生物反应工程原理省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

学习目标：TheObjectiveofStudy

1）了解生物反应工程学科定义、特点和发展形成史；2）明确学习生物反应工程课程目标与关键点；3）掌握学习生物反应工程主要内容与学习方法。第一章绪论Chapter1.Introduction1/60一、生物反应工程定义与特点二、生物反应工程学科形成与发展三、生物反应工程研究目标四、生物反应工程研究内容与方法五、举例六、本课程参考书目及相关要求第一章绪论Chapter1.Introduction2/601、生物反应工程定义2、生物反应工程基础知识3、生物反应工程特点一、生物反应工程定义与特点TheDefinitionandCharacteristics

ofBioreactionEngineering3/601、生物反应工程定义

DefinitionofBioreactionEngineering生物反应工程是一门以硕士物反应过程中带有共性工程技术问题学科。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交叉学科。4/60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反应特征方面知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器设计、操作和控制等。生物反应工程是工业生物技术关键。5/60BioreactionEngineeringFromBio-appearancetoBioprocessDesign

FromBioprocessDesigntoSystemsBiology2、生物反应工程基础知识ElementaryKnowledge

ofBioreactionEngineering6/60

代谢工程是一门包括利用基因工程伎俩对细胞属性进行改造工程，依据不一样生物过程和所需目标，设计方案和引用方法也不一样.步骤：（1）合成：构建重组菌株以提升细胞特征;（2）分析：对重组菌株进行分析，尤其是对照出发菌株属性进行分析;（3）设计：设计代谢工程方案（Nielsen）。7/60

“个别学问

knowledgeofindividuation”，处理怎样做一件事情，技术会伴随时代变迁而改变。详细技术能够用记述方法来表现。Technology8/60研究普通化方法学问，含有超越时代连续性和普遍性，内容是抽象。抽象方法除表现为数学使用外，更主要是掌握“工程思维”（engineeringsense)方法。工程本质上是含有价值取向主体作用于客体、主观思维物化为客观实体一个目标导向活动和过程。Engineering9/60生物技术（工程）bioengineering/biotechnology：生物技术是应用自然科学及工程学原理，依靠生物催化剂（biologicalagents)作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务技术。——1982年国际经济合作及发展组织

10/60高技术：世界所拥有先进技术组成一个强大、活跃技术群体，叫做高技术。高技术凝聚着人类早期创造和近期创造，代表着当代科技文明。我国正在实施高技术：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）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；11/60生物技术特点多学科、多技术结合生物作用剂（生物催化剂）参加目标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)12/60多学科性:它是一门多学科、综合性科学技术。13/60生物催化剂:14/60建立工业生产过程:生物技术最终目标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）。15/60生物（生化）反应过程：16/60从应用观点出发可将生物技术

进行以下分类：工业生物技术农业生物技术医药生物技术环境生物技术17/60生物现象

Bio-appearance从自然现象说起：最初原始性种植方式到当代化农业;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……。从当代化生物工业生产而言：由单一需求到协调发展……。18/60怎样从生物现象中抽象出共性内容从宏观看

以取得生物量为目标：

生物合成速率≈影响原因（生物体、基质、环境原因、操作条件等）

以取得目标产物为目标：从微观看转录与转译速率=（基因量、…….等)

调控速率=（表示速率、酶活力、……等）19/60

工程思维方法

EngineeringsensemethodAdaptability生物适应性(或可行性）Continuity可连续性Fixedquantityofprocess过程量化Economy经济性Efficiency

效率……20/60生物反应过程与化学反应过程本质区分是有生物催化剂参加反应。特点：1）反应在温和条件下进行；2）反应速率比化学反应过程慢很多；3）反应复杂性有时难于预计。共性基本问题：1）反应过程定量；2）动力学研究；3、生物反应工程特点Characteristics

ofBioreactionEngineering21/60二、生物反应工程学科形成与发展

TheEvolutionofBioreactionEngineering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。22/60龙山文化（距今4000-4200年）已经有酒具出现。公元前200年，作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早诗集《诗经》中就提出过采取厌氧进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花活疫苗。23/601857年巴斯德（Pasteur）证实酒精发酵是由活酵母引发。1859年，首次证实乙醇发酵机理。24/60第一次～第二次世界大战：深层培养技术、无菌空气制备技术建立——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。25/601975年，作为生化工程领域开创人之一日本学者合叶修一出版了关于生化动力学方面专著《生物化学工程——反应动力学》；1979年，日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书；年，清华大学邢新会翻译原著第三版。1985年，德国学者许盖得（Schugerl）出版了《生物反应工程》专著；1993年，日本学者川濑义矩出版了《生物反应工程基础》一书；1994年，丹麦学者尼尔森（Nielsen）等编著了《生物反应工程原理》一书；在此期间，我国学者也编著出版了《生物反应工程原理》（1990）、《生物工艺学》（1992）、《生化工程》（1993）和《生化反应动力学与反应器》（1996和1998）等书籍。26/6020世纪90年代基因工程与生物反应工程不停融合、发展。27/60年后人类基因组计划完成，后基因组计划进行，尤其是MetabolicEngineeringandSystemsBiology形成与发展，给生物反应工程技术带来新发展机遇。28/60假如生物反应现象仅是经过物理学家或化学家用机械语言、化学语言、物理语言来描述，一定是将生物反应分解至分子，或更小单位，然后再以此为基础把生物现象简化为化学过程或物理过程，这种将生物现象简化方法，无疑将抛弃生物反应本质特征。另外，因为决定生物生命最小单位是细胞，所以，细胞个体之间相互影响也是利用生物过程取得目标产物技术人员不得回避问题，不过，以往因为各种原因，无法开展相关研究。细胞之间相互影响与细胞内部反应相互作用必定包括影响强弱和时间长短问题，而这必要需要一些工程学方法来处理，所以，也就给生物反应工程技术带来新机遇与挑战。分子生物学面临挑战！？29/60三、生物反应工程研究目标

ObjectiveofBioreactionengineering

1、生化反应过程（工程）：广义概念：自然界中生物现象千变万化（如植物生长、微生物无处不在、酶促反应所起关键作用等），这些改变中起主导作用是生物催化反应，或者说是生物生长、繁殖、形成产物、某种物质降低或增加过程。狭义概念：生物反应工程是指将试验室结果经放大而成为可供工业化生产工艺过程，包含实现工业化生产过程高效率运转，或者说提升生产过程效率。30/60生物反应过程效率:提升生物反应过程效率，即确保反应过程效率最大化。Rate＝product／（time×mass×energy）Example：

Enzymeglucosegluconicacid

r＝f（pH、temp、Si、P、DO……）31/60（1）生物反应过程-示意图生物催化剂（酶、细胞、动植物）种子生化反应器无菌空气产物提取与精制副产物产物废弃物检测控制系统培养基制备与灭菌原料及其处理32/60（2）生物反应过程四个组成部分①原材料预处理及培养基制备；②生物催化剂制备；③生物反应器及反应条件选择与监控；④产物分离纯化工程；33/60（3）生物反应过程特点①采取生物催化剂；②采取可再生资源为主要原料；③反应器；④产物提取、纯化较难、复杂34/60生物反应实质：利用生物催化剂从事生物技术产品生产过程。温和条件下（常温、常压、pH靠近中性等）进行反应。对反应过程进行定量、动力学方面研究是各自所要探讨最基本问题。35/602、生物反应过程研究目标Objective——EnhanceProductivity（1）提供适宜动力学速率方程，以描述微生物（或酶、动植物等）反应体系；（2）确定这些方程在设计方面用途，规划试验室试验，决定动力学方程所需速率常数。（3）从生物反应器设计和操作角度，硕士物反应速率和与之相关影响原因之间定量与定性关系。36/60四、生物反应工程研究内容与方法ContentandMethod1、生物反应过程分类2、生物反应工程研究内容3、生物反应工程研究方法37/601、生物反应过程分类

ClassificationofBioreactionProcess依据生物体不一样生物反应过程分为：①酶催化反应过程②细胞反应过程（包含单一微生物细胞、各种微生物细胞和混合反应、动植物细胞培养等）。③废水生物处理过程见P4表1-1生物反应过程分类及其特征38/60①酶催化反应过程采取游离或固定化酶为催化剂时反应过程。②细胞反应过程采取活细胞为催化剂时反应过程：微生物细胞反应过程——发酵工程；固定化细胞反应过程和动、植物细胞反应过程——细胞工程；39/60③废水生物处理过程利用微生物本身分解和净化能力，除去废水中污浊物质过程。特点：（1）由细菌等菌类、原生动物、微小后生动物等各种微生物组成混合培养系统；（2）几乎全部采取连续操作；（3）微生物所处环境条件波动大；（4）反应目标是消除有害物质而不是生成代谢产物和微生物细胞本身；40/60④介绍其它分类方法按获取能量方式分——好氧发酵，厌氧发酵按产物类型分——初级代谢产物发酵，次级代谢产物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸发酵，维生素发酵，抗生素发酵……按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种发酵；分批发酵，半连续发酵，连续发酵；固态发酵，液态发酵反应产物或服务性质按产物所属国民经济部门41/602、生物反应工程研究内容

ContentofBioreactionengineering生物反应工程以工业规模生物反应过程为主要研究对象，详细研究中兼顾可操作性。①生物反应动力学②生物反应器③生物反应过程放大与缩小42/60①生物反应动力学生物反应动力学主要硕士物反应速率和影响反应速率各种原因。基本内容：1）酶反应动力学特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶失活动力学；2）微生物反应过程质量与能量衡算、发酵动力学和微生物培养操作技术；3）影响动植物细胞反应原因、动植物细胞反应及反应动力学。43/60②生物反应器生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力关键设备。1）生物反应体系中流变学特征、氧传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关原因、溶氧方程及溶氧速率调整；2）酶反应器及设计、机械搅拌式发酵罐及设计、气升式生化反应器设计、生物废水处理设备及动植物细胞培养用反应器等；3）分批、流加和连续式操作，及动植物细胞培养技术等。44/60③生物反应过程放大与缩小1）探讨各种类型生物反应内在规律；2）从概念上注意与相关学科区分；3）要全方面、深入地对待问题；4）确立评价生物反应过程标准。45/60Content内容FoundationofBiologyandEngineeringEnzymeKineticsBiochemicalReactionsDesignofFermentatonProcessesMassTransforScale-UpofBioprocessesAdvanceofBioreactionEngineeringBioreactionKinetics,BioreactorsandScale-UpofBioprocesses46/603、生物反应工程研究方法

MethodofBioreactionengineering1）经过生物反应过程分析和生物反应器选型与设计，说明酶促反应过程动力学规律。2）以基本生物反应器为基础，经过例题，讨论进行生物反应器设计与分析基本原理和方法。3）生物反应工程领域中新拓展。47/60Method(or要注意事项)重视归纳各类生物反应内在规律。重视基本理论所包含“工程含义”。重视从多层次考查生物反应过程。重视生物反应过程评价标准。……48/60五、举例

IllustratewithExamples抗生素——青霉素罗伯茨（W.Roberts，1874)首次报道微生物颉颃（xiehang）现象（antagonism）灰绿青霉生长旺盛液体会使人工感染细菌困难廷德尔（J.Tyndall,1876）青霉菌与细菌液体培养中有颉颃现象巴斯德和朱伯特（J.F.Joubert，1877)用炭疽芽孢杆菌培养物感染动物巴比斯和科尼尔（V.Babes&A.V.Cornil,1885)细菌之间……49/60弗莱明（1928）发觉青霉素并将青霉素培养物滤液中所含抗细菌物质称为“青霉素”50/60化学家钱恩（E.Chain）取得精制品，1940在美国产业化当前水平60000～80000U/ml(150m3)牛津大学弗洛里（H.florey，1938～1939）51/60微生物学家和生物化学家赛尔曼·阿勃拉罕姆瓦克斯曼发觉链霉素“痨病”有克星

52/6053/60六、本课程参考书目及相关要求ReferrenceandRequire教材：贾士儒编著，生物反应工程原理(第三版),科学出版社，普通高等教育“十一五”国家级规划教材，年7月；54/60参考书（国外）：1、1975年日本，合叶修一等，生物化学工程---反应动力学；2、生物反应工程，（日）山根恒夫著，邢新会译，化学工业出版社，年（1979年）原著第三版；3、1985年德国，许盖特（Schugerl），生物反应工程；4、1993年日本学者川濑义矩，生物反应工程基础；5、1994（02）年丹麦学者Nielsen，生物反应工程原理55/60参考书（国内）：1、发酵过程原理，叶勤编著，化学工业出版社，年2、生化反应动力学与反应器，戚以政、汪叔雄编著，化学工业出版社，