生物反应工程 教学大纲

1、生物反应工程 教学大纲课程名称：生物反应工程 课程编码：0402380006英文名称：Bioreaction Engineering 总 学 时：69（理论部分45学时） 总学分：3.5（理论部分2.5学分）适用专业：生物工程 课程类别：必修课程性质：专业课先修课程：微生物学、生物化学、化工原理、高等数学、物理化学教 材：生物反应工程原理（第三版）,贾士儒编著,科学出版社,2008一、课程性质与任务生物反应工程是一门以生物学、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，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特

2、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。生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题，其在生物工业中起着举足轻重的作用。从学科分类看，生物反应工程在工业生物技术中占据核心地位。二、课程教学的基本要求：本课程总学时为69，包括45学时（2.5学分）的理论课和24学时（1学分）的实验课。理论部分包括生物学和工程学基础、生物反应工程基本理论和生物反应工程领域的最新进展三个层次。其中生物学和工程学基础的内容，独立为一章，便于在教学中取舍。理论教学中突出培养工程思维能力这一主题。在第三部分增加了一些过程开发与放大等方面的新成果，拓展学生的视野，形成

3、了一个比较完整的课程理论体系。生物反应工程基本理论主要包括生物反应过程动力学、生物反应器和生物反应过程的放大三部分。动力学部分着重讨论酶促反应过程与微生物反应过程的基本动力学规律，分别讲述均相酶促反应动力学、固定化酶促反应动力学、微生物反应过程的质量和能量衡算、微生物反应过程动力学和动植物细胞培养动力学等内容。生物反应器部分着重介绍了酶反应器、微生物反应器操作、生物反应过程中的传递现象和生物反应器等内容。生物反应过程的放大包括生物反应器的比拟放大和新产品如何从实验室放大到商业化过程。生物反应工程领域的拓展部分，结合本校科研实际和介绍生物过程放大过程与相关研究的新进展。本课程要求学生掌握生物反应

4、过程动力学基本规律，掌握生物反应器的基本理论和设计的基本方法，了解本领域国内外的研究进展，能够通过运用所学的理论知识进行生物反应过程的工程分析与开发，以及生物反应器的设计、扩大、操作和优化控制。三、课程内容及教学要求：第一章 绪论第一节 生物反应过程定义、目的和历史沿革第二节 课程内容及其相关的工程学基本概念本章基本内容：本课程的学科性质、研究内容、及学科的形成与发展，提高工程思维能力的方法或途径，本课程的学习方法。重点：本课程的学科性质、研究内容、及学科的形成与发展。难点：如何理解共性的工程技术问题；如何理解或掌握工程思维能力或方法。第二章 酶促反应动力学第一节 酶与固定化酶的性质第二节 利

5、用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程第三节 操作参数对酶促反应的影响第四节 酶的抑制动力学第五节 固定化酶促反应动力学（2讲）第六节 酶的失活动力学本章基本内容：酶与酶的应用特点；固定化酶的特性；米氏方程；操作参数（温度与pH）对酶促反应的影响；抑制酶促反应动力学；多底物酶促反应动力学；固定化酶促反应动力学；酶的失活动力学。重点：1.米氏方程。 2. 抑制剂对酶促反应的影响。 3. 外扩散对酶促反应的影响及Da准数。难点：米氏方程的推导，限速阶段的理解，固定化酶催化反应动力学，如何理解传质过程与酶促反应之间的关系，扩散传质与酶促反应的相互影响。第三章 微生物反应动力学 第一节 微生物反应

6、过程的特点与计量学第二节 微生物反应过程的得率系数第三节 微生物反应过程的能量衡算 第四节 微生物生长动力学第五节 基质消耗与产物生成动力学本章基本内容：微生物反应的计量学与质能衡算、微生物生长动力学、产物动力学和基质消耗动力学。重点：碳源衡算；氧衡算；得率系数；Monod方程；Gaden的产物动力学模型。难点：细胞生长的非结构模型与Monod方程及其应用条件；得率系数与反应动力学方程之间的相互换算。第四章 微生物反应器操作 第一节 微生物反应器的操作方式与分批式操作第二节 流加式操作（2讲）第三节 连续式操作本章基本内容：微生物反应器的三种主要操作方式：分批式操作、流加式操作和连续式操作。重

7、点：单级连续培养数学模型，连续稳态操作条件，冲出现象；连续操作存在的问题及应用；指数流加数学模型；流加操作的控制与优化。难点：不同操作方式下基质、细胞与产物的状态方程；流加操作的控制与优化。第五章 动植物细胞培养第一节 动植物细胞培养的特性第二节 动植物细胞培养及反应动力学本章基本内容：动植物细胞培养的特性及反应动力学。重点：动、植物细胞培养的特点以及与微生物细胞培养的比较；影响植物细胞培养过程中次生代谢产物积累的主要因素；动、植物细胞培养的生长模型。 难点：动、植物细胞培养的生长动力学模型。第六章 生物反应器中的传质过程 第一节 生物反应体系中的传质现象 第二节 体积传质系数的测定与主要影响

8、因素 第三节 发酵体系中的氧传递模型与溶氧方程和溶氧速率的调节 本章基本内容：流体流变学特性，发酵液的流变学特性，氧传递理论，体积溶氧系数的测定，影响kLa的因素及其提高溶氧速率的措施。 重点：流体流变学特性；双膜理论；kLa的测定方法、影响因素及提高措施。 难点：流体流变学特性；溶氧方程和溶氧速率的调节。第七章 生物反应器及其工程放大第一节 生物反应器设计基础第二节 酶反应器分类及其操作参数第三节 理想的酶反应器第四节 通风发酵设备（2讲）第五节 嫌气发酵设备第六节 生物反应器的比拟放大本章基本内容：生物反应器选型与设计要点；酶反应器；通用式发酵罐；嫌气发酵设备和生物反应器的比拟放大与实例。

9、重点：CPFR型酶反应器操作方程；CSTR型酶反应器操作方程；CPFR型与CSTR型酶反应器的性能比较；常见的微生物反应器。难点：CPFR与CSTR酶反应器的操作方程；生物反应器的比拟放大。第八章 生物反应过程建模与分析第一节 生物反应过程模型与分析 本章基本内容：针对生物反应过程瞬时多态性、非线性的特点，利用多元统计分析等计算方法，解决生物反应过程复杂性的问题，借助建模工具，以具体科学研究的实例，开展生物反应过程的建模与分析。重点：生物反应过程的时空多态性、非线性；过程建模与分析的工具；常用的过程建模与分析的方法。难点：计算流体力学方法；多元统计分析方法的原理与应用。第九章 生物反应工程领域

10、的拓展第一节 通风固态发酵设备（2讲）第二节 生物传感器及相关技术进展第三节 系统生物学第四节 微生物发酵生产柠檬酸（2讲）第五节 微生物发酵生产GABA （2讲） 第六节 压力对生物催化反应的影响第七节 细菌纤维素的生物合成及其应用第八节 双液相发酵第九节 发菜的人工培养及其应用第十节 发菜固体界面培养与发菜多糖提取第十一节 发菜逆境适应性研究及其高密度培养本章基本内容：介绍固态发酵、生物传感器技术、高强度发酵、超临界与压力对微生物发酵与生物催化的影响、双液相生物反应、微藻细胞深层培养与产业化过程等生物反应工程领域的新拓展。重点： 几种典型微生物反应工程原理与应用；特殊生物反应过程（加压生物

11、反应、双液相生物反应）的原理。难点：特殊生物反应过程（加压生物反应、双液相生物反应）的原理。第十章 实验第一节 亚硫酸盐氧化法测定溶氧体积传递系数kLa值第二节 酶促反应动力学参数的测定 第三节 膜法提取L-色氨酸实验 第四节 酵母细胞固定化实验 第五节 米曲制备及其品质测定 第六节 发状念珠藻细胞的光照生物反应器培养 第七节 透明质酸发酵工艺实验 第八节 啤酒酿造工艺实验 第九节 普鲁兰多糖发酵工艺实验 第十节 酒精发酵工艺实验 本章基本内容：介绍与本课程相关的基础实验，包括原理及基本操作。重点：亚硫酸盐氧化法测定溶氧体积传递系数kLa、酶促反应动力学参数测定的基本原理与实验方法；光生物反应

12、器中光传递与物质传递的基本原理；细胞固定化的常用方法。难点：亚硫酸盐氧化法中滴定与反滴定的方法的应用；啤酒酿造过程的糖化工艺；微生物反应器操作的常用方法；细胞固定化的常用方法等。四、课程学时分配(宋体4号字加粗)讲 课 内 容讲课学时实验学时（含各类实践教学活动）合计学时第一章 绪论22第二章 酶促反应动力学77第三章 微生物反应动力学55第四章 微生物反应器操作44第五章 动植物细胞培养22第六章 生物反应器中的传质过程33第七章 生物反应器77第八章 生物反应过程模型与分析11第九章 生物反应工程领域的拓展1414实践性教学2424总计452469五、课程习题要求 课程习题通过课上讲解与课后作业两种方式进行。六、课程的实验内容与要求单元操作性实验（以下实验项目学生任选三项）12学时1. 亚硫酸盐氧化法测定溶氧体积传递系数kLa值 4学时2.