【正文】 生物過程工程（ bioprocess engineering）基本概念 盡管生物過程所生產(chǎn)的產(chǎn)品性質(zhì)（ product characteristics）、加工方法（ processing method）、工藝流程（ technological flow）以及設(shè)備型式（ equipment type）等完全不同，甚至差異很大。 工程理念： ? 工程學(xué)：研究工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)規(guī)律性的科 學(xué)，實(shí)際上是探索如何有效地在合理的生產(chǎn) 設(shè)備將原料轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)產(chǎn)品的科學(xué)。 對于后者的單元操作，應(yīng)根據(jù)質(zhì)量守恒定律（ law of mass conservation）對目的產(chǎn)物進(jìn)行物料衡算。在控制細(xì)胞代謝中，可通過減少支流途徑（ bypass path）的能量和增加目的產(chǎn)物主流途徑的生物能支持。故，細(xì)胞平衡生長不會有代謝產(chǎn)物（ metabolites）積累。過量表達(dá)代謝產(chǎn)物的細(xì)胞是“病態(tài)”細(xì)胞。 質(zhì)量、熱量和動(dòng)量衡算概念是保證技術(shù)上可行性和經(jīng)濟(jì)上合理性的重要工程措施和環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在，以細(xì)胞代謝流分析與控制為核心的生物反應(yīng)最優(yōu)化觀點(diǎn)正日益受到重視。特別在小試（ smallscale production）階段，往往不容忽視。才能確保所開發(fā)的生物技術(shù)方案的科學(xué)性和合理性。當(dāng)前生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的特點(diǎn)是必須將細(xì)胞代謝過程（微觀分子細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)）與培養(yǎng)工藝過程（宏觀工程水平的傳遞特性）進(jìn)行深度結(jié)合；由宏觀推向微觀，強(qiáng)調(diào)在對細(xì)胞代謝深入發(fā)展的認(rèn)識基礎(chǔ)上，以多尺度的工程學(xué)觀點(diǎn)研究過程特性。 ◆ 生產(chǎn)細(xì)胞物質(zhì) ◆ 微生物酶發(fā)酵 ?酶的特點(diǎn)： 易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝 提高產(chǎn)量。 ? 各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停止生長時(shí)期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。 生化工程產(chǎn)品簡介 ? 發(fā)酵食品 ? 有機(jī)酸 ? 氨基酸 ? 核酸類物質(zhì) ? 酶制劑 ? 醫(yī)藥工業(yè) （ 抗生素 … ） ? 飼料工業(yè) （ 單細(xì)胞蛋白 ? 環(huán)境工程 （ 廢物處理 ） ? 其它 （ 冶金工業(yè) … ） biological engineering ? Fermented Foods ? Organic Acids ? Amino Acids ? Nucleotides ? Enzymes ? Pharmaceutical (Antibiotics…) ? Feedstuff (eg. SCP) ? Environmental Application (Waste Treatment) ? Others (eg. Metallurgical industry) ◆ 課程內(nèi)容 ? 微生物生長、 發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析； ? 生產(chǎn)過程的參數(shù)檢測與控制； ? 反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析 ； ? 固定化酶與固定化細(xì)胞及應(yīng)用； ? 動(dòng)植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)等內(nèi)容 主要參考教材 – 1 新編生物工藝學(xué) 俞俊棠 化工出版社 – 2 微生物工程 曹軍衛(wèi)主編 科學(xué)出版社 – 3 發(fā)酵工藝原理 熊宗貴 醫(yī)藥科技出版社 – 4 生物工藝原理 賀小賢 化工出版社 – 5 氨基酸生產(chǎn)工藝學(xué) 張克旭 – 6 微生物發(fā)酵的代謝與控制 張克旭 輕工出版社 參考期刊雜志 ； ； ； ； ； ； ； ； 。 ? 特點(diǎn)： 最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對底 物某一特定部位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的。 ◆ 微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵 ? 包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級 代謝產(chǎn)物。 微生物產(chǎn)物 ：微生物細(xì)胞，酶，藥物活性物質(zhì)， 特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑 ? 定義： 以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為 目的產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，包括單細(xì)胞的酵母 和藻類、擔(dān)子菌，生物防治的蘇云金桿菌 以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特征是可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)改進(jìn)天然的或構(gòu)建新的生化物質(zhì)或體系（核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體及多糖復(fù)合物等）以及新的代謝步驟與途徑，并對他們在生物體內(nèi)外的作用加以研究與應(yīng)用。在中試（ pilotscale production）和示范工程建設(shè)（ demonstrating engineering construction）中，更不能離開技術(shù)經(jīng)濟(jì)的參與。從單元操作到系統(tǒng)工程，從宏觀經(jīng)驗(yàn)描述到微觀的本質(zhì)認(rèn)識，對于過程工藝優(yōu)化具有重要意義。 一般來講，過程速率與過程推動(dòng)力（ driving force）成正比，與過程阻力成反比。 生化工程中涉及到的工程學(xué)基本概念： ? 恒算概念 ? 速率概念 ? 最優(yōu)化概念 ? 技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念 ? 上游生物技術(shù)工程化概念 ? 細(xì)胞代謝和培養(yǎng)工藝過程一體化概念 衡算概念 通過質(zhì)量衡算、熱量衡算、動(dòng)量衡算達(dá)到物料和能量有效集成。細(xì)胞過量生產(chǎn)目的產(chǎn)物對細(xì)胞來講不經(jīng)濟(jì)。對于生產(chǎn)過程，可根據(jù)能量守恒定律（ law of energy conservation）和能量系統(tǒng)集成（ integrated energy system）技術(shù)進(jìn)行衡算，減少生產(chǎn)過程中的能量消耗。即： 輸入的產(chǎn)物量 ＝ 輸出的產(chǎn)物量－目的產(chǎn)物損失 能量最小的觀點(diǎn) 在細(xì)胞代謝（ cell metabolism）和生產(chǎn)過程 中均消耗一定能量，并以不同形式提供。對于前者，要促進(jìn)細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；減少與目的產(chǎn)物形成無關(guān)的代謝支流，使各個(gè)分支的物質(zhì)相對集中流向目的產(chǎn)物；消除目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑。生物反應(yīng)過程是具有決定意義的一步。 ? 生產(chǎn)反應(yīng)過程是以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行 的，多個(gè)反應(yīng)像一個(gè)反應(yīng)一樣，可在單一設(shè)備 中進(jìn)行； ? 易于進(jìn)行復(fù)雜的高分子化合物的生產(chǎn)，如酶、 光學(xué)活性體等 ? 能高度選擇性地進(jìn)行復(fù)雜化合物在特定部 位的反應(yīng)，如氧化、還原、官能團(tuán)導(dǎo)入等； ? 生產(chǎn)產(chǎn)品的生物體本身也是產(chǎn)物，富含維 生素、蛋白質(zhì)、酶等；除特殊情況外，培 養(yǎng)液一般不會對人和動(dòng)物造成危害； ? 生產(chǎn)過程中需要注意防止雜菌污染，尤其 是噬菌體的侵入，以免造成很大的危害。 而牛頓力學(xué) 、 量子論和相對論的時(shí)間卻是可逆的 在生命科學(xué)中 時(shí)間不可逆 一切生物從出生到死亡是不可逆的 也就是說時(shí)間是不可逆的 ， 是單方向的 為什么 ？ 主要是由于生命科學(xué)極其復(fù)雜的 非線性