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生物反应工程原理一、引言生物反应工程是以生物学和化学工程学为基础，运用工程原理和技术手段，研究利用生物体（包括细胞、酶、微生物等）进行化学反应和转化的工程学科。
它在生物技术、制药工程、环境工程等领域有着广泛的应用。
本文将从反应选择、生物反应器设计和反应控制三个方面介绍生物反应工程的原理。
二、反应选择在生物反应工程中，反应物的选择是至关重要的。
一方面，反应物的性质需要与生物体相适应，以保证反应的高效进行。
另一方面，反应物的选择也要考虑到反应的经济性和可持续性。
例如，选择可再生的原料可以降低生产成本，选择可降解的废物可以减少环境污染。
三、生物反应器设计生物反应器是生物反应工程中的核心设备，其设计目标是实现高效的反应转化和产物收集。
在生物反应器设计中，需要考虑以下几个关键因素：1. 温度控制：合适的温度可以提高反应速率和产物选择性。
通过控制反应器的加热和冷却系统，可以实现温度的精确控制。
2. 氧气供应：氧气是生物反应的重要底物，对于需氧反应来说，氧气供应的充足性对反应效果至关重要。
通过搅拌和气体通气系统的设计，可以保证氧气的有效传递和溶解。
3. pH控制：pH值对于许多生物反应有着重要影响。
通过添加酸碱或使用缓冲溶液，可以调节反应体系的pH值，以满足生物体的生长和反应要求。
4. 搅拌和传质：搅拌可以提高反应物和生物体之间的接触效率，促进反应的进行。
传质过程对于反应物的扩散和生物体的营养供应也至关重要。
因此，在生物反应器设计中，需要考虑搅拌方式和传质特性。
四、反应控制反应控制是生物反应工程中的关键环节，它涉及到反应速率的调节、产物选择性的控制以及废物处理等问题。
常用的反应控制策略包括：1. 反应物浓度控制：通过控制反应物的供给速率，可以实现反应速率的调节。
例如，在微生物发酵过程中，可以通过控制底物浓度来调节产物的生成速率。
2. 温度控制：温度的调节可以影响酶的活性和微生物的生长速率，从而控制反应速率和产物选择性。
一、实验目的1. 理解生物反应工程的基本原理和实验操作。
2. 掌握生物反应器的设计和操作方法。
3. 学习生物反应过程中关键参数的测定和分析。
4. 熟悉生物反应产物的提取和纯化技术。
二、实验原理生物反应工程是研究生物体在生物反应器中的生长、代谢和产物的形成过程，以及如何通过优化反应器的设计和操作来提高生物反应效率的学科。
本实验通过模拟生物反应过程，探究不同因素对生物反应的影响，并学习相关实验操作。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 转基因大肠杆菌菌株- 培养基（LB培养基）- 葡萄糖- 酵母提取物- 蛋白胨- 氨基酸- 矿物质- pH缓冲液- 空气压缩机- 生物反应器- pH计- 恒温水浴- 离心机- 超滤装置2. 实验仪器：- 生物反应器- pH计- 恒温水浴- 离心机- 超滤装置- 移液器- 电子天平- 烧杯- 烧瓶- 试管- 玻璃棒四、实验步骤1. 生物反应器准备：- 将生物反应器清洗干净，并用70%乙醇消毒。
- 在生物反应器中加入适量的培养基，并用pH缓冲液调节pH值至适宜范围。
- 将空气压缩机连接到生物反应器，确保供氧充足。
2. 菌株接种：- 从冷冻菌株中取出适量菌种，接种到LB培养基中，37℃培养过夜。
- 将过夜培养的菌液用无菌水稀释至适宜浓度，作为接种液。
3. 生物反应：- 将稀释后的菌液加入生物反应器中，设定合适的转速、温度和pH值，开始生物反应。
- 在反应过程中，定期取样，测定pH值、溶解氧、生物量等参数。
4. 产物提取和纯化：- 当生物反应达到预定时间后，停止反应，收集发酵液。
- 使用离心机分离发酵液中的菌体和上清液。
- 对上清液进行超滤，提取目标产物。
5. 数据分析：- 对实验数据进行统计分析，绘制图表，探究不同因素对生物反应的影响。
五、实验结果与分析1. 不同pH值对生物反应的影响：- 通过实验发现，pH值对生物反应的产率有显著影响。
当pH值为7.0时，生物反应产率最高。
生物反应工程教学设计引言生物反应工程是生物工程中的一个重要分支，其研究的核心是生物反应器。
生物反应器在现代工业制药、食品加工、环境保护等领域有广泛应用。
因此，生物反应工程的教学对于生物工程、化工等相关领域的学生具有重要意义。
本文通过对生物反应工程教学的分析和总结，设计了一套完整的教学方案。
教学目标通过生物反应工程的教学，学生能够了解生物反应器的基本原理、设计、运行及监测等方面的基础知识，掌握生物反应工程的相关理论和实践技能，培养学生的创新能力和实践操作能力，为学生今后的工作和研究提供基础知识和技能支持。
教学内容第一章生物反应器的基本原理•生物反应器的定义•生物反应器的分类•生物反应器的组成和结构•生物反应器的工作原理第二章生物反应器的设计与运行•生物反应器的设计原则和方法•生物反应器的运行控制•生物反应器的传热传质•生物反应器的档案管理和文献检索第三章生物反应器的监测与检验•生物反应器的参数监测与检验•生物反应器的卫生、安全和环保管理第四章生物反应工程实验•生物反应器的构造与组装实验•生物反应器的基本参数测定实验•生物反应器的操作实验第五章生物反应器的实践•生物反应器的基础实践课程•生物反应器的综合实践课程•生物反应器的设计实践课程教学方法理论教学通过教师课堂讲授、案例分析、课堂讨论等方式，帮助学生理解生物反应器基本原理、设计原则和实践操作，提高学生对相关理论知识的掌握。
实验教学通过生物反应器构造及组装实验、基本参数测定实验、操作实验等方式，使学生掌握生物反应器的操作方法、实验技能和相关实验仪器的使用，培养其实践操作能力和独立思考能力。
实践教学通过多门课程的课外实践活动，如生物反应器的基础实践课程、综合实践课程、设计实践课程等，加强学生的创新实践能力，提高其对生物反应工程实践问题的解决能力。
教学评估通过课堂测试、实验报告、课程设计等方式，对学生进行教学成果评估。
评估主要包括理论知识掌握情况、实验操作能力、实践课程成果及综合表现等方面。
生物反应工程课程设计方案一、课程概述生物反应工程是一门结合生物学、化学工程、生物化学等学科知识的交叉学科，旨在利用微生物、酶等生物体进行生物转化、生物合成、生物降解等反应过程，从而实现生物制药、生物能源、环境保护等方面的应用。
本课程旨在通过理论学习和实验操作，使学生掌握生物反应原理、工程设计方法、微生物培养、酶反应等基本技能，为学生以后的学术研究和工程实践打下坚实的基础。
二、教学目标1. 了解生物反应工程的基本概念和发展历史，掌握生物反应的分类和特点；2. 掌握微生物培养的基本原理和操作技能，了解酶反应的基本原理和应用；3. 理解生物转化、生物合成、生物降解等生物反应的工程原理和设计方法；4. 掌握生物反应过程的监测和分析方法，了解生物反应工程在环境保护、生物制药和生物能源等领域的应用。
三、教学内容1. 生物反应工程概论1.1 生物反应工程的基本概念和发展历史1.2 生物反应的分类和特点1.3 生物反应工程的应用领域和发展前景2. 微生物培养技术2.1 微生物的培养条件和培养基选择2.2 微生物的生长动力学和代谢调控2.3 微生物培养过程的监测和控制3. 酶反应工程3.1 酶的生产和纯化技术3.2 酶催化反应的动力学和热力学3.3 酶反应过程的工程设计4. 生物反应工程的应用4.1 生物转化反应的工程设计4.2 生物合成反应的工程设计4.3 生物降解反应的工程设计四、教学方法1. 理论教学：通过课堂讲授、案例分析等形式，讲解生物反应工程的基本概念、原理和设计方法；2. 实践操作：通过实验操作，让学生掌握微生物培养、酶反应等基本技能，并了解生物反应过程的监测和分析方法；3. 课程设计：组织学生参与生物反应工程的课程设计和实验项目，培养学生的工程设计能力和创新意识。
五、教学考核1. 平时成绩：包括课堂参与、作业完成情况等；2. 实验报告：对实验操作和结果进行总结和分析；3. 课程设计：参与生物反应工程的课程设计和实验项目，撰写课程设计报告；4. 期末考试：对学生的理论知识进行考核。
生物反应工程试题答案解析一、选择题1. 生物反应器中，通常用于好氧微生物培养的是哪种气体？A. 氧气B. 氮气C. 二氧化碳D. 氩气答案：A解析：在生物反应器中，好氧微生物需要氧气来进行呼吸作用，因此通常使用的气体是氧气。
氮气、二氧化碳和氩气在好氧微生物培养中不是必需的。
2. 下列哪种微生物代谢方式属于厌氧代谢？A. 硝化作用B. 反硝化作用C. 光合作用D. 有氧呼吸答案：B解析：反硝化作用是一种厌氧代谢过程，其中微生物将硝酸盐还原为氮气。
硝化作用是好氧微生物将氨转化为硝酸盐的过程。
光合作用是植物、藻类和某些细菌利用光能将二氧化碳转化为有机物的过程。
有氧呼吸是大多数生物在氧气存在的条件下进行的能量获取过程。
3. 在生物反应工程中，哪个参数是影响细胞生长和产物形成的关键因素？A. 温度B. pH值C. 氧气供应D. 所有以上选项答案：D解析：在生物反应工程中，温度、pH值和氧气供应都是影响细胞生长和产物形成的关键因素。
适宜的温度可以保证酶的活性和细胞的代谢活动，pH值影响酶的活性和微生物的生长环境，氧气供应对于好氧微生物的生长至关重要。
4. 以下哪种培养基成分不适合用于培养大肠杆菌？A. 蛋白胨B. 酵母提取物C. 氯化钠D. 葡萄糖答案：C解析：氯化钠通常用于培养基中以调节渗透压，但高浓度的氯化钠对大肠杆菌等许多微生物是有毒的，因此不适合用于培养大肠杆菌。
蛋白胨、酵母提取物和葡萄糖是常用的营养物质，可以提供碳源和氮源，促进大肠杆菌的生长。
二、填空题1. 在生物反应器的设计中，通常需要考虑的三个主要因素是________、________和________。
答案：温度、pH值、氧气供应解析：生物反应器的设计需要考虑多种因素，其中温度、pH值和氧气供应是影响微生物生长和产物形成的三个主要因素。
2. 微生物代谢可以分为________和________两种类型。
答案：好氧代谢、厌氧代谢解析：微生物代谢根据氧气的需求可以分为好氧代谢和厌氧代谢两种类型。
第一章生物工程导论1.生化反应工程的概念以生物反应动力学为基础，利用化学工程方法研究生物反应过程的一门学科。
2.生化反应工程研究对象研究生物反应动力学反应器设计3.生化反应特点优点：反应条件温和设备简单同一设备进行多种反应通过改良菌种提高产量缺点：产物浓度低，提取难度大废水中的COD和BOD较高前期准备工作量大菌种易变异，容易染杂菌4.生化反应动力学本征动力学：又称微观动力学，生化反应所固有的速率没有物料传递等工程因素影响。
反应器动力力学：宏观动力学，在反应器内所观察到的反应速率是总速率考虑。
5.生化工程研究中的数学模型结构模型：由过程机理出发推导得出半结构模型：了解一定机理结合实验数据经验模型：对实验数据的一种关联第二章生物反应工程的生物学与工程基础1.因次：导出单位，也称量纲。
2.红制及基本单位密度比容气体密度压力第三章微生物反应计量学教材p53-641.反应计量学：对反应物组成及转化程度的数量化研究2.得率系数与维持因数：得率系数：细胞生成量与基质消耗量的比值维持因数：单位质量细胞进行维持代谢时所消耗的基质。
3.细胞组成表达式及元素衡算方程细胞组成表达式CH1-8O0.5N0.2元素衡算方程CHmOn+aO2+bNH3=CCH2O3Nr+d H2O +e CO24.得率系数与计量系数关系当细胞反应是细胞外产物的简单反应时，得率系数与计量系数关系如下：5．呼吸商：二氧化碳产生速率与氧气消耗速率之比6.实例计算第四章均相酶反应动力学（教材P8-10,26-38）1．酶活力表达方法及催化特性催化特性：酶具有很强的专一性较高的催化效率反应条件温和易失活，温热，氧化失活2.了解反应速率方程的几种形式零级反应：反应速率与底物浓度零次方成正比一级反应：反应速率与底物浓度一次方成正比二级反应：反应速率与浓度二次方成正比连锁酶促反应：3.米式方程快速平衡和拟稳态三点假设4.米式方程推导5.M-M方程与B-M方程比较6.酶反应一级动力学表达式及计算7.动力学常数Km与Vm的求取8.影响酶反应速率的因素：底物浓度酶浓度产物浓度PH值温度激活剂抑制剂9.竞争性、非竞争性、和反竞争性抑制的概念及动力学表达式竞争性：抑制剂为底物类似物，酶结合位点结合阻碍底物一般可逆非竞争性：抑制剂与酶活性位点以外结合，不影响底物的结合，最终可形成三联复合物反竞争性：抑制剂不与游离酶结合，但与复合物ES结合形成三联复合物10.酶失活动力学模型及测定方法第五章固定化酶与固定化细胞（教材P15-17,39-46）1.固定化酶、细胞制备方法与特点固定化细胞：物理化学手段将细胞限制哎一定空间保持活性并连续使用2.固定化酶与游离酶区别3.评价固定化酶生物催化剂指标固定化酶活力偶联率及相对活力4.固定化酶促反应动力学本征速率及本征动力学代表酶的真实特性；固定化酶催化反应速率受扩散和传质影响；所测速率是宏观有效反应速率和游离酶不同。
名词解释1，返混：。
广义地说，泛指不同时间进入系统的物料之间的混合，包括物料逆流动方向的流动；狭义地说，返混专指物料逆流动方向的流动和混合。
2，双膜理论（two-film theory），是一经典的传质机理理论，作为界面传质动力学的理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。
3，构象改变：是指固定化过程中酶和载体的相互作用引起酶的活性中心或调节中心的构象发生了变化，导致酶与底物的结合活力下降的一种效应。
4，分配效应：是由于固定化载体与底物或效应物之间的疏水性，亲水性及静电作用所引起微环境和宏观环境之间物质的不等分配，改变了酶反应系统的组成平衡，从而影响酶反应速率的一种效应。
5，酶的固定化技术：就是将水溶性酶分子通过一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体如离子交换树脂等材料结合，制成固相酶。
6，固定化酶：水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水的但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。
8，停留时间（residence time）又称寄宿时间，是指在稳定态时，某个元素或某种物质从进入某地球化学库到离开该库所度过的平均时间。
9，恒化器; 一种微生物连续培养器。
它以恒定的速度流出培养液，使容器中的微生物生长繁殖始终低于最快生长速度。
这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。
而恒浊器反映的是细胞浊度（浓度）的恒定。
10 恒浊器：一种连续培养微生物的装置。
可以根据培养液中的微生物的浓度，通过光电系统观控制培养液的流速，从而使微生物高密度的以恒定的速度生长。
11，生物反应工程：一个由生物反应动力学与化学反应工程结合的交叉分支学科。
着重解决不同性质的生物反应在不同型式的生物反应器中以不同的操作方式操作时的优化条件。
12，连续灭菌：连续灭菌也叫连消，就是将将配制好的并经预热（60～75℃）的培养基用泵连续输入由直接蒸汽加热的加热塔，使其在短时间内达到灭菌温度（126～132℃）。
然后进入维持罐（或维持管），使在灭菌温度下维持5～7分钟后再进入冷却管，使其冷却至接种温度并直接进入已事先灭菌（空罐灭菌）过的发酵罐内。
《生物反应工程》课程笔记第一章绪论1.1 定义、形成与展望生物反应工程，简称BRE（Bioreaction Engineering），是一门应用化学工程原理和方法，研究生物反应过程和生物系统的科学。
它涉及到生物学、化学、物理学、数学等多个学科，是一门典型的多学科交叉领域。
生物反应工程的研究对象包括微生物、细胞、酶等生物催化剂，以及它们在生物反应器中的行为和相互作用。
生物反应工程的形成和发展与生物技术的快速崛起密切相关。
生物技术是指利用生物系统和生物体进行物质的生产、加工和转化的技术。
随着生物技术的不断发展，生物反应工程逐渐成为生物技术领域的一个重要分支，为生物制品的生产提供了重要的理论支持和实践指导。
展望未来，生物反应工程将继续在生物技术领域发挥重要作用。
随着科学技术的进步和生物产业的发展，生物反应工程将不断完善和发展，为人类的生产和生活带来更多的便利和福祉。
特别是随着合成生物学、系统生物学等新兴学科的发展，生物反应工程将面临新的机遇和挑战，有望在生物制造、生物医药、生物能源等领域取得更大的突破。
1.2 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容包括以下几个方面：（1）生物反应动力学：研究生物反应过程中反应速率、反应机理和反应物质量的变化规律。
包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、细胞反应动力学等。
（2）生物反应器设计：根据生物反应的特性和要求，设计合适的生物反应器，使其能够高效、稳定地进行生物反应。
包括反应器类型的选择、反应器尺寸的确定、反应器内部构件的设计等。
（3）生物反应器操作：研究生物反应器中生物反应的运行规律，优化操作条件，提高生物反应的效果。
包括分批式操作、流加式操作、连续式操作等。
（4）生物反应器优化：通过对生物反应器的设计和操作进行优化，提高生物反应的产率和质量。
包括过程优化、参数优化、控制策略优化等。
（5）生物反应器控制：研究生物反应过程中的控制策略和方法，实现对生物反应过程的稳定控制。
1生物反应工程：生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。
是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。
2生物反应过程：是指将实验室的成果经放大而成为可供工业化生产的工艺过程，包括实现工业化生产过程的高效率运转，或者说提高生产过程效率。
4生物反应器：是指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备或者场所。
5生物反应过程的缩小：根据生产实际，在实验室中使用小型反应器来模拟生产过程，以进行深入研究。
6转化率：某反应物的转化浓度与该反应物起始比值的百分比7收率：指按反应物进行量计算，生成目的产物的百分数。
用质量百分数或者体积百分数表示8系统生物学：用生物遗传物理的方法，对生物学进行扰动，从而通过生物系统产生的影响进而研究，进而所得的数据进行挖掘和综合构建描述系统结构及相应于上述各种扰动的数学模型。
9流加操作：是指先将一定量基质加入反应器内，在适宜的条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入到反应器中，以控制限制性基质浓度保持一定，当反应结束时取出反应物料的操作方式。
10指数流加操作：通过采用随时间呈指数变化的方式流加基质，维持微生物细胞对数生长的操作方式。
11非结构模型：在确定论模型的基础上，不考虑细胞内部结构的不同，即认为细胞为单一组分，在这种理想状态下建立起来的动力学模型。
12外扩散效率因子ηout：是指有外扩散影响是的实际反应速率和无外扩散的固定化酶外表面处的反应速率之比。
13Da 准数：最大反应速率和最大传质速率之比。
14分批发酵：是指将新鲜的培养基一次性加入发酵罐中，在适宜的条件下接种后开始培养，培养结束后，将全部发酵液取出的培养方法。
15连续培养发酵连续式操作(continuous operation)：是指以一定的速率不断向发酵罐中供给新鲜的培养基，同时等量地排出发酵液，维持发酵罐中液量一定的培养方法.16稀释率：培养液流入速度和反应器内培养液的体积之比，他表示连续反应器中物料的更新快慢程度17得率系数;是对碳元素等物质生成细胞或是其他产物的潜力进行定量评价的重要参数18细胞得率：消耗1克基质生成细胞的克数成为细胞得率或是生长得率。
