精细化工生产技术-第五章 生物精细化学品1

第五章生物精细化工产品

第一节生物化学工程基本知识

生物化工产品的发展：

第一代生物化工产品：酿酒、制醋、面团发酵是人类最早掌握的生物技术。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。

第二代生物化工产品：在20世纪40年代随着抗生素工业的兴起而出现的，青霉

素、链霉素、氯霉素先后投产。

第三代生物化工产品：1974年以后，，生物学取得了以重组DNA（脱氧核糖核

酸）技术和细胞融合技术为代表的一系列新的成就，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。

基本知识准备：

一、生物化学工程的定义及特点

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从事生物化工产品的生产过程。

发酵过程--当采用活细胞催化剂(主要是整体的微生物细胞)。

酶反应过程--利用从细胞中提取得到的酶为催化剂。

生物反应过程包括4个组成部分：

（1）原料预处理即底物或培养基的制备过程，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。

（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。

（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。

特点：

A：由于采用生物催化剂，可在常温常压下进行反应，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；

B：可采用再生性的生物资源为原料，且来源丰富，价格低廉，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；

C：生产设备较为简单，能量消耗较少，但由于反应液的底物和产物浓度不能太高，造成反应器体积很大；

D：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，难以控制，产物中常含有杂质，给提取带来困难。二、生物催化剂

广义上讲：指由生物产生用于自身新陈代谢，维持其生物活动的各种催化剂。工业上：指游离或固定化的酶或活细胞的总称。

包括：

A::从生物体，主要是微生物细胞中提取出来的游离酶或经固定化技术加工后的固定化酶；对应的过程为：酶反应过程

B：统称为活细胞催化剂的游离的、以整体微生物为主的活细胞及固定化活细胞。对应的过程为：发酵过程。

特点：

能在常温常压下反应，反应速率快，催化作用专一、价格较低等优点，缺点是易受热、受某些化学物质的及杂菌的破坏而失活，稳定性较差，反应时的温度和pH值范围要求较严格，用作固定化酶或固定化活细胞时，使用寿命一般不少于30批，否则经济上不合理。

在生物反应过程中，生物催化剂的选择应从技术上的可能性和经济上的合理性作全面比较：

1、活细胞催化剂

目前，工业上用作活细胞催化剂的几乎都是活体微生物细胞，统称为工业微生物，包括多种细菌、放线菌、酵母菌、霉菌等。

微生物个体虽小，但它是一个能在特殊条件下生活及具有某些特性的独立的生命体，有完整的酶系统，代谢能力和繁殖能力都很强，对环境有很大的适应性，对营养要求一般不高。微生物还有易于改变遗传性能，包括改变其对环境的适应性、代谢途径等性能的特点，且可利用重组DNA技术及细胞融合技术对生产菌种作更深入的改造。

工业微生物主要应用于有机溶剂、有机酸、抗生素、氨基酸、酶制剂、维生素C、单细胞蛋白等生物化工产品的生产，同一产品可用不同的微生物进行生产；有时一种微生物在不同条件下能产生不同产物，为此，根据不同情况合理选择菌种是十分重要的。

2、酶催化剂

酶是一类由生物体产生的具有高效专一催化功能的蛋白质。

生物体内：酶参与催化几乎所有的物质的转化过程，与生命活动有密切关系。生物体外：可作为催化剂用于工业生产。

特点：

1）很高的催化效率

温和条件下，其催化效率是一般非生物催化剂的109—1013倍

2）选择性极高

一种酶通常只能催化一种或一类反应，而且只能催化一种或一类反应物的转

化，包括立体化学结构上的选择性。

与活细胞催化剂相比：

它的催化作用专一，无副反应，便于过程的控制和产品的分离。

提取方法及应用形式：

来源：主要从微生物发酵获得

提取方法：将细胞破碎，取得含酶的浆液；胞外酶则直接从发酵液中提取，如用色谱法、分级沉淀法等。对于不同的用途，有不同的纯度要求。

状态：常见的酶制剂是粉状或浓缩液状态。

工业应用范围：

酶催化剂广泛应用于食品工业、纺织工业、皮革业、农业、制药业、轻工、化工等行业的生产；在精细化工方面，用于生产氨基酸、半合成抗生素、助消化药、消炎药、抑制肿瘤药、以及用固定化酶制造人工脏器等。在利用资源和能源开发方面，生物催化剂有极为广阔的前景。

三、生物反应器

生物反应器是易活细胞或酶为生物催化剂进行的细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备。生物反应过程中的关键设备。

包括：发酵罐、酶反应器、动植物细胞培养装置

1、发酵罐

发酵罐若根据其使用对象可分为嫌气发酵罐

好气发酵罐

污水生物处理装置等。

其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借助发酵中产生的CO：气体搅拌液体。若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。

好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有如下几种：

(1)具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐

这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生局部真空，可吸入外界的空气，则称为自吸式机械搅拌发酵罐。