生物反应工程与设备(绪论,第一章)to st

1.生物反应工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化反应工程。

实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。

主要有四个部分组成：①原材料的预处理；②生物催化剂的制备；③生化反应器及其反应条件的选择和监控；④产物的分离纯化。

2.生物反应工程的分类：①酶促反应过程；②细胞反应过程（单一或多种微生物细胞培养，动植物细胞培养等）；③废水的生物处理过程3.生物反应过程各分类的特征：4.一般生物工程示意图：5.生物工程与化学工程的比较：.6.生物反应动力学:生物反应动力学研究相关因素对反应速率的影响及其规律。

具体包括如下内容：①酶促反应动力学特点、均相和多相系统酶促反应动力学酶的失活动力学；②微生物反应过程的质量与物量衡算发酵动力学微生物培养操作技术；③影响动植物细胞培养的因素动植物细胞反应及其反应动力学7.生物反应器：地位：生物技术转化为产业、生产力的关键设备，在生物反应过程中居于中心地位。

使用高效率的生物反应器目的：提高产品的生成率，减少有关辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大的经济效益。

注：由于生物反应的复杂性，加上外界的影响以及相关理论的不完善，目前生物反应器的形式还不能适应生物反应过程多样性的需要8.酶分为六类：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶、连接（或合成酶）催化共性：①降低反应活化能。

②加快反应速率。

③反应的平衡常数不改变，只能加快反应到达平衡的速度。

反应中酶的立体结构和离子价态可能发生变化，但在反应结束时，酶本身一般不消耗，恢复到原来状态生物催化特性：①酶具有很强的专一性：底物专一性、反应专一性、立体专一性②催化效率高③酶易失活，反应条件是常温、常压等温④酶的催化活力与辅酶、辅基及金属子有关；⑤酶活性受到浓度参数、激素的量、反馈抑制等因素的调节和控制9.酶的调节功能：①酶不仅是生物催化剂，而且具有调节功能。

酶活力的控制是代谢调节作用的主要方式。

第一章绪论1、生物反应工程的定义Definition of Bioreaction Engineering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。

以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及优化原理等化学工程方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。

“个别的学问knowledge of individ uation”，解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁而变化。

具体的技术可以用记述的方法来表现。

研究一般化方法的学问，具有超越时代的持续性和普遍性，内容是抽象的。

抽象的方法除表现为数学的使用外，更重要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。

工程本质上是具有价值取向的主体作用于客体、主观思维物化为客观实体的一种目标导向的活动和过程。

生物技术（工程）bioengineering/biotechnology ：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。

——1982年国际经济合作及发展组织高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强大的、活跃的技术群体，叫做高技术。

高技术凝聚着人类早期的发明和近期的创造，代表着当代的科技文明。

我国正在实行的高技术：生物技术、信息技术、新材料技术、新能源技术、海洋技术、空间技术。

生物技术（工程）的研究内容：基因工程；酶工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生化分离工程；生物技术的特点多学科、多技术的结合多学科性:生物催化剂:建立工业生产过程:生物技术最后的目的是建立工业生产过程或进行社会服务，称为生物反应过程（bioprocess）。

生物（生化）反应过程：从应用的观点出发可将生物技术进行如下分类：工业生物技术农业生物技术医药生物技术环境生物技术生物现象Bio-appearance从自然现象说起：最初原始性的种植方式到现代化农业; 由无序到计划性……。

《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。

生物反应工程Bioreaction Engineering课程编号：A0620016学分：2学分学时：32学时先修课程：生物化学、微生物学、化工原理、物理化学适用专业：生物工程专业建议教材：《生化反应工程》（第三版），戚以政主编，化学工业出版社，2007年开课系所：生物与食品工程学院生物工程系一、课程的性质与任务课程性质：本课程为生物工程专业本科生的专业必修课。

课程任务：生化工程是一个知识和技术密集的学科，其基本内容可分为培养基灭菌与空气除菌、酶促反应动力学、微生物反应动力学、生化反应器等方面。

本课程以掌握各部分内容的基本理论为重点。

学生通过本课程的学习后应对生物反应的整个过程有所了解，并能掌握其中的相关原理。

二、课程的基本内容及要求第一章绪论1．课程教学内容（1）通过本课程的学习，使学生了解生化工程的特点、研究内容；（2）掌握生化工程工艺设计的基本原则。

2．课程的重点、难点生物技术设计的基本准则和要求；现代生物技术的特点和体现。

3．课程教学要求（1）掌握生化反应的特点；（2）了解生物工程专业的实际应用；（3）了解整门课程学习的主要内容。

第二章培养基灭菌与空气除菌1．课程教学内容（1）理解常用生化工程反应中灭菌技术的重要性和常用灭菌技术；（2）掌握工业灭菌设备的特点和应用技术特性。

2．课程的重点、难点（1）掌握常用生化工程反应中灭菌技术的原理和应用特点，实验室灭菌技术和工业灭菌技术的差异；（2）掌握灭菌效果的分析与计算。

3．课程教学要求（1）掌握分批灭菌、连续灭菌的特点；（2）理解微生物的热死灭动力学；（3）理解空气过滤设计的原理；（4）掌握典型空气除菌流程。

第三章均相酶促反应动力学1．课程教学内容（1）掌握均相酶促反应动力学特点；（2）了解有各种抑制剂存在的酶促反应动力学特点。

2．课程的重点、难点（1）掌握M-M方程的推导及应用；（2）熟悉有抑制的酶催化反应动力学。

3．课程教学要求（1）掌握典型酶促反应过程的特点及相关公式；（2）掌握影响酶催化反应速率的因素；（3）理解米氏方程动力学参数的求取；（4）理解有各种抑制剂存在情况下的酶反应特征。

生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。

技术产品的生产过程。

生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。

整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。

重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。

反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。

2）反应条件温和。

3）生物催化剂易失活，难以长期使用。

4）生产设备较简单、能耗较低。

5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。

6）反应机理复杂，较难检测与控制。

7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。

该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。

②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。

研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。

第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。