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21世纪高等院校 —生物工程类 生物反应工程 Bioreation Engineering 李敬 第一章 绪论 1.1 生物反应工程的研究目的 1.2 生物反应工程的发展过程 1.3 生物反应工程的主要内容 1.4 生物反应工程的研究方法 1.5 思考题 生物反应工程定义： 以生物反应动力学为基础，研究生物反应器的设计、放大和生物反应过程的优化操作和控制的学科。 2 反应工程的用途、作用 ? 反应动力学 反应模式 速率方程 活化能 ? 反应器的设计与分析 各因素（T, P, c）的变化规律 最佳工况 研究目的： 提供适宜的动力学方程，以描述微生物（酶、动植物等）反应体系，确定这些方程在设计方面的用途，规划实验室的实验，决定动力学方程所需的速率常数。 1.2生物反应工程的发展过程 一、诞生时期（20世纪40年代） 1947年美国的Merch制药厂因在建立抗生素工业中由于解决了高效通气搅拌技术、无菌空气过滤技术、大型反应器灭菌等一系列工程技术问题，使以青霉素为代表的微生物发酵工业进入一个新的发展阶段，而被授予“生化工程专题研究”成果奖，一门反映生物和化学工程交叉的学科——生物化学工程诞生，并取得了快速的发展。 二、发展时期（20世纪50年代以后） 1964年，Aiba等认为放大是生化工程的焦点，与微生物代谢反应紧密相连，1973年，进一步指出，在大规模研究方面，应当进一步开展对微生物反应本质的研究。 1971年，英国的Atkinson首先采用了生物反应工程这一术语，1974年，在他编著的《生物反应器》一书中指出，生物反应工程的目的是描述微生物体系反应动力学的合适表达式，并能够通过实验求出其常数。 1979年，日本山根恒夫《生物反应工程》，生物反应工程是一门以速率为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学。 1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面，一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及不同的反应器对生物化学和物理过程的影响。 三、新时期（20世纪90年代） 基因工程技术与生物反应工程技术不断的融合，人类基因组计划的完成，后基因组计划的进行，给生物反应工程技术带来新的发展机遇。 质粒复制与表达动力学 超临界相态下的生物反应 界面微生物生长模型 双液相生物反应 1.3生物反应工程的主要内容 生物反应动力学 生物反应动力学主要研究生物反应速率和各种因素对反应速率的影响，它是生物反应工程学的理论基础之一，这里所讨论的生物反应动力学包含两个层次的动力学。 （1）本征动力学，又称微观动力学。 （2）宏观动力学，又称反应器动力学。 生物反应过程的分类及其特征 细胞反应动力学 考虑细胞之间有无差别可分为概率论和确定论模型 考虑细胞组成变化可分为结构模型和非结构模型 （1）概率论的结构模型 （2）概率论的非结构模型 （3）确定论的结构模型 （4）确定论的非结构模型 化学计量学 细胞反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂。必须用化学计量学方法来处理，可将反应器中细胞的活动用元素的平衡式来表示。 碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO2+H2O CHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHuOvNw +eH2O+fCO2 C: 1=c+d+fH: m+3b=cx+ud+2eO: n+2a=cy+vd+e+2fN: b=zc+wd 得率系数 研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律，常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价。例如： 细胞得率 Yx/c= 生物反应器的设计、优化与放大 生物反应器是使生物技术转化为产品生产力的关键设备，使用高效率生物反应器的目的是提高产品生