生物化學工程

沿革 釀酒制醋、麵糰發酵是人類最早掌握的生產和生活知識之一。考古工作者證明，在距今4000～4200年前的中國龍山文化遺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，也發現了類似麵包的遺跡。

1857年法國科學家L.巴斯德首先證明酒精乙醇是由活的酵母引起發酵而得到的，其他不同發酵產物是由不同的微生物的作用引起的。在這一啟示下，從19世紀80年代起到20世紀30年代末為止，不少發酵產品，如乳酸、麵包酵母、乙醇、甘油、丙酮、正丁醇、檸檬酸等相繼投入生產。這些都是屬於第一代的生物化工產品。這一時期的特點是工業生產即實驗室規模的簡單放大，人們著重於工藝的研究，而尚未形成嚴格的工程學科。第二代的生物化工產品是在40年代隨著抗生素工業的興起而出現的。第二次世界大戰爆發時，急需一種高效治療劑以控制戰傷及其繼發感染。由英、美兩國聯合加速對青霉素的研究和生產。當時參加研究的除有生物、化學的科學家外，還有一批化學工程師。1943年起，在具有通氣攪拌裝置的發酵罐中大量培養青霉素產生菌的方法出現了，代替了原來用上萬個瓶子進行表面培養的生產方法。隨後，1944年發現的鏈黴素，1946年發現的氯黴素等都相繼順利地投產。這一時期，化學工程師成功地解決了好氣性微生物的大規模培養中的氧的供應、培養基和空氣的滅菌以及產品提取中的關鍵技術和設備問題，並從中建立了發酵過程中的攪拌通氣、培養基和空氣滅菌等單元操作，實際上也為生物化學工程的建立奠定了初步的理論基礎。1947年 7月美國麥克公司被授予“生物化學工程的專題研究”的麥格勞－希爾化學工程成就獎。生物化學工程由此得名並沿用至今。在這以後，生物化學工程在為其後出現的氨基酸、酶製劑生產、甾體的生物轉化以及酶的工業應用等過程開發和對原有發酵過程的改造起了積極作用。1974年以後，生物學出現了以重組 DNA技術和細胞融合技術為代表的一系列新的成就，從而出現了第三代的生物化工產品，如用DNA重組體菌種生產的胰島素、干擾素、疫苗以及用雜交瘤技術生產的單克隆抗體等。這些產品及其生產過程的特點（如DNA重組菌體的易於退化，以及大量細胞需要培養等），進一步要求生物化學工程開拓新的生物反應器以及新的單元操作。所以說，生物化學工程豐富了化學工程的內容。

對象和內容 生物反應過程是利用生物催化劑，即遊離或固定化的活細胞或酶以從事生物化工產品的生產過程。當採用活細胞催化劑(主要是整體的微生物細胞)時，稱為發酵過程。而利用從細胞中提取得到的酶為催化劑時，則稱為酶反應過程。此外，也常把動植物細胞大量培養列入生物反應過程。有關生物反應過程的特點和規律的研究是生物化學工程主要內容之一。

生物反應過程包括四個組成部分：

①原料預處理 即底物（酶催化反應中的作用物）或培養基(發酵過程中的底物及營養物，也稱營養基質)的製備過程，包括原料的物理、化學加工和滅菌過程。

②生物催化劑的製備 生物催化劑是指遊離或固定化的活細胞或酶，微生物是最常用的活細胞催化劑，酶催化劑則是從細胞中提取出來的，只在經濟合理時才被應用。不同菌株和不同酶的催化專一性、活力及穩定性有很大差異，因此有關菌種分離、篩選、選育是不可缺少的。目前，人們已有可能用重組DNA技術及細胞融合技術來改造或組建新的生物催化劑。固定化酶或固定化細胞的出現，使生物催化劑能較長時期地反覆使用。

③生物反應的主體設備 即生物反應器，凡反應中採用整體微生物細胞時，反應器則稱發酵罐；凡採用酶催化劑時，則稱為酶反應器。另還有適用於動植物細胞大量培養的裝置。為了設計生物反應器並確定其操作方式和操作條件，在發酵動力學、酶動力學以及傳遞過程原理的基礎上形成了生化反應工程。

④生物化工產品的分離和精製 這一部分常稱下游加工，是生化分離工程的主要內容。

學科特點 生物反應過程與一般化學反應過程相比，具有以下特點：①由於採用生物催化劑，可在常溫常壓下進行反應，且可運用重組DNA技術及細胞融合技術改造生物催化劑，但生物催化劑易於失活，易受環境影響和污染，一般採用分批操作；②可採用再生性的生物資源為原料，來源豐富，價格較低，過程中產生的廢料危害性較小，但往往形成原料成分不易控制，對生產控制和產品質量帶來影響；③生產設備較為簡單，能量消耗較少，但由於過高的底物和產物會給酶帶來抑制作用和微生物細胞不能耐受外界溶液過高的滲透壓，反應液的底物和產物濃度不能太高，造成反應器體積很大；④酶反應的專一性強，轉化率高，但成本較高；發酵過程應用面廣，成本較低，但反應機理複雜，難以進行控制，產物中常含有雜質，給提取帶來困難。

發展趨勢 目前生物化學工程重點研究的內容是：①新型生物反應器研究開發，特別是針對重組 DNA技術、細胞融合技術所獲得的新產品的投產，動植物細胞大量培養技術的興起，高粘度、高密度發酵液的需要，而研製各種新型生物反應器及其有關的基本原理；②新型分離方法及設備的開發，目前，一些適用於生物化學品的分離和精製方法雖較多，但大多隻停留在實驗室規模上，將這些方法用於生產是十分迫切的課題；③各種描述生物反應過程的數學模型的建立，將有利於過程的控制和優化以及計算機的運用；④生產過程式控制制手段的改造，重點要解決的是各種能反映反應過程變化特性參數的感測器的研製和計算機控制系統的完善。