生物产氢技术及其应用研究

第１１卷第２期　２０１３年３月　生物加工过程　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｌ＿１１　Ｎｏ．２　Ｍａｒ．２０１３　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—３６７８．２０１３．０２．００３　

生物反应器及其研究技术进展　

王永红，夏建业，唐　寅，杭海峰，易小萍，潘　江，许建和，张嗣良　

（华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海２００２３７）　

摘要：阐述了生物反应器设计、放大的新理念及关键技术发展，并在此基础上综述了应用于生物技术产品生产的　生物反应器的主要发展趋势，包括以代谢流分析为核心的生物反应器系统、基于计算流体力学模拟技术的传统发　酵罐改良、微型生物反应器、动物细胞反应器和酶反应器。　关键词：生物反应器；计算流体力学；微型生物反应器；动物细胞反应器；酶反应器　中图分类号：ＴＱ０５１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２—３６７８（２０１３）０２—００１４—１０　

Ｒｅｃｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

ＷＡＮＧ　Ｙｏｎｇｈｏｎｇ，ＸＩＡ　Ｊｉａｎｙｅ，ＴＡＮＧ　Ｙｉｎ，ＨＡＮＧ　Ｈａｉｆｅｎｇ，ＹＩ　Ｘｉａｏｐｉｎｇ，　

ＰＡＮ　Ｊｉａｎｇ，ＸＵ　Ｊｉａｎｈｅ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｉｌｉａｎｇ　

（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２３７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｃａｌｅ—ｕｐ　

ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｗｅｒｅ　

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现代生物技术及其应用

作者：高晓华 龚祝南

来源：《中学生物学》2009年第06期

作为21世纪生命科学时代标志的现代生物技术是现代生命科学发展及其与相关学科交叉融和的产物，其核心是以DNA重组技术为中心的基因工程，还包括微生物工程、生化工程、细胞工程及生物制品等领域，同时在医疗保健、农业、环保、轻化工、食品等重要领域对改善人类健康与生存环境、提高农牧业和工业产量与质量都开始发挥越来越重要的作用。生物技术已经成为现代科技研究和开发的重点，在发达国家生物技术产业已经成为一个新的经济增长点，其增长速度大约为25％-30％，是整个经济增长平均数的8—10倍左右。

2000年，中国生物技术产业产值已经达到200多亿元，北京、上海、广州、深圳等地建立了20多个生物技术园区，涉及现代生物技术的企业约500家，从业人员超过5万人。其中涉及医药生物技术的企业300多家，涉及农业生物技术的企业200多家。到2006年，中国现代生物技术产业的年产值达到600亿元，传统生物技术产业的年产值达到3 000多亿元。2007年，全国涉及现代生物技术的企业约500家，年产值近万亿元。中国生物医药产业规模近15年大致增长了100倍。

1 药物生物技术

生物技术中主要的方向——生物技术药物，是指运用现代生物科学、医学和药学等的研究成果，综合利用微生物学、化学、生物化学及分子生物学技术、药学等科学的原理和方法从生物体、生物组织、细胞、体液等制造的一类用于预防、治疗和诊断的制品。生物药物原料以天然的生物材料为主，包括微生物、人体、动物、植物、海洋生物等。

随着生物技术的发展，有目的人工制得的生物原料成为当前生物制药原料的主要来源，如用免疫法制得的动物原料、重组基因结构制得的微生物工程菌株或其他细胞原料等。生物药物的特点是药理活性高，毒副作用小，营养价值高。生物药物主要有蛋白质、核酸、糖类、脂类等。这些物质的组成单元为氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等，对人体不仅无害而且还是重要的营养物质。生物药物的阵营很庞大，发展也很快，目前全世界的医药品已有一半是生物合成的，特别是合成分子结构复杂的药物时，生物合成法不仅比化学合成法简便，而且有更高的经济效益。

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生物发酵技术及其在酒精生产中的应用研究

作者：许文晶 石觐菘

来源：《中国化工贸易·上旬刊》2017年第03期

摘 要：酶作为一种作用广泛的物质，目前已经在众多学者的努力下取得了突破性的研究成果，因此依托酶而迅速发展的生物发酵工程，作为生物工程领域中发展最快的一个方面也已经被广泛应用在工业生产过程中。本文聚焦在生物发酵技术对酒精生产的作用上，通过研究进一步明晰生物发酵的应用机理和影响因素，希望能够对实践有所指导。

关键词：生物发酵；酒精生产；应用

生物发酵工程是生物工程领域中发展最为迅速的一个重要组成部分。生物发酵源于微生物的活动。微生物在生长过程中需要淀粉，而微生物的新陈代谢过程需要将淀粉转化成微生物所需的能量物质葡萄糖。而转化过程中需要微生物自身携带的酶来参与其中。这些酶的这种作用机理被人类发现并长时间用在酒精等产物的生产过程中。随着研究的不断深入，生物酶的作用范围变得越来越大，通过简单操作就能够批量生产所需物质。各个企业也纷纷研究如何改进对酶的使用工艺，从而帮助提升生产效率，增加自身在行业内的竞争力。

1 酒精发酵的微生物基本原理

生物发酵虽然是个值得深入研究的课题，但是其基本理念十分简单，就是利用各种各样的微生物的新陈代谢过程，帮助人类把原料中的淀粉分解成为葡萄糖，从而在其他条件的共同作用中获得不同产物。在这些微生物中，比较常见的是霉菌，第二位的是细菌。这两种菌类都能携带葡萄糖淀粉酶，也就是工业领域中常说的糖化酶，在工业上应用比较广泛的是丝状真菌和酵母。

在酒精生产领域，使用的微生物是酿酒酵母。酿酒酵母是在乙醇生产领域中广泛使用的微生物。在使用淀粉和糖蜜作为微生物能量来源的前提下，能够通过自身新陈代谢作用，也就是俗称的发酵，帮助获得葡萄糖、麦芽糖和蔗糖，从而进一步产生乙醇。酿酒酵母的最佳发酵条件是在30摄氏度的温度下，保持4.2-4.5的酸度，而满足其需求的最佳原材料是甘薯，这也是乙醇生产中最常用的原材料，这种原材料能够很好地被曲糖化，从而酒精出产率更高。

现代生物分离技术及其应用举例

生物物质的分离（Bioseparation）是生物工程的一个重要部分。国外文献中，常称之为下游过程（Downstream

Process），国内则称之为产品的分离或回收。其目的是把生物反应液，如发酵液或酶反应液内的有用物质分离出来，获得所需的目标成品。

不同的生物产物，其溶解度、分子大小、形状、极性、电荷性质、专一结合位点等理化和生物学性质有或大或小的差异，所以采用适当的分离技术可将其分离纯化。

根据分离过程的基本原理，分离可分机械分离和传质分离两大类。机械分离的对象是非均相物系，是依据物质相态的不同（例如液体、固体），以及依据物质大小、密度的差异进行分离，如过滤、重力沉淀和离心降解等。传质分离的对象主要是均相物系，通常是溶液，可分为速度分离和平衡分离两种。速度分离根据物质溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离，亦可称为输送分离，其传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等，如滤超、反渗透、电渗析、电泳和磁泳等；平衡分离则根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离，又称扩散分离法，其传质推动力为偏离平衡态的活度差或浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离子交换等。对于特定的目标产物，应根据其自身的性质以及共存杂质的特性，选择适宜的分离方法，以获得最佳分离效果。即在保证目标产物的生物活性不受（或少受）损伤的同时，达到所需的纯度和对回收率的要求，并使回收过程成本最小，以适应大规模工业生产需求。

生物工艺中目前常用的生物分离提纯原理及方法如下表所示：

分离提纯原理 分离纯化方法 分离对象举例

溶解度的差异

分配系数的差异

分子大小和形状的差异

电荷性质的差异

盐析法、等电点沉淀法、有机溶剂沉淀法、PEG沉淀法

有机溶剂萃取法、双水相萃取法、反胶束萃取法、液膜萃取法、超临界流体萃取法

离心过滤法、离心沉降法、超离心法、微滤法、超滤法、纳滤法、透析法、凝胶过滤法