生物化學(xué)過(guò)程工程學(xué)

前言

生物化學(xué)過(guò)程工程學(xué)是一門(mén)將化學(xué)和物理學(xué)的理論與技術(shù)融人生物體內(nèi)物質(zhì)提取過(guò)程的科學(xué)。它是在深入了解生物體物質(zhì)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及對(duì)環(huán)境因素要求的基礎(chǔ)上，把提取該類(lèi)物質(zhì)的系統(tǒng)過(guò)程與工程理論(包含能量衡算、儀器設(shè)備選擇等)結(jié)合起來(lái)，形成過(guò)程工程學(xué)。通過(guò)學(xué)習(xí)該課程，使學(xué)生既懂得如何根據(jù)細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)產(chǎn)物(target product，TP)的形成過(guò)程、存在狀況、理化特性等，將細(xì)胞內(nèi)目的物提取出來(lái)，又懂得在提取這些物質(zhì)的過(guò)程中，采用工程學(xué)原理，從能量消耗、環(huán)境友好、資源經(jīng)濟(jì)利用、儀器設(shè)備選用上形成單元操作集成性的生產(chǎn)線，為日后從事開(kāi)發(fā)生物物質(zhì)產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。因此，這門(mén)課程是使生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)走向生產(chǎn)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，它包含有效物質(zhì)的生物合成、目標(biāo)物的化學(xué)分離及物理學(xué)截獲三個(gè)過(guò)程。  生化分離過(guò)程又稱(chēng)生物物質(zhì)提取的系統(tǒng)工程，它指從發(fā)酵液、酶反應(yīng)液或動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)液中分離、提取、精制生化產(chǎn)品的過(guò)程，通過(guò)機(jī)械設(shè)備(儀器)連接形成集成化的流水線，是生物工程、生物技術(shù)、制藥、食品、輕工原料加工等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修課，也是將生物TP技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力時(shí)必不可少的環(huán)節(jié)。因此，可將生化分離過(guò)程tt喻為一條河流，而把生化分離過(guò)程工程視作物理學(xué)上的下游加工(down stream processing)、發(fā)電、變電和輸電的過(guò)程。生化分離過(guò)程工程技術(shù)源于傳統(tǒng)的化工單元操作技術(shù)，但是由于生物TP分離技術(shù)產(chǎn)品的特殊性，化工單元操作遠(yuǎn)不能滿足生物化學(xué)技術(shù)產(chǎn)品分離的需要。特別是基因工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程及細(xì)胞融合工程中大分子的回收，既要考慮使用高選擇性的分離純化方法，又不能影響產(chǎn)品的生物活性、純度、回收率及對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)還要考慮資源的綜合利用、所加入反應(yīng)物質(zhì)的回收等因素。所以近20年來(lái)，人們將物理和化學(xué)分離純化原理與生物技術(shù)產(chǎn)品特性相結(jié)合，進(jìn)行了大量的研究，開(kāi)發(fā)了許多新原理、新技術(shù)、新材料和新設(shè)備。例如，根據(jù)萃取技術(shù)和新原理發(fā)展而成的雙水相萃取、由內(nèi)而外的微波萃取、反膠束萃取、無(wú)溶劑超臨界萃取和凝膠萃取、高速逆流萃取、加速溶劑法萃取、超高壓萃取等分離技術(shù)，克服了有機(jī)溶劑直接與生物物質(zhì)接觸時(shí)易使其變性的缺點(diǎn)；又如，根據(jù)膜分離原理發(fā)展的反滲透、納米膜過(guò)濾、超濾、微過(guò)濾、電滲析、液膜分離和膜親和過(guò)濾等技術(shù)，具有無(wú)相變、無(wú)試劑、無(wú)pH變化等特點(diǎn)。此外，隨著生物化學(xué)，特別是免疫學(xué)的發(fā)展，對(duì)生物的特異性反應(yīng)有了較深刻的了解，出現(xiàn)了親和色層分離技術(shù)，使TP的純化率提高了幾十倍甚至上千倍。但同時(shí)怎樣將提取過(guò)程中涉及的多項(xiàng)技術(shù)連接起來(lái)形成面向市場(chǎng)的集成性操作系統(tǒng)工程，引起了人們的廣泛注意。另外，要看到細(xì)胞代謝分為基礎(chǔ)代謝和次生代謝兩個(gè)階段，次生代謝產(chǎn)物是基礎(chǔ)中間代謝產(chǎn)物經(jīng)過(guò)修飾而產(chǎn)生的一類(lèi)使細(xì)胞適應(yīng)脅迫環(huán)境的抗逆產(chǎn)物，在工業(yè)、食品、藥物生產(chǎn)上均有重要的應(yīng)用價(jià)值，甚至是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中主要的產(chǎn)品原料。它不僅是有機(jī)化學(xué)重要的研究?jī)?nèi)容，而且也是現(xiàn)代藥物設(shè)計(jì)和合成研究的靶點(diǎn)、建設(shè)藥物創(chuàng)新體系的源頭，已成為國(guó)際醫(yī)藥界共同關(guān)注和重視的問(wèn)題，是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“重磅炸彈”，研究這些次生代謝產(chǎn)物的形成、積累及分離過(guò)程，也將是本課程的中心內(nèi)容?？茖W(xué)的發(fā)展，學(xué)科的交叉，促使經(jīng)典的和新發(fā)展的化工單元操作技術(shù)原理與被分離的生物活性物質(zhì)的性質(zhì)相結(jié)合，形成了所謂的子代技術(shù)的拼接或融合工程。這類(lèi)技術(shù)既具備現(xiàn)代技術(shù)的特點(diǎn)，又具有選擇性好、效率高和簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。此外，隨著化石資源的日益枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)潔凈可再生能源這一緊迫問(wèn)題也已成為該課題領(lǐng)域的另一熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

內(nèi)容概要

　　生物化學(xué)過(guò)程工程學(xué)（BPE）是通過(guò)利用生物資源，借助生物學(xué)特有方式，以工藝、設(shè)備等工程系統(tǒng)，制備生物產(chǎn)品的一門(mén)學(xué)科。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室研究、開(kāi)發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通過(guò)運(yùn)用工程學(xué)原理，將目標(biāo)產(chǎn)物（TP）生產(chǎn)相關(guān)的物理、化學(xué)、生物過(guò)程單元操作組合成理論明晰、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境友好、生產(chǎn)安全的集成化生產(chǎn)流程，達(dá)到高活性、高純度、高收率并且符合低污染、低消耗的要求。　　《普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材：生物化學(xué)過(guò)程工程學(xué)》力圖從細(xì)胞有效物質(zhì)形成及特性出發(fā)，把相對(duì)獨(dú)立的基礎(chǔ)生化理論、生物化學(xué)單元操作以及生物工程相關(guān)工程技術(shù)綜合起來(lái)，將物質(zhì)分離技術(shù)、生產(chǎn)過(guò)程、儀器設(shè)備三者緊密結(jié)合。突出根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的形成規(guī)律、存在形式、結(jié)合類(lèi)型、分布狀況等性質(zhì)，論述如何科學(xué)、高效地選擇分離試劑、分離工藝和設(shè)備，達(dá)到原材料綜合利用、綠色生產(chǎn)的目標(biāo)?！　∪珪?shū)共4篇26章：生物體代謝與產(chǎn)物（8章）、生物物質(zhì)分離的化學(xué)物理過(guò)程（6章）、目標(biāo)產(chǎn)物分離提取過(guò)程集成化（8章）、生物化學(xué)過(guò)程工程的產(chǎn)業(yè)化（4章）?！　　镀胀ǜ叩冉逃笆晃濉币?guī)劃教材：生物化學(xué)過(guò)程工程學(xué)》適用于生物分離工程、生化工藝學(xué)、生物工程下游技術(shù)和生物制藥等課程，適合生物工程、生物技術(shù)、化學(xué)工程、食品醫(yī)藥、農(nóng)林科技等相關(guān)專(zhuān)業(yè)使用，也可供專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員參考。

書(shū)籍目錄

前言緒論第一篇 生物體代謝與產(chǎn)物第一章 生物體代謝產(chǎn)物應(yīng)用導(dǎo)論第二章 糖類(lèi)及其衍生物第三章 脂類(lèi)代謝與衍生物第四章 蛋白質(zhì)與活性肽第五章 酶的催化與產(chǎn)物第六章 核酸分解、代謝與產(chǎn)物第七章 細(xì)胞次生代謝與產(chǎn)物第八章 目標(biāo)產(chǎn)物的高效積累第二篇 生物物質(zhì)分離的化學(xué)物理過(guò)程第九章 生物目標(biāo)產(chǎn)物分離策略第十章 目標(biāo)產(chǎn)物原材料的預(yù)處理第十一章 萃取分離第十二章 沉淀法過(guò)濾第十三章 膜分離第十四章 層析與結(jié)晶純化第三篇 目標(biāo)產(chǎn)物分離提取過(guò)程集成化第十五章 生物化學(xué)過(guò)程的工程原理第十六章 生化目標(biāo)產(chǎn)物分離過(guò)程工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的評(píng)價(jià)第十七章 生物化學(xué)過(guò)程的設(shè)備第十八章 生物化學(xué)過(guò)程工程的流體流動(dòng)第十九章 固液分離過(guò)程第二十章 傳熱控制第二十一章 純化產(chǎn)物的濃縮干燥第二十二章 溶劑蒸餾回收第四篇 生物化學(xué)過(guò)程工程的產(chǎn)業(yè)化第二十三章 產(chǎn)業(yè)化的基本問(wèn)題與要求第二十四章 生物化學(xué)過(guò)程工程的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)第二十五章 生物化學(xué)過(guò)程工程的建設(shè)與示范第二十六章 高純植酸杭氧化保鮮劑產(chǎn)業(yè)化的可行性分析主要參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

緒論生化物質(zhì)與人類(lèi)生活及人體健康密切相關(guān)，其分離、提取、精制是生物化學(xué)過(guò)程工程的重要組成部分。生物化學(xué)過(guò)程工程是一項(xiàng)將從發(fā)酵液或酶反應(yīng)液或動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)液中分離、純化生物產(chǎn)品與設(shè)備性能相結(jié)合的過(guò)程，也稱(chēng)后處理的系統(tǒng)工程技術(shù)。它是把生化目標(biāo)產(chǎn)物（targetproduct，以下簡(jiǎn)稱(chēng)TP）分離技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力時(shí)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，它的技術(shù)進(jìn)步對(duì)于保持和提高國(guó)家在生物技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。第一節(jié)生化目標(biāo)產(chǎn)物分離技術(shù)的特點(diǎn)及其重要性一、生物化學(xué)過(guò)程工程學(xué)的含義生物化學(xué)過(guò)程工程學(xué)（biochemicalprocessengineering，BPE）是從細(xì)胞已有TP出發(fā)，根據(jù)TP的存在狀態(tài)、與非TP共生或結(jié)合的特點(diǎn)及人們所需的物質(zhì)形式（如液體、固體、氣體、晶體），采用化學(xué)、物理方法，并與工程學(xué)原理結(jié)合，將生物TP的分離及提取技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的交叉學(xué)科。主要研究將生物TP分離的實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)性生產(chǎn)力的過(guò)程中帶有共性的原理和工程技術(shù)問(wèn)題，既要保證目標(biāo)產(chǎn)品具有高活性、高純度和高收率，又要避免環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程低消耗、低成本，綜合利用資源。二、生物TP的特點(diǎn)生物化學(xué)TP的生產(chǎn)不同于一般化學(xué)品的生產(chǎn)，有其自身的特點(diǎn)。（一）種類(lèi)多，組成極復(fù)雜，懸浮液中分離通常從懸浮液中分離出來(lái)的TP含量很低（如1000kg竹筍含竹筍素僅為3.5×10-10nag），穩(wěn)定性差，對(duì)熱、pH、某些酶以及機(jī)械剪切力等都很敏感，稍不注意就會(huì)失活或降解。懸浮液中的固體可能包含完整的有機(jī)體、菌絲碎片、介質(zhì)成分中的其他不溶物、殘存底物、超短纖維等；懸浮液中的液體可能包含殘存的可溶底物、中間代謝產(chǎn)物和其他不希望有的產(chǎn)物，因而該懸浮液是一個(gè)復(fù)雜的多相體系。唯有經(jīng)過(guò)分離和純化等下游加工過(guò)程，才能制得符合要求的產(chǎn)品。因此，產(chǎn)品的分離純化是生物技術(shù)工業(yè)化的必需手段，具有不可取代的作用。

編輯推薦

《普通高等教育"十一五"規(guī)劃教育教材?生物化學(xué)過(guò)程工程學(xué)》適用于生物分離工程、生化工藝學(xué)、生物工程下游技術(shù)和生物制藥等課程，適合生物工程、生物技術(shù)、化學(xué)工程、食品醫(yī)藥、農(nóng)林科技等相關(guān)專(zhuān)業(yè)使用，也可供專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員參考。

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