生物化学工程与现代生物技术产业化

2019/8/131生物化学工程与现代生物技术产业化陈洪章中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室2019/8/132化学生物一、生物化学工程生物化学工程化学工程生物工程生物化学工程基因工程现代生物技术产业化2019/8/1331、目前能广泛接受的----国际合作及发展组织的定义生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。从这个定义中，可归纳出生物技术三个特点：1）生物技术的多学科性和综合性2）微生物、动植物作为生物催化剂，有别于化学催化剂3）最终目的将生物反应开发成为工业生产的工艺过程，即生物反应过程（Bioprocess）。二、现代生物技术2019/8/1342、现代生物技术的产生（1953）Watson和Crick----发现了DNA双螺旋结构---奠定了现代分子生物学的基础（1973）Boyer和Cohen---发明了DNA目的基因重组技术---DNA重组技术在很大程度上得益于分子生物学、微生物遗传学和核酸酶学等领域的发展反过来DNA重组技术的逐步成熟和发展—---对生命科学的许多领域产生了革命性的影响---成为20世纪以来发展最快的学科之一---而受DNA重组技术的影响最为深刻的是生物技术，---完成了从传统生物技术向现代生物技术的飞跃现代生物技术是随着DNA重组技术的发展而提出来2019/8/1353、对现代生物技术的理解现代生物技术-----是如何利用DNA重组技术-----把它作为有效手段-----并非DNA重组技术就是现代生物技术仅仅有DNA重组技术实现不了生物技术的产业化4、现代生物技术的内涵根据当前生物技术的发展，给现代生物技术下一个定义：以DNA重组为主要手段，利用可再生性资源，依靠清洁、经济的生物反应器加工人类所需产品的可持续发展技术。2019/8/1361、产业化（Industrialization）--技术创新和商业化过程---目标产品质量---市场需求---可商业化程度2、生物技术产业化---当今生物高技术研究成果的必然---生物技术具有显示强大生命力体现---涉及领域极其广泛（太空、海洋）3、生化工程重点研究生物技术产业化过程中瓶颈问题---保证生物加工工艺设备条件，达到产品质量---技术经济观念贯穿于生化工程研究始末，降低成本三、生物技术产业化与生物化学工程2019/8/137四、生物化学工程与生物技术上中下游关系1、生物技术的上、中、下游过程生物反应器---作为生物反应过程的中心即中游加工---反应前与后的工序称为上游加工和下游加工l上游加工----最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂即应用常规选育、基因工程、细胞工程和酶工程手段获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等2019/8/138l下游加工-----从反应液中提取目的产物加工精制成合格产品l中游加工-------生物反应器为中心生物化学工程------包括中下游两部分2019/8/139五、生物化学工程学科----研究生物反应过程中共性工程技术问题----为生物工程服务的化学工程----它即可视为化学工程的一个分支----又可认为是生物工程的一个组成部分----生化工程为生物学和化学工程的纽带2019/8/13101、基本概念科学---探讨是什么？发现自然规律、认识自然技术---解决如何做？工程---根据科学原理和有关技术，组合出高效、合理的一定结构的技术系统六、工程概念理解与生物化学工程2019/8/13112、工程学家的角色科学--粘合剂技术---各种材料工程学家象艺术家一样------如何利用好它们雕塑成一副工艺品工程学家也类似于音乐家一样------把七个音符组合出优美的乐曲工艺品或乐曲---必须具有市场---产生经济价值---要有经济学家的头脑要把科学原理、技术和经济综合考虑----也有哲学家的思维工程学家---组合艺术2019/8/1312总之--工程学家-----即要具有艺术家的眼光-----又要有哲学家的思维-----还要有经济学家的头脑-----同时具有科学家的知识说明工程学家---重要性不容易2019/8/13133、名家的理解著名的科学家叶渚沛对工程科学的是这样理解的“自然科学家主要把兴趣集中在自然现象，而工程科学家则把兴趣集中于解决实际的问题上”。“自然科学和工程学的‘结亲’产生应用科学乃是逻辑的发展，但工程学家却常常受到双重的埋怨，自然科学家认为这是有降低科学水平的趋势，而职业应用工程师则认为是对一些在长期实践中积累的经验和价值有不信任的趋势。但是，工程学家用新的方式把这些学科结合起来，就能产生足以构成新发明或新发现，这些发现或发明又带动它本身的发展，而且对科学有很大贡献。”2019/8/13144、科学与工程发展历程科学最早由哲学家提出---进行研究---得出规律---成为科学。目前国外科学方面博士仍称为“哲学博士”而工程学是慢慢的发展而来的----获得工学博士比获哲学博士更难（过程所3-5年获工学博士）5、自然科学家与工程科学家的比较科学家按学科分类，根据结果分析、严格理论推导---分解的观点工程师面对实际问题的综合性的、多学科---靠工程技术经验，半理论、半经验性的---系统性、整体性的观点2019/8/1315生命现象的本质？生命活动的规律？19世纪：细胞是生命的基本单位•细胞学说：细胞是动植物结构和功能的基本单位，一切生命现象都是以细胞为基础表达的七、生命本质理解与生物化学工程2019/8/1316遗传密码蛋白质三维结构基因转录线性多肽链（无功能活性）翻译生命活动的分子基础以核酸和蛋白质为中心的生物大分子是生命现象的共同物质基础，细胞和有机体所有生命活动都是以这些生物大分子及其复合物的结构、运动和相互作用来实现的。结构与功能分子生物学：20世纪生物学的主流2019/8/1317生命是什么？无序与有序问题在自然科学中，生命科学----非生命科学-----一直存在一条鸿沟非生命过程-------按照克劳修斯热力学第二定律---认为自然界中一切自发过程都是熵增大的过程，----而熵的增大意味着混乱度的升高。生命过程----整个自然界永远只能从有序走向无序，---这就完全排除了从无序走向有序的可能性。---存在着从无序向有序、从低级向高级发展的过程---是一个熵减少的过程这就激励许多理论物理学家研究生命现象2019/8/1318•如40年代理论物理学家薛定鄂-----《生命是什么》--就指出生命过程是熵减少，是负熵。•68年比利时普里高津--从非平衡热力学理论出发--提出耗散结构理论--严格证明了远离热力学平衡的开放系统中--过程的复杂性特征可自然产生稳定的自组织行为--从无序演化出时空上的有序结构•负熵概念和耗散结构理论--让人们加深对生命科学有序性的理解2019/8/1319时间可逆与不可逆问题---非线性问题牛顿力学的“决定论”和严格的“因果关系”-----影响到自然科学的全部思维方式-----解决了自然科学许多重大课题-----又发展了量子论和相对论--引向微观世界和整个宇宙。而牛顿力学、量子论和相对论的时间却是可逆的在生命科学中-----时间不可逆-----一切生物从出生到死亡是不可逆的-----也就是说时间是不可逆的，是单方向的为什么？-----主要是由于生命科学极其复杂的----非线性过程-----非线性是生命科学中带有根本性的、普遍性的问题，是生物系统所固有的动态属性非线性--已经成为当今自然科学基础理论研究的重大课题2019/8/1320生命的本质问题因此，生命科学的基本特征-----是生命过程的有序性和非线性-----是整个生物界之所以能在这错综纷繁的世界中不断生衍繁殖、不断进化发展的根本因素-----也是冲击其他自然科学和社会科学不断更新发展的动力。生物学是一门最广、最古老，但也是年轻的学科，----古老---仍是生与死的问题----年轻---是典型的非线性问题2019/8/1321生命本质—活体工程----装置细胞切向剪切力切向剪切力生物学----工程学2019/8/1322谢谢！