生物反应工程原理(课堂PPT)
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《生物反应工程》课件
9. 结语
生物反应工程对于推动生物技术的发展和提升人类生活质量具有重要意义。通过不断学习和实践，我们可以不 断突破与改进。
6.效、更可持续的反应过程，并在结果分析和评估中加以 验证。
7. 生物反应器的应用
生物反应工程在各个领域都有广泛的应用。我们将探讨生物转化与合成以及 生物降解与治理的应用案例。
8. 生物反应工程的发展
了解生物反应工程的现状、趋势以及未来发展方向，对于我们在这个领域中 保持创新思维和持续学习至关重要。
3. 生物反应器设计
生物反应器是进行生物反应的关键设备。了解反应器的基本组成和设计参数 对于优化反应过程至关重要。
4. 生物反应器操作
对于生物反应器的操作和参数调节有着重要的影响。我们将讨论不同的操作模式和调节方法。
5. 生物反应器的监控
通过监控生物反应器的指标和测量参数，我们可以及时了解反应器状态并做 出必要的调整。
生物反应工程
通过创新的生物反应工程技术，我们可以利用生物体内的反应机制来解决各 种实际问题，为人类提供更好的生活。
1. 介绍
生物反应工程涉及使用生物体和生物体内的反应机制来开发和改善产品和过 程的工程学科。本章将介绍生物反应工程的概念和生物反应器的分类。
2. 生物反应动力学
生物反应动力学研究生物反应的速度和机理。我们将探索反应动力学方程和确定动力学参数的方法。
生物反应工程课件
广义的酸碱催化；共价催化；邻近及定向效应；扭曲变形和构象变化效 应；多元催化与协同效应。
酶是生物为提高其生化反应效率而产生的生物催化 剂。国际生物化学协会（IUB）根据催化反应的类 型，可将酶分为六大类：即氧、转、水、裂、异、 合。
补充讲解
化学反应分类： 基元反应——由反应物一步生成产物的反应，没有可由宏
+ CS
Cp)
1.2简单的酶催化反应动力学
例
1.2简单的酶催化反应动力学
1.2.3 参数的求取
rmax 和Km是M-M方程中两个重要的动力学 参数，必须在动力学实验的基础上，经过 适宜的数据处理，才能求取。
1.2简单的酶催化反应动力学
双倒数法(Linewear Burk): 对米氏方程两侧取倒数，得 线1r = 斜rm1ax率+ rKm为max C1SrKmam,x以，1r截~ 距C1S 为作图rm1ax，,得根一据直直线线，斜直率 和截距可计算出Km和rmax。
1.2简单的酶催化反应动力学
积分作图法：
rs = rmaxCS
积分
Km + CS
通过动力学实验，测出Cs～t系列数据，代 入式子，通过线性作图求得动力学参数
1.2简单的酶催化反应动力学
例题
1-1 某酶催化反应，分别在两个不同的初始酶浓度 （CE01=0.015g/L,CE02=0.00875g/L)下进行，得到不 同初始底物浓度时代反应初始速率数据，见列表。试 用H-W作图法求Km，rmax，k+2
观实验方法探测到的中间产物 复合反应——由两个以上的基元反应组合而成的反应。组 合的方式或先后次序成为反应机理
反应速率方程（动力学方程） 在其它因素固定不变的条件下，定量描述各种物质的浓
酶是生物为提高其生化反应效率而产生的生物催化 剂。国际生物化学协会（IUB）根据催化反应的类 型，可将酶分为六大类：即氧、转、水、裂、异、 合。
补充讲解
化学反应分类： 基元反应——由反应物一步生成产物的反应，没有可由宏
+ CS
Cp)
1.2简单的酶催化反应动力学
例
1.2简单的酶催化反应动力学
1.2.3 参数的求取
rmax 和Km是M-M方程中两个重要的动力学 参数，必须在动力学实验的基础上，经过 适宜的数据处理，才能求取。
1.2简单的酶催化反应动力学
双倒数法(Linewear Burk): 对米氏方程两侧取倒数，得 线1r = 斜rm1ax率+ rKm为max C1SrKmam,x以，1r截~ 距C1S 为作图rm1ax，,得根一据直直线线，斜直率 和截距可计算出Km和rmax。
1.2简单的酶催化反应动力学
积分作图法：
rs = rmaxCS
积分
Km + CS
通过动力学实验，测出Cs～t系列数据，代 入式子，通过线性作图求得动力学参数
1.2简单的酶催化反应动力学
例题
1-1 某酶催化反应，分别在两个不同的初始酶浓度 （CE01=0.015g/L,CE02=0.00875g/L)下进行，得到不 同初始底物浓度时代反应初始速率数据，见列表。试 用H-W作图法求Km，rmax，k+2
观实验方法探测到的中间产物 复合反应——由两个以上的基元反应组合而成的反应。组 合的方式或先后次序成为反应机理
反应速率方程（动力学方程） 在其它因素固定不变的条件下，定量描述各种物质的浓
生物反应工程原理ppt课件
+ 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；
11
多学科、多技术的结合 生物作用剂（生物催化剂）的参与 目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这 一过程称为生物反应过程（ bioprocess)
+ 一、生物反应工程的定义与特点 + 二、生物反应工程学科的形成与发展 + 三、生物反应工程研究的目的 + 四、生物反应工程研究的内容与方法 + 五、举例 + 六、本课程参考书目及相关要求
2
一、生物反应工程的定义与特点 The Definition and Characteristics of Bioreaction Engineering
6
步骤：（1）合成：构建重组菌株以提高细胞特性;（2）分析：对重组 菌株进行分析，特别是对照出发菌株的属性进行分析;（3）设计：设 计代谢工程方案（Nielsen 2001）。
7
Technology
+ “个别的学问 knowledge of individuation”， 解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁 而变化。
22
23
+ 1857年巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由活 酵母引起的。1859年，首次证明乙醇发酵机理。
24
+ 第一次～第二次世界大战：深层培养技术、 无菌空气制备技术的建立——生物化学工程 诞生。
+ 1971年，英国学者巴特金逊（Batkinson） 首次提出生化反应工程这一术语。
弗莱明(1881～1995) 英国细菌学家
+ 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；
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多学科、多技术的结合 生物作用剂（生物催化剂）的参与 目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这 一过程称为生物反应过程（ bioprocess)
+ 一、生物反应工程的定义与特点 + 二、生物反应工程学科的形成与发展 + 三、生物反应工程研究的目的 + 四、生物反应工程研究的内容与方法 + 五、举例 + 六、本课程参考书目及相关要求
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一、生物反应工程的定义与特点 The Definition and Characteristics of Bioreaction Engineering
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步骤：（1）合成：构建重组菌株以提高细胞特性;（2）分析：对重组 菌株进行分析，特别是对照出发菌株的属性进行分析;（3）设计：设 计代谢工程方案（Nielsen 2001）。
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Technology
+ “个别的学问 knowledge of individuation”， 解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁 而变化。
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+ 1857年巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由活 酵母引起的。1859年，首次证明乙醇发酵机理。
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+ 第一次～第二次世界大战：深层培养技术、 无菌空气制备技术的建立——生物化学工程 诞生。
+ 1971年，英国学者巴特金逊（Batkinson） 首次提出生化反应工程这一术语。
弗莱明(1881～1995) 英国细菌学家
生物反应器ppt课件
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技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
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发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
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（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
生物反应工程原理课件第四章
4.3.1 无反馈控制的流加操作
采用这种操作方式时，基质的流加按预先设 置好的条件进行。因此，表达系统的数学模型是 否正确成为反应成败的关键。最简单的微生物的 生长速率为
d (VX ) VX dt
作为流加基质的平衡式，有
d (VS ) 1 d (VX ) FSin m VX dt YX S dt
反复分批式操作是指分批操作完成 后，不全部取出反应物料，剩余部分重 新加入一定量的基质，再按照分批式操 作方式，反复进行。其培养过程中基质 体积变化曲线如图4-1c所示 。 反复半分批式操作是指流加操作完成 后，不全部取出反应物料，剩余部分重 新加入一定量的基质，再按照流加操作 方式进行，反复进行。其培养过程中基 质体积变化曲线如图4-1d所示。
恒化器法是指在连续培养过程中，基质 流加速度恒定，以调节微生物细胞的生长速 率与恒定流量相适应的方法。
恒浊器法是指预先规定细胞浓度，通过 基质流量控制，以适应细胞的既定浓度的方 法。营养物恒定法是指通过流加一定成分， 使培养基中的营养成分恒定的方法。实际应 用中多采用恒化器法 。
对于所供给基质的浓度，菌体浓度近似一定，即 dX/dt=0时。由上式，可认为μ≈F/V（=D,即稀释 率）。
一、定流量流加操作
定流量流加操作是指基质的流加速度保持一定 的流加操作。此时。时间时，，由菌体的恒算式
XV Y X S ( FSin t V0 S 0 ) X 0V0
可知，时间t时的菌体浓度为
分批式培养中微生物的生长曲线
4.2.2 状态方程式
分批式培养过程的状态方程式（环境过 程的状态方程式）可表示为： 基质：dS/dt=-yX 菌体：dX/dt=μX 产物：dP/dt=πX Po2 in Po2 out F 氧： OUR Qo2 X V Pall Po2 in Pco 2 in Pall Po2 out Pco 2 out
生物反应器原理 ppt课件
式定义为
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
PPT课件
24
CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
PPT课件
33
结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
PPT课件
34
微生物反应过程的得率系数
得率系数是对碳源等物质生成细胞或其它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
37
YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
PPT课件
作业 ：
PPT课件
39
PPT课件
40
微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
PPT课件
48
(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
PPT课件
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CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
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CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
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结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
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微生物反应过程的得率系数
得率系数是对碳源等物质生成细胞或其它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
37
YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
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作业 ：
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微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
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(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
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生物反应工程-PPT课件
1.3生物反应工程
1.3.1 定义：研究生物反应动力学，反应器的 结构、设计、放大以及反应器优化的一个重要 学科。 实质：生物反应过程中带有共性的工程技术问 题的学科。
如何从生物现象中抽象出共性的内容
从宏观看 以获得生物量为目的： 生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境因 素、操作条件等） 以获得目的产物为目的：
生物反应工程与相关学科的关系
1.4生物反应工程的研究方法
数学模型法——用数学语言表达生物法反应过 程中各个变量之间的关系。 不能替代实验研究。 方法——机理模型或结构模型既过程机理出发推 倒的。 --------可外推使用半经验模型\ 经验模型 经验法
参考资料
国外 1975年日本学者合叶修一等《生物化学工程---反应动力学》 1979年日本学者山根恒夫《生物反应工程》 1985年德国学者许盖特（Schugerl）《生物反应工程》 1993年日本学者川濑义矩《生物反应工程基础》 1994（02）年丹麦学者Nielsen 等《生物反应工程原理》 国内 《生物反应工程原理》（ 1990 和 2019 天津科技大学贾士儒） 《生物工艺学》（1992华东理工大学俞俊棠等） 《生化工程》（1993江南大学伦世仪） 《生化反应动力学与反应器》（2019北京化工大学戚以政等） 《生物反应工程》（2019戚以政等） 《生物反应工程》 2019浙江大学岑沛林等） 《生物反应工程》（2019清华大学邢新会译）
A.
生物反应动力学
动力学——研究工业生产中生物反应速率问题；影响 生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结 果。 本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力系学）
生物反应工程课件
二、微波干燥原理及设备
微波一般是指波长在1mm～1m范围(频率为300～300000MHz) ห้องสมุดไป่ตู้电磁波。也称做超高频。
微波的传统应用是将微波作为一种传递信息的媒介，应用 于雷达、通讯、测量等方面。
近年来，除了传统的微波应用继续发展外，微波作为一种 能技术也迅速发展，将微波能广泛用于对物体进行加热和 干燥。
第三节 绝热干燥设备
一、气流干燥原理及设备
基本原理：固体湿物料在高温快速流动的热空气作用 下，均匀分散成悬浮状态，从而增大了物料与热空气 的接触面积，强化了热交换作用，使得物料仅在几秒 钟内（1-5秒）达到干燥要求。
应用： 生物工业中味精、柠檬酸、四环类抗生素等 的干燥。
目前使用的气流干燥器形式：长管气流干燥器 和旋风气流干燥器等。
第四节 冷冻干燥及其他干燥设备
一、冷冻干燥原理及设备
原理：将湿物料（或溶液）在较低温度下（-10～-50℃） 冻结成固态，然后在高度真空下，将其中固态水分直接升 华为气态而除去的干燥过程。
冷 冻 干 燥 设 备 大 致 由 四 部 分 组 成 ， 即，冷冻部分、真空部分、水汽去 除部分和加热部分。
雾化器的类型和性能
1、 离心喷雾干燥
原理：利用在水平方向做高速旋转的圆盘，给 浓料以离心力，将其成薄膜状甩出，受到空气 的撕扯，变成细丝、雾状液滴喷入干燥室，与 热空气直接接触，其表面水分迅速蒸发，在很 短的时间内完成干燥。
离心雾化器的类型
a 碟式 b 叶板式
离心雾化器的特点
优点：①液料通道大，不易堵塞； ②对液料的适应性强。高粘度、高浓度的 液料均可； ③操作弹性大，进液量变化±25％时，对 产品质量无大影响。
1—干燥器； 2—冷冻器； 3—前置真空泵； 4—后置真空泵； 5—加热装置； 6，7—冷冻压缩机； 8—制冷剂贮罐
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7
Technology
• “个别的学问 knowledge of individuation”， 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。
.
8
பைடு நூலகம்
Engineering
• 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。
• 1、生物反应工程的定义 • 2、生物反应工程的基础知识 • 3、生物反应工程的特点
.
3
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。
.
4
• 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。
• 生物反应工程是工业生物技术的核心。
.
5
2、生物反应工程的基础知识
.
6
代谢工程是一门涉及利用基因工程的手段对细 胞属性进行改造的工程，根据不同的生物过程和所 需目标，设计方案和引用的方法也不同.
步骤：（1）合成：构建重组菌株以提高细胞特性;（2）分析：对重组
菌株进行分析，特别是对照出发菌株的属性进行分析;（3）设计：设
计代谢工程方案（Nielsen 2001）.。
.
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• 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；
.
11
生物技术的特点
多学科、多技术的结合 生物作用剂（生物催化剂）的参与 目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这 一过程称为生物反应过程（ bioprocess)
.
12
多学科性:
它是一门多学科、 综合性的科学技 术。
.
13
生物催化剂:
.
14
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）。
• 一、生物反应工程的定义与特点 • 二、生物反应工程学科的形成与发展 • 三、生物反应工程研究的目的 • 四、生物反应工程研究的内容与方法 • 五、举例 • 六、本课程参考书目及相关要求
.
2
一、生物反应工程的定义与特点 The Definition and Characteristics of Bioreaction Engineering
.
19
工程思维方法 Engineering sense method
• Adaptability 生物适应性(或可行性） • Continuity 可持续性 • Fixed quantity of process 过程的量化 • Economy 经济性 • Efficiency 效率
• ……
.
20
• 从现代化的生物工业生产而言： 由单一需求到协调发展……。
.
18
如何从生物现象中抽象出共性的内容
• 从宏观看 以获得生物量为目的：
生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境 因素、操作条件等）
以获得目的产物为目的：
• 从微观看
转录与转译速率=（基因量、…….等)
调控速率=（表达速率、酶活力、……等）
.
21
二、生物反应工程学科的形成与发展 The Evolution of Bioreaction Engineering
• 史前时代，人们还不知道什么是酶或微生物时，就已利用它 们进行有用物质生产了。
.
22
龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元前200年， 作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早的诗集《诗经》中就提出过 采用厌氧进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花的活疫苗。
• 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。
.
9
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
.
15
生物（生化）反应过程：
.
16
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
.
17
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……。
• 从我们每一个人，即个体说起： 由上帝创造人类到生命起源的……。
3、生物反应工程的特点
Characteristics of Bioreaction Engineering
• 生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生 物催化剂参与反应。特点：
• 1）反应在温和的条件下进行； • 2）反应速率比化学反应过程慢很多； • 3）反应的复杂性有时难于预计。 • 共性的基本问题： • 1）反应过程的定量； • 2）动力学研究；
第一章 绪论
Chapter 1. Introduction
• 学习目的：The Objective of Study
• 1）了解生物反应工程的学科定义、特点和发展形成史； • 2）明确学习生物反应工程课程的目的与关键点； • 3）掌握学习生物反应工程的主要内容与学习方法。
.
1
第一章 绪论
Chapter 1. Introduction
Elementary Knowledge of Bioreaction Engineering Bioreaction Engineering
From Bio-appearance to Bioprocess Design
From Bioprocess Design to Systems Biology