。当时参加研究的除有生物、化学的科学家外，还有一批化学工程师。1943年起，在具有通气搅拌装置的发酵罐中大量培养青霉素产生菌的方法出现了，代替了原来用上万个瓶子进行表面培养的生产方法。随后，1944年发现的链霉素，1946年发现的氯霉素等都相继顺利地投产。这一时期，化学工程师成功地解决了好气性微生物的大规模培养中的氧的供应、培养基和空气的灭菌以及产品提取中的关键技术和设备问题，并从中建立了发酵过程中的搅拌通气、培养基和空气灭菌等单元操作，实际上也为生物化学工程的建立奠定了初步的理论基础。1947年 7月美国麦克公司被授予“生物化学工程的专题研究”的麦格劳－希尔化学工程成就奖。生物化学工程由此得名并沿用至今。在这以后，生物化学工程在为其后出现的氨基酸、酶制剂生产、甾体的生物转化以及酶的工业应用等过程开发和对原有发酵过程的改造起了积极作用。1974年以后，生物学出现了以重组 DNA技术和细胞融合技术为代表的一系列新的成就,从而出现了第三代的生物化工产品，如用DNA重组体菌种生产的胰岛素、干扰素、疫苗以及用杂交瘤技术生产的单克隆抗体等。这些产品及其生产过程的特点（如DNA重组菌体的易于退化,以及大量细胞需要培养等），进一步要求生物化学工程开拓新的生物反应器以及新的单元操作。所以说，生物化学工程丰富了化学工程的内容。

对象和内容生物反应过程是利用生物催化剂，即游离或固定化的活细胞或酶以从事生物化工产品的生产过程。当采用活细胞催化剂(主要是整体的微生物细胞)时，称为发酵过程。而利用从细胞中提取得到的酶为催化剂时，则称为酶反应过程。此外，也常把动植物细胞大量培养列入生物反应过程。有关生物反应过程的特点和规律的研究是生物化学工程主要内容之一。

生物反应过程包括四个组成部分：

①原料预处理即底物（酶催化反应中的作用物）或培养基(发酵过程中的底物及营养物，也称营养基质)的制备过程，包括原料的物理、化学加工和灭菌过程。

②生物催化剂的制备生物催化剂是指游离或固定化的活细胞或酶，微生物是最常用的活细胞催化剂，酶催化剂则是从细胞中提取出来的，只在经济合理时才被应用。不同菌株和不同酶的催化专一性、活力及稳定性有很大差异，因此有关菌种分离、筛选、选育是不可缺少的。人们已有可能用重组DNA技术及细胞融合技术来改造或组建新的生物催化剂。固定化酶或固定化细胞的出现，使生物催化剂能较长时期地反复使用。

③生物反应的主体设备即生物反应器，凡反应中采用整体微生物细胞时，反应器则称发酵罐；凡采用酶催化剂时，则称为酶反应器。另还有适用于动植物细胞大量培养的装置。为了设计生物反应器并确定其操作方式和操作条件，在发酵动力学、酶动力学以及传递过程原理的基础上形成了生化反应工程。

④生物化工产品的分离和精制这一部分常称下游加工，是生化分离工程的主要内容。

学科特点生物反应过程与一般化学反应过程相比，具有以下特点：①由于采用生物催化剂，可在常温常压下进行反应,且可运用重组DNA技术及细胞融合技术改造生物催化剂，但生物催化剂易于失活，易受环境影响和污染，一般采用分批操作；②可采用再生性的生物资源为原料，来源丰富，价格较低，过程中产生的废料危害性较小，但往往形成原料成分不易控制，对生产控制和产品质量带来影响；③生产设备较为简单，能量消耗较少，但由于过高的底物和产物会给酶带来抑制作用和微生物细胞不能耐受外界溶液过高的渗透压，反应液的底物和产物浓度不能太高，造成反应器体积很大；④酶反应的专一性强，转化率高，但成本较高；发酵过程应用面广，成本较低，但反应机理复杂，难以进行控制，产物中常含有杂质，给提取带来困难。

发展趋势生物化学工程重点研究的内容是：①新型生物反应器研究开发，特别是针对重组 DNA技术、细胞融合技术所获得的新产品的投产，动植物细胞大量培养技术的兴起，高粘度、高密度发酵液的需要，而研制各种新型生物反应器及其有关的基本原理；②新型分离方法及设备的开发，一些适用于生物化学品的分离和精制方法虽较多，但大多只停留在实验室规模上，将这些方法用于生产是十分迫切的课题；③各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有利于过程的控制和优化以及计算机的运用；④生产过程控制手段的改造，重点要解决的是各种能反映反应过程变化特性参数的传感器的研制和计算机控制系统的完善。

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