《生物反应工程》PPT课件
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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
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
生物反应基本工程基础知识-生物反应工程课件-01-共8讲
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）。
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。
7. Problem复习题
• 解释生物反应工程在生物技术中的作用？ • 为什么说代谢工程是建立在分子生物学和 生物反应工程原理基础之上的？ • 为什么在当今分子生物学渗入到各生物学 科领域的同时，工程思维也成为当今从事 生物工程工作人员共同关注的话题？
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2003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》（1996北京化工大学戚以政等） • 《生物反应工程》（2004戚以政等） • 《生物反应工程》 2005浙江大学岑沛林等） • 《生物反应工程》（2005清华大学邢新会译）
1. Elementary Knowledge
Bioreaction Engineering From Bio-appearance to Bioprocess Design
From Bioprocess Design to Systems Biology
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
生物反应器-生物反应工程课件-07-共8讲
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小 需光源
主要应用领域
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等 面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
酶反应器的选择
游离酶反应器的选择，完全可以采用表（7-2） 一般生物反应器的选择要求来进行。 对于固定化酶反应器的选择，除同样根据使用 的目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传 递速率和反应器制造和运转的成本及难易等因素进 行选择外，还应考虑固定化酶的的形状(颗粒、纤 维、膜等)、大小、机械强度、比重和再生或更新 的难易；操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止 杂菌污染等；反应动力学形式和物质传递特性、内 外扩散的影响；底物的性质；催化剂（固定化酶） 的表面／反应器体积的比值等。
实际生物反应过程中的热量计 算，可采用如下方法：
１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。 根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最大 的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。
7.2.2 理想的酶反应器
一、CPFR型酶反应器 也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。 CPFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作 情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随 时间而变化；反应器内轴向各处的浓度彼此不相 等，反应速率随空间位置而变化；由于径向有严 格均匀的速度分布，即径向不存在浓度分布，故 反应速率随空间位置的变化只限于轴向。
主要应用领域
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等 面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
酶反应器的选择
游离酶反应器的选择，完全可以采用表（7-2） 一般生物反应器的选择要求来进行。 对于固定化酶反应器的选择，除同样根据使用 的目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传 递速率和反应器制造和运转的成本及难易等因素进 行选择外，还应考虑固定化酶的的形状(颗粒、纤 维、膜等)、大小、机械强度、比重和再生或更新 的难易；操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止 杂菌污染等；反应动力学形式和物质传递特性、内 外扩散的影响；底物的性质；催化剂（固定化酶） 的表面／反应器体积的比值等。
实际生物反应过程中的热量计 算，可采用如下方法：
１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。 根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最大 的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。
7.2.2 理想的酶反应器
一、CPFR型酶反应器 也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。 CPFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作 情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随 时间而变化；反应器内轴向各处的浓度彼此不相 等，反应速率随空间位置而变化；由于径向有严 格均匀的速度分布，即径向不存在浓度分布，故 反应速率随空间位置的变化只限于轴向。
生物反应工程chap2enzyme1PPT课件精选全文完整版
Mg, Zn, Mn, Fe
Coenzyme: a complex organic molecule:
NAD, FAD, CoA, some vitamins
03:22
Enzyme
5
➢ Nomenclature
Enzymes are named by adding the suffix –ase to the:
k Ae Ea RT
We have,
Eaa 2
Ae RT
exp(7000 /(2 293)) 108 exp(18000 /(2 293))
03:22
Enzyme
4
The interaction between the enzyme and its substrate——weak force:
End of the substrate
Such as urease
The reaction catalyzed
Such as alcohol dehydrogenase
Enzymes using familiar names:
Pepsin in the digestive tract Trypsin in the digestive tract Rennin used in cheese making “Old yellow”, which caused browning of sliced apples
Chapter 2 Enzymes
Lysozyme
Reduced DsbA from E. coli
§2.1 Introduction
➢ Definition
Enzymes are usually proteins of high molecular weight (15,000 < MW < several million Daltons) that act as catalysts.
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它是利用微生物（往往是一群不同种类的）本身的分解能力和净化 能力，除去废水中污浊物质的过程。
本课程重点讨论酶催化反应过程和细胞反应过程。
生物反应工程的研究对象和内容
研究对象：各种各样的实际生物反应器。 研究涉及两个方面： 1. 反应器的设计: 根据生产和处理任务要求，设计一个新的反器。 2. 反应器的优化: 对一现有反应器，通过优化使其生产处理能力最
摇瓶
典型生物反应过程
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 工艺过程称为生物反应过程。
典型的生物反应过程：
包括四个部分：(1)原材料的预处理。(2)生物催化剂的制备。 (3) 生化反应器及反应条件的选择与监控。 (4)产物的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心。而分别把反应前与后称为上 游加工和下游加工。
应环境以达到反应较好进行的目的。因此，反应器的确结构、操作方式和条 件对反应原料的转化率、产品的质量和成本有着密切关系。同时反应参数的 检测和控制对反应的顺利进行也是十分重要的。
产物的分离纯化： 用适当的方法和手段将一定含量的目的产物从反应液中提取出来并加以
精制以达到规定的质量要求。
返回
生物反应过程的分类
生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。例如对 酶催化反应，反应动力学可表达为分子水平动力学；对微生物发酵反应， 其动力学可在细胞水乎上来表达，对废水的生物处理，则可表达为群体 动力学。每一表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力 学处理方法。
生物反应器的研究内容：
(1)生物反应器中的传递特性。传递特性即传质、传热及动量。这些传递特 性将影响到反应器内基质和产物的浓度分布及温度分布，进而影响到反应器 内某一组分的反应运率。例如氧在发酵液中的传质速率，固定化酶颖粒及菌 丝团和菌体絮状物内反应组分的扩散传质，这些传质速率对反应结果都会产 生一定的影响，甚至成了反应过程的控制步骤。这些传递因素最终将影响到 反应器的设计和放大。
空气 能量 除菌
生物反应器
提取精制
检测控制系统
副产品 产品 废物
返回
原材料的预处理: 包括原料的选择,必要的物理与化学方法加工,培养基的配制和灭菌等。
生物催化剂的制备： 包括菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中酶的纯化、酶的固定
化等。
生物反应器及反应条件的选择与监控： 生物反应器是进行生物反应的核心设备，它应为细胞或酶提供适宜的反
型式： 釜式 塔式 管式
操作方式： 间歇 连续 流加 补料
两者结合可以形 成很多种可以在 工业生产中使用 的生物反应器。
生物反应器的研究方法
研究方法：理想化和模型化。
理想化： 对于实际生物反应器，通过理想化处理，抽象出某几种具有代表性 的典型反应器，当然它们是理想反应器。有了理想反应器，我们就可以比较 容易地对它们进行研究，摸清生物反应在这些理想反应器中的反应情况，这 就排除了不同形式反应器和操作条件对生物反应的影响。
生物反应工程(Bioreaction Engineering)：是生物反应过程的 一个部分，主要围绕生物反应器进行研究，研究生物反应过程中有关反 应器设计放大等具有共性的工程技术问题，以达到在工业规模的反应器 中给生物反应提供一个最佳的反应环境。
细胞
酶
（游离或固定化）
生物催化剂
预处理
灭菌
原料
基质或培养基
大、操作控制更合理和简便。 生物反应工程的研究内容： 1. 生物反应动力学 2. 生物反应器
生物反应动力学
生物反应动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，这是生 物反应工程学的理论基础之一。
生物反应动力学应包括两个层次的动力学，一是本征动力学，又称 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，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及 溶剂性质有关，而与传递因素无关。二是宏观动力学，又可称为反应器 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。
工业反应器 实验室反应器
常见的各种形式生物反应器（I）
常见的各种形式生物反应器（II）
常见的各种形式生物反应器（III）
常见的各种形式生物反应器（IV）
常见的各种形式生物反应器（V） 返回
生物反应器的型式和操作方式
常见的生物反应器： 搅拌釜式间隙反应器 连续釜式反应器 间隙塔式反应器 流加搅拌釜式反应器 连续通气气升式反应器
制药与生命科学学院
生物反应工程
朱建良
第一章 绪论（4学时）
基本要求： • 了解典型生物反应过程，知道各组成部分的任务、目的和要求。 • 明确生物反应工程的研究对象和任务。 • 了解生物反应工程的研究方法，掌握生物反应器设计放大的基本方法。 • 掌握反应工程一些基本概念：
底物，产物；反应转化率，收率，选择性。 重点： • 明确生物反应工程的研究对象、任务和生物反应器设计放大的基本方法。 • 掌握反应工程一些基本概念。
根据所采用生物催化剂的不同特性，生物反应过程可分为： • 酶催化反应过程：
采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的 反应几乎都是在酶催化下进行的。工业生产上也常见酶催化反应，游离 酶反应和固定化酶反应。 • 微生物细胞反应过程：
采用活细胞为催化剂时的反应过程。包括一般的微生物细胞发酵反 应过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。 • 废水生物处理过程：
(2)生物反应器的设计与放大。在进行反应器设计时，首先要对反应器进行 选型，确定操作方式，然后再进行设计计算。反应器的选型及操作方式，要 根据反应的本征动力学特性、生产工艺要求及物料特性来决定。采用不同的 反应器型式和不同的操作方式，会对反应动力学和反应器的生产效率产生明 显的不同影响。
(3)生物反应器的优化与控制。生物反应器优化包括优化操作和优化设计， 它们是在分析所涉及的生物反应过程特征的基础上，进行有关工程的基础研 究，从而制定出最合理的技术方案和最优操作条件．进行反应器的最优设计， 以达到优质、高产、低消耗的目的。为了能使生物反应器在最佳条件下运转， 必须对生物反应过程的参数进检测与控制，这是生物反应过程实现优化的 基础。
本课程重点讨论酶催化反应过程和细胞反应过程。
生物反应工程的研究对象和内容
研究对象：各种各样的实际生物反应器。 研究涉及两个方面： 1. 反应器的设计: 根据生产和处理任务要求，设计一个新的反器。 2. 反应器的优化: 对一现有反应器，通过优化使其生产处理能力最
摇瓶
典型生物反应过程
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 工艺过程称为生物反应过程。
典型的生物反应过程：
包括四个部分：(1)原材料的预处理。(2)生物催化剂的制备。 (3) 生化反应器及反应条件的选择与监控。 (4)产物的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心。而分别把反应前与后称为上 游加工和下游加工。
应环境以达到反应较好进行的目的。因此，反应器的确结构、操作方式和条 件对反应原料的转化率、产品的质量和成本有着密切关系。同时反应参数的 检测和控制对反应的顺利进行也是十分重要的。
产物的分离纯化： 用适当的方法和手段将一定含量的目的产物从反应液中提取出来并加以
精制以达到规定的质量要求。
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生物反应过程的分类
生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。例如对 酶催化反应，反应动力学可表达为分子水平动力学；对微生物发酵反应， 其动力学可在细胞水乎上来表达，对废水的生物处理，则可表达为群体 动力学。每一表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力 学处理方法。
生物反应器的研究内容：
(1)生物反应器中的传递特性。传递特性即传质、传热及动量。这些传递特 性将影响到反应器内基质和产物的浓度分布及温度分布，进而影响到反应器 内某一组分的反应运率。例如氧在发酵液中的传质速率，固定化酶颖粒及菌 丝团和菌体絮状物内反应组分的扩散传质，这些传质速率对反应结果都会产 生一定的影响，甚至成了反应过程的控制步骤。这些传递因素最终将影响到 反应器的设计和放大。
空气 能量 除菌
生物反应器
提取精制
检测控制系统
副产品 产品 废物
返回
原材料的预处理: 包括原料的选择,必要的物理与化学方法加工,培养基的配制和灭菌等。
生物催化剂的制备： 包括菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中酶的纯化、酶的固定
化等。
生物反应器及反应条件的选择与监控： 生物反应器是进行生物反应的核心设备，它应为细胞或酶提供适宜的反
型式： 釜式 塔式 管式
操作方式： 间歇 连续 流加 补料
两者结合可以形 成很多种可以在 工业生产中使用 的生物反应器。
生物反应器的研究方法
研究方法：理想化和模型化。
理想化： 对于实际生物反应器，通过理想化处理，抽象出某几种具有代表性 的典型反应器，当然它们是理想反应器。有了理想反应器，我们就可以比较 容易地对它们进行研究，摸清生物反应在这些理想反应器中的反应情况，这 就排除了不同形式反应器和操作条件对生物反应的影响。
生物反应工程(Bioreaction Engineering)：是生物反应过程的 一个部分，主要围绕生物反应器进行研究，研究生物反应过程中有关反 应器设计放大等具有共性的工程技术问题，以达到在工业规模的反应器 中给生物反应提供一个最佳的反应环境。
细胞
酶
（游离或固定化）
生物催化剂
预处理
灭菌
原料
基质或培养基
大、操作控制更合理和简便。 生物反应工程的研究内容： 1. 生物反应动力学 2. 生物反应器
生物反应动力学
生物反应动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，这是生 物反应工程学的理论基础之一。
生物反应动力学应包括两个层次的动力学，一是本征动力学，又称 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，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及 溶剂性质有关，而与传递因素无关。二是宏观动力学，又可称为反应器 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。
工业反应器 实验室反应器
常见的各种形式生物反应器（I）
常见的各种形式生物反应器（II）
常见的各种形式生物反应器（III）
常见的各种形式生物反应器（IV）
常见的各种形式生物反应器（V） 返回
生物反应器的型式和操作方式
常见的生物反应器： 搅拌釜式间隙反应器 连续釜式反应器 间隙塔式反应器 流加搅拌釜式反应器 连续通气气升式反应器
制药与生命科学学院
生物反应工程
朱建良
第一章 绪论（4学时）
基本要求： • 了解典型生物反应过程，知道各组成部分的任务、目的和要求。 • 明确生物反应工程的研究对象和任务。 • 了解生物反应工程的研究方法，掌握生物反应器设计放大的基本方法。 • 掌握反应工程一些基本概念：
底物，产物；反应转化率，收率，选择性。 重点： • 明确生物反应工程的研究对象、任务和生物反应器设计放大的基本方法。 • 掌握反应工程一些基本概念。
根据所采用生物催化剂的不同特性，生物反应过程可分为： • 酶催化反应过程：
采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的 反应几乎都是在酶催化下进行的。工业生产上也常见酶催化反应，游离 酶反应和固定化酶反应。 • 微生物细胞反应过程：
采用活细胞为催化剂时的反应过程。包括一般的微生物细胞发酵反 应过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。 • 废水生物处理过程：
(2)生物反应器的设计与放大。在进行反应器设计时，首先要对反应器进行 选型，确定操作方式，然后再进行设计计算。反应器的选型及操作方式，要 根据反应的本征动力学特性、生产工艺要求及物料特性来决定。采用不同的 反应器型式和不同的操作方式，会对反应动力学和反应器的生产效率产生明 显的不同影响。
(3)生物反应器的优化与控制。生物反应器优化包括优化操作和优化设计， 它们是在分析所涉及的生物反应过程特征的基础上，进行有关工程的基础研 究，从而制定出最合理的技术方案和最优操作条件．进行反应器的最优设计， 以达到优质、高产、低消耗的目的。为了能使生物反应器在最佳条件下运转， 必须对生物反应过程的参数进检测与控制，这是生物反应过程实现优化的 基础。