生物化學(xué)工程biochemical engineering
沿革 釀酒制醋、面團(tuán)發(fā)酵是人類最早掌握的生產(chǎn)和生活知識(shí)之一。考古工作者證明，在距今4000～4200年前的中國(guó)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(fā)現(xiàn)了類似面包的遺跡。
1857年法國(guó)科學(xué)家L.巴斯德首先證明酒精乙醇是由活的酵母引起發(fā)酵而得到的，其他不同發(fā)酵產(chǎn)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(jì)80年代起到20世紀(jì)30年代末為止，不少發(fā)酵產(chǎn)品，如乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮、正丁醇、檸檬酸等相繼投入生產(chǎn)。這些都是屬于第一代的生物化工產(chǎn)品。這一時(shí)期的特點(diǎn)是工業(yè)生產(chǎn)即實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的簡(jiǎn)單放大，人們著重于工藝的研究，而尚未形成嚴(yán)格的工程學(xué)科。第二代的生物化工產(chǎn)品是在40年代隨著抗生素工業(yè)的興起而出現(xiàn)的。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時(shí)，急需一種高效治療劑以控制戰(zhàn)傷及其繼發(fā)感染。由英、美兩國(guó)聯(lián)合加速對(duì)青霉素的研究和生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)參加研究的除有生物、化學(xué)的科學(xué)家外，還有一批化學(xué)工程師。1943年起，在具有通氣攪拌裝置的發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)青霉素產(chǎn)生菌的方法出現(xiàn)了，代替了原來(lái)用上萬(wàn)個(gè)瓶子進(jìn)行表面培養(yǎng)的生產(chǎn)方法。隨后，1944年發(fā)現(xiàn)的鏈霉素，1946年發(fā)現(xiàn)的氯霉素等都相繼順利地投產(chǎn)。這一時(shí)期，化學(xué)工程師成功地解決了好氣性微生物的大規(guī)模培養(yǎng)中的氧的供應(yīng)、培養(yǎng)基和空氣的滅菌以及產(chǎn)品提取中的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備問(wèn)題，并從中建立了發(fā)酵過(guò)程中的攪拌通氣、培養(yǎng)基和空氣滅菌等單元操作，實(shí)際上也為生物化學(xué)工程的建立奠定了初步的理論基礎(chǔ)。1947年 7月美國(guó)麥克公司被授予“生物化學(xué)工程的專題研究”的麥格勞－希爾化學(xué)工程成就獎(jiǎng)。生物化學(xué)工程由此得名并沿用至今。在這以后，生物化學(xué)工程在為其后出現(xiàn)的氨基酸、酶制劑生產(chǎn)、甾體的生物轉(zhuǎn)化以及酶的工業(yè)應(yīng)用等過(guò)程開(kāi)發(fā)和對(duì)原有發(fā)酵過(guò)程的改造起了積極作用。1974年以后，生物學(xué)出現(xiàn)了以重組DNA技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)為代表的一系列新的成就，從而出現(xiàn)了第三代的生物化工產(chǎn)品，如用DNA重組體菌種生產(chǎn)的胰島素、干擾素、疫苗以及用雜交瘤技術(shù)生產(chǎn)的單克隆抗體等。這些產(chǎn)品及其生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)（如DNA重組菌體的易于退化，以及大量細(xì)胞需要培養(yǎng)等），進(jìn)一步要求生物化學(xué)工程開(kāi)拓新的生物反應(yīng)器以及新的單元操作。所以說(shuō)，生物化學(xué)工程豐富了化學(xué)工程的內(nèi)容。
對(duì)象和內(nèi)容 生物反應(yīng)過(guò)程是利用生物催化劑，即游離或固定化的活細(xì)胞或酶以從事生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。當(dāng)采用活細(xì)胞催化劑(主要是整體的微生物細(xì)胞)時(shí)，稱為發(fā)酵過(guò)程。而利用從細(xì)胞中提取得到的酶為催化劑時(shí)，則稱為酶反應(yīng)過(guò)程。此外，也常把動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)列入生物反應(yīng)過(guò)程。有關(guān)生物反應(yīng)過(guò)程的特點(diǎn)和規(guī)律的研究是生物化學(xué)工程主要內(nèi)容之一。
生物反應(yīng)過(guò)程包括四個(gè)組成部分：
?、僭项A(yù)處理 即底物（酶催化反應(yīng)中的作用物）或培養(yǎng)基(發(fā)酵過(guò)程中的底物及營(yíng)養(yǎng)物，也稱營(yíng)養(yǎng)基質(zhì))的制備過(guò)程，包括原料的物理、化學(xué)加工和滅菌過(guò)程。
②生物催化劑的制備 生物催化劑是指游離或固定化的活細(xì)胞或酶，微生物是最常用的活細(xì)胞催化劑，酶催化劑則是從細(xì)胞中提取出來(lái)的，只在經(jīng)濟(jì)合理時(shí)才被應(yīng)用。不同菌株和不同酶的催化專一性、活力及穩(wěn)定性有很大差異，因此有關(guān)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(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)來(lái)改造或組建新的生物催化劑。固定化酶或固定化細(xì)胞的出現(xiàn)，使生物催化劑能較長(zhǎng)時(shí)期地反復(fù)使用。
③生物反應(yīng)的主體設(shè)備 即生物反應(yīng)器，凡反應(yīng)中采用整體微生物細(xì)胞時(shí)，反應(yīng)器則稱發(fā)酵罐；凡采用酶催化劑時(shí)，則稱為酶反應(yīng)器。另還有適用于動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)的裝置。為了設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器并確定其操作方式和操作條件，在發(fā)酵動(dòng)力學(xué)、酶動(dòng)力學(xué)以及傳遞過(guò)程原理的基礎(chǔ)上形成了生化反應(yīng)工程。
?、苌锘?/font>產(chǎn)品的分離和精制 這一部分常稱下游加工，是生化分離工程的主要內(nèi)容。
學(xué)科特點(diǎn) 生物反應(yīng)過(guò)程與一般化學(xué)反應(yīng)過(guò)程相比，具有以下特點(diǎn)：①由于采用生物催化劑，可在常溫常壓下進(jìn)行反應(yīng)，且可運(yùn)用重組DNA技術(shù)及細(xì)胞融合技術(shù)改造生物催化劑，但生物催化劑易于失活，易受環(huán)境影響和污染，一般采用分批操作；②可采用再生性的生物資源為原料，來(lái)源豐富，價(jià)格較低，過(guò)程中產(chǎn)生的廢料危害性較小，但往往形成原料成分不易控制，對(duì)生產(chǎn)控制和產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)影響；③生產(chǎn)設(shè)備較為簡(jiǎn)單，能量消耗較少，但由于過(guò)高的底物和產(chǎn)物會(huì)給酶帶來(lái)抑制作用和微生物細(xì)胞不能耐受外界溶液過(guò)高的滲透壓，反應(yīng)液的底物和產(chǎn)物濃度不能太高，造成反應(yīng)器體積很大；④酶反應(yīng)的專一性強(qiáng)，轉(zhuǎn)化率高，但成本較高；發(fā)酵過(guò)程應(yīng)用面廣，成本較低，但反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，難以進(jìn)行控制，產(chǎn)物中常含有雜質(zhì)，給提取帶來(lái)困難。
發(fā)展趨勢(shì) 目前生物化學(xué)工程重點(diǎn)研究的內(nèi)容是：①新型生物反應(yīng)器研究開(kāi)發(fā)，特別是針對(duì)重組DNA技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)所獲得的新產(chǎn)品的投產(chǎn)，動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)技術(shù)的興起，高粘度、高密度發(fā)酵液的需要，而研制各種新型生物反應(yīng)器及其有關(guān)的基本原理；②新型分離方法及設(shè)備的開(kāi)發(fā)，目前，一些適用于生物化學(xué)品的分離和精制方法雖較多，但大多只停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，將這些方法用于生產(chǎn)是十分迫切的課題；③各種描述生物反應(yīng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型的建立，將有利于過(guò)程的控制和優(yōu)化以及計(jì)算機(jī)的運(yùn)用；④生產(chǎn)過(guò)程控制手段的改造，重點(diǎn)要解決的是各種能反映反應(yīng)過(guò)程變化特性參數(shù)的傳感器的研制和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的完善。
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