第三章生物反应器设计基础

生物反应及反应器原理第一章序论1。

1 生物反应工程研究的目的1。

2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。

3.1生物反应动力学⏹1。

3.2 生物反应器⏹1。

3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。

1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。

1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。

2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。

1.2.1 酶的稳定性⏹2。

1.2.2 酶的应用特点2.1。

3 酶和细胞的固定化技术⏹2。

1。

3。

1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。

3。

2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。

3 固定化细胞的特性⏹2。

1.3。

4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。

2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。

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。

发酵工程教案(打印)第一章：发酵工程的概述1.1 发酵工程的定义发酵工程的概念发酵工程的组成1.2 发酵工程的应用领域食品工业制药工业生物化工1.3 发酵工程的发展历程传统发酵技术现代发酵工程技术第二章：发酵过程的微生物学基础2.1 发酵微生物的分类与特性细菌真菌放线菌2.2 发酵微生物的培养与筛选培养基的选择与制备微生物的分离与纯化2.3 发酵微生物的代谢调控微生物的生长曲线微生物的代谢途径第三章：发酵设备的类型与选择3.1 发酵设备的类型大型发酵罐生物反应器膜分离设备3.2 发酵设备的选择原则生产规模产品特性经济效益3.3 发酵设备的运行与维护设备的启动与停止设备的清洗与消毒设备的故障处理第四章：发酵过程的控制与管理4.1 发酵过程的控制参数温度pH值溶氧量营养物质4.2 发酵过程的控制技术自动控制系统反馈控制系统计算机控制系统4.3 发酵过程的管理与优化生产计划的制定发酵条件的优化生产过程的质量控制第五章：发酵工程的案例分析5.1 乳酸菌发酵工程案例酸奶的生产泡菜的制作5.2 酵母菌发酵工程案例啤酒的生产葡萄酒的制作5.3 放线菌发酵工程案例抗生素的生产维生素的生产第六章：发酵工程的安全与环保6.1 发酵工程的安全问题微生物的危害生物安全措施发酵罐的安全操作6.2 发酵过程中的污染控制污染的来源污染的检测与控制清洁生产技术6.3 发酵工程的环保问题废水处理废气处理固体废弃物处理第七章：发酵工程的产业化应用7.1 发酵工程在食品工业的应用面包酵母的生产乳酸菌的产业化7.2 发酵工程在制药工业的应用抗生素的产业化维生素的产业化7.3 发酵工程在其他领域的应用生物燃料的生产生物材料的产业化第八章：发酵工程的研发与创新8.1 发酵工程的新技术发展重组DNA技术基因工程技术合成生物学技术8.2 发酵工程的新设备开发高通量筛选设备生物反应器的设计自动化控制系统8.3 发酵工程的产业化挑战与机遇产业化过程中的问题产业化发展的趋势产业化政策的分析第九章：发酵工程的实例分析与评价9.1 发酵工程案例分析某乳酸菌产品的生产某抗生素的生产9.2 发酵工程项目的评价技术与经济评价环境与社会影响评价风险评价9.3 发酵工程的发展前景与建议行业发展趋势技术创新方向政策与支持措施第十章：发酵工程的实验操作10.1 发酵实验的基本操作菌种的制备与保藏发酵液的制备发酵过程的监控10.2 发酵实验的设计与优化实验设计方法发酵条件的优化实验结果的分析10.3 发酵实验的操作技能培养实验操作的安全规范实验设备的操作与维护实验数据的准确记录与处理重点和难点解析重点环节一：发酵微生物的分类与特性重点掌握不同类型发酵微生物的分类、特点及应用领域。

生物反应器设计及控制技术生物反应器是一种用于生物系统培养和生产的设备，通常可以控制反应环境的温度、升降速度、液位、搅拌速度和氧气浓度。

随着生物技术的快速发展，生物反应器成为了生产过程中不可或缺的重要设备。

本文将介绍生物反应器的设计及控制技术，以及其在生产中的应用与发展。

一、生物反应器的设计生物反应器的设计通常需要考虑以下几个方面：1、容积：反应器的容积应该适当，既不能过大又不能过小。

容积过大会增加成本，容积过小则会导致生产率下降。

2、搅拌系统：搅拌系统通常包括驱动装置、搅拌器和控制器等部分。

搅拌速度应该适当，过快会造成气泡太小、液体过度搅拌，导致细胞破碎和死亡；过慢则会导致细胞堆积、生产力下降。

3、气体供应：气体通常用于供氧、溶解氧和刺激生产。

气体供应系统通常包括气源、气体调节阀、气体过滤器和气体分配系统。

4、温度控制：温度是生物反应器中重要的环境参数之一。

温度控制通常包括加热和冷却系统。

反应器内的温度应稳定且可控，以保证生产质量。

5、PH值控制：反应器内的PH值应稳定且可控，过高或过低对生产过程会造成不良的影响。

作为控制系统的一部分，PH值调节系统通常由PH电极、控制器和酸碱液供应系统组成。

6、混合控制：反应器中通常有多个相，需要通过混合控制来达到混合均匀的目的。

混合控制系统通常包括流量计、输送泵、混合槽和搅拌器等部分。

二、生物反应器的控制技术生物反应器的控制技术主要包括闭环控制和开环控制两种方式。

闭环控制利用传感器测量反应器内部环境参数并将其与设定值进行比较，通过控制器的反馈作用来调节设备的输出参数，从而使反应器的环境参数得到稳定控制。

开环控制则是在确定好需要达到的反应条件后，直接调节设备的运行参数以达到目的。

这种方式适用于简单反应器和基础实验研究，一般用于确定物理参数和生化反应过程。

三、生物反应器的应用与发展随着生物技术的快速发展，生物反应器广泛应用于制药、食品、化学和环保等领域。

生产有价值的生物制品，如酶、抗体、生物燃料等，是目前广泛应用反应器的主要领域之一。

判断：15*1'=15' 填空：25空*1'=25' 选择：10*2'=20'计算：2个=15' 简答：4个=25'第一章生物反应器设计基础一、生物反应器的化学计量基础1.生化反应方程式CH m O1+aNH3+bO2 Y b CH p O n N q(生物量)+Y p CH r O s N t（产物）+cH2O+dCO2其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。

平衡式：C:1=Y b+Y p+d N：a=qY b+tY pO：1+2b=nY b+sY p+c+2d H：m+3a=pY b+rY p+2c2、维持定义1/Y XS=1/Y max XS+m s/μ式中: Y XS——生物量对基质的得率；Y max XS——得率最大值；m s——维持系数；μ——比生长速率。

若方程两项乘以μ，得到基质消耗的线性方程：σ=μ/ Y max XS + m s式中：σ——合成单位生物量的基质消耗速率。

当有产物产生时σ=μ/ Y max XS +π/ Y max XS +m s式中：π——单位生物量的产物生成率。

二、生物反应器的生物学基础一）细胞数动力学1．指数生长期μ——比生长速率；X——生长量浓度，以g/L表示；t——生长时间。

对方程求积分：并将t为零时的生物量浓度称为X0，则：ln(X\X0)=μt因此倍增时间(X\X0=2时的时间t)是：t d= ln2/μ2.减速期 Monod 方程： 二 ）产物形成动力学（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：1主要产物是能量代谢的结果（Gaden （分类）Ⅰ型 ）； 例：酵母厌氧生长过程中的酒精合成2主要产物是能量代谢的间接结果（Gaden （分类）Ⅱ型 ）； 例：霉菌好气生长过程中柠檬酸的合成和细胞中PHB 的胞内积累 3产物是二次代谢物（Gaden （分类）Ⅲ型 ） ； 例：霉菌好气发酵中青霉素的生产 4产物是胞内或胞外蛋白。

《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。