生物反应工程绪论本科

1、1 z参考书：参考书： yShuler M L and Kargi F. Bioprocess Engineering, Prentice Hall Press, 2002, New Jersey. y戚以政戚以政, 汪叔雄汪叔雄. 生化反应动力学与反应器生化反应动力学与反应器. 化学工业化学工业 出版社出版社, 北京北京. y日本日本 山根恒夫山根恒夫生物反应工程生物反应工程 z考试权重：考试权重： y平时平时 30 %； y期末考试期末考试 70 %； （闭卷考试）（闭卷考试） 2 各章学时分配各章学时分配 z总学时总学时 46 y绪论：绪论：2 y第一章第一章 酶催化反应动力学：酶催化反

2、应动力学：8 y第二章第二章 细胞反应动力学：细胞反应动力学：8 y第三章第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学：固定化生物催化剂反应过程动力学：6 y第四章第四章 生物反应器的操作模型：生物反应器的操作模型：6 y第五章第五章 生物反应器的传递特性生物反应器的传递特性 6 y第六章第六章 生物反应器的混合特性生物反应器的混合特性 4 y第七章第七章 生物反应器的设计与放大生物反应器的设计与放大 6 3 绪 论 4 0.1 0.1 生物反应过程的主要特征生物反应过程的主要特征 z生物技术：生物技术：应用自然科学和工程学原理， 依靠生物催化剂生物催化剂的作用，将物料进行加工 或为社会服务的技术。

3、 5 典型的生物产品生产过程典型的生物产品生产过程 6 生物反应过程特点生物反应过程特点 z采用生物催化剂 z独特反应特性 z反应条件温和 z原料为可再生资源 z细胞反应连续操作困难 z分离复杂，产物浓度较低 7 0.2 0.2 生物反应工程学的任务生物反应工程学的任务 z生物反应工程：以生物反应动力学为基础生物反应工程：以生物反应动力学为基础, , 将传递过程等化学工程原理与方法和生物反将传递过程等化学工程原理与方法和生物反 应过程特点结合，研究生物反应器的设计、应过程特点结合，研究生物反应器的设计、 放大和生物反应过程的优化操作与控制的学放大和生物反应过程的优化操作与控制的学 科。科。（生

4、物反应过程开发涉及的内容） 8 z将实验室的研究成果放大到工业规模装置上将实验室的研究成果放大到工业规模装置上 进行工业化生产。进行工业化生产。（生物反应过程开发的过程） z多学科交叉多学科交叉 （生物反应工程学涉及的学科） 生物学 化学工程学 生物化工 (生物反应工程) 9 The Story of Penicillin Alexander Fleming 10 Penicillin Inhibits the Bacterial Growth 11 12 More Penicillin = More Life Survived 13 早期的青霉素生产技术 Research restricte

5、d due to WWII Initially produced in milk bottles Production shifted to America to avoid German bombs Early penicillin culture facility at the Sir William Dunn School of Pathology, Oxford, England. 14 z One of the first Penicillin factories z Terre Haute Indiana z June 1944 40年代的青霉素 工厂 青霉素工业化生产了替代低效的

6、 实验室生产方法，以满足军用需 求及少量的民用需求。 15 青霉素工业化发酵青霉素工业化发酵 生物化学工程诞生生物化学工程诞生 z 时间：时间：20世纪世纪4060年代年代 z 大规模液体发酵罐大规模液体发酵罐 z 搅拌装置（搅拌桨、轴封）搅拌装置（搅拌桨、轴封） z 通气装置（空气过滤、分散器）通气装置（空气过滤、分散器） z 灭菌装置（管路、阀门、罐内）灭菌装置（管路、阀门、罐内） z 无菌状态（接种、采样、隔离）无菌状态（接种、采样、隔离） z 控制装置（温度、控制装置（温度、pH、溶氧、消泡）、溶氧、消泡） z 流加装置（碱、葡萄糖、前体）流加装置（碱、葡萄糖、前体） 目前规模：百吨至

7、千吨级发酵罐目前规模：百吨至千吨级发酵罐 16 工程放大 摇瓶试验 小试 中试 工业化生产 17 青霉素分离流程图 青霉素发酵液，过滤，溶剂萃取，活性炭处理，过滤去除炭，结晶，晶体过滤，晶体洗涤，晶体过滤和干燥。 18 z2020世纪后期（世纪后期（197019708080年）生物反应工程学科的形年）生物反应工程学科的形 成：英国学者阿特金逊（成：英国学者阿特金逊（19711971）首次提出生化反应）首次提出生化反应 工程。工程。 z2020世纪世纪9090年代基因工程与生物反应工程不断融合、年代基因工程与生物反应工程不断融合、 发展。发展。 19 0.3 0.3 生物反应工程的重点内容生物反

8、应工程的重点内容 酶反应动力学酶反应动力学 细胞反应动力学细胞反应动力学 固定化催化剂反应动力学固定化催化剂反应动力学 反应器操作动力学反应器操作动力学 建立反应动力学建立反应动力学 选择与设计反应器选择与设计反应器 生物反应工程生物反应工程 生物反应器操作生物反应器操作 生物反应器传递与混合生物反应器传递与混合 生物反应器放大生物反应器放大 20 z生物工艺学 z化工原理 z物理化学(化学反应动力学) z高等数学(微积分) 需要的前提知识需要的前提知识 21 生物反应过程动力学生物反应过程动力学 z研究生物反应过程的速率及其影响因素 z包括两个层次 y本征动力学（微观动力学） y反应器动力学

9、（宏观动力学） 传递因素 22 生物反应过程动力学的几个方面生物反应过程动力学的几个方面 z均相酶催化反应动力学：分子水平描述动力学， 由反应机理建立模型方程，模型参数具有明确的 物理意义。 23 细胞反应动力学细胞反应动力学 z结构模型：考虑胞内组成变化和代谢网络，反映 胞内部分本质和机理。 z黑箱模型：完全经验模型，不考虑过程机理，模 型不具有明确的物理意义。 z非结构模型：理论定量与经验公式结合，状态变 量与模型参数有限，模型参数具有明确的物理意 义。 24 z固定化生物催化剂反应动力学固定化生物催化剂反应动力学 z固定化酶催化反应动力学：反应物传质速率对酶 催化反应过程速率的影响。 z

10、固定化细胞反应动力学：反应物传质速率对细胞 反应过程速率的影响。 25 生物反应器操作动力学生物反应器操作动力学 z分批分批 z连续连续 z补料分批补料分批 26 生物反应器生物反应器 z生物反应器的传递特性(传质、传热、动量 传递) z生物反应器的设计与放大 27 反应器的类型反应器的类型 z 搅拌槽式反应器 z 管式反应器 z 气体搅拌塔式反应器（气升式反应器） z 动、植物细胞培养反应器 贴壁培养贴壁培养光合作用光合作用 28 Stirred tank reactor 29 Air lift reactor 30 31 32 生物反应器的优化与控制 33 讨论 z说说你知道的生物反应器有哪些类型？ z反应速率的影响因素有哪些？ 34 More Penicillin = More Life Survived 35 工程放大 摇瓶试验 小试 中试 工业化生产 36 生物反应过程动力学的几个方面生物反应过程动力学的几个方面 z均相酶催化反应动力学：分子水平描述动力学， 由反应机理建立模型方程，