21世紀高等院校

—生物工程類

生物反應工程

BioreationEngineering

李敬21世紀高等院校

1第一章緒論1.1生物反應工程的研究目的1.2生物反應工程的發展過程1.3生物反應工程的主要內容1.4生物反應工程的研究方法1.5思考題第一章緒論1.1生物反應工程的研究目的2FERMENTATION生物催化劑-enzyme-microbioass-animalandplantcellDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecovery生物技術產品生產過程原材料1.1生物反應工程的研究目的FERMENTATION生物催化劑DOWNSTREAMPR3生物反應工程定義：

以生物反應動力學為基礎，研究生物反應器的設計、放大和生物反應過程的優化操作和控制的學科。

生物反應工程定義：42

反應工程的用途、作用

反應動力學

反應模式速率方程活化能

反應器的設計與分析

各因素（T,P,c）的變化規律最佳工況2反應工程的用途、作用反應動力學5研究目的：

提供適宜的動力學方程，以描述微生物（酶、動植物等）反應體系，確定這些方程在設計方面的用途，規劃實驗室的實驗，決定動力學方程所需的速率常數。研究目的：提供適宜的動力學方程，以描述6一、誕生時期（20世紀40年代）1947年美國的Merch制藥廠因在建立抗生素工業中由于解決了高效通氣攪拌技術、無菌空氣過濾技術、大型反應器滅菌等一系列工程技術問題，使以青霉素為代表的微生物發酵工業進入一個新的發展階段，而被授予“生化工程專題研究”成果獎，一門反映生物和化學工程交叉的學科——生物化學工程誕生，并取得了快速的發展。1.2生物反應工程的發展過程一、誕生時期（20世紀40年代）1.2生物反應工程的發展過程7二、發展時期（20世紀50年代以后）1964年，Aiba等認為放大是生化工程的焦點，與微生物代謝反應緊密相連，1973年，進一步指出，在大規模研究方面，應當進一步開展對微生物反應本質的研究。1971年，英國的Atkinson首先采用了生物反應工程這一術語，1974年，在他編著的《生物反應器》一書中指出，生物反應工程的目的是描述微生物體系反應動力學的合適表達式，并能夠通過實驗求出其常數。二、發展時期（20世紀50年代以后）81979年，日本山根恒夫《生物反應工程》，生物反應工程是一門以速率為基礎，研究酶反應、微生物反應及廢水處理過程的合理設計、操作和控制的工程學。1985年，德國學者卡爾.許格爾提出生物反應工程的研究應當包括兩個方面，一是宏觀動力學，它涉及生物、化學、物理之間的相互關系；二是生物反應器工程，它主要涉及不同的反應器對生物化學和物理過程的影響。1979年，日本山根恒夫《生物反應工程》9三、新時期（20世紀90年代）

基因工程技術與生物反應工程技術不斷的融合，人類基因組計劃的完成，后基因組計劃的進行，給生物反應工程技術帶來新的發展機遇。

質粒復制與表達動力學

超臨界相態下的生物反應

界面微生物生長模型

雙液相生物反應三、新時期（20世紀90年代）10

1.3生物反應工程的主要內容生物反應工程是以工業規模的生物反應過程為主要研究對象，具體研究中要兼顧可操作性，生物反應工程的研究內容為下述2項，

生物反應動力學

生物反應器的設計、放大與縮小1.3生物反應工程的主要內容生物反應工程11生物反應動力學生物反應動力學主要研究生物反應速率和各種因素對反應速率的影響，它是生物反應工程學的理論基礎之一，這里所討論的生物反應動力學包含兩個層次的動力學。（1）本征動力學，又稱微觀動力學。（2）宏觀動力學，又稱反應器動力學。計算反應時間和反應器體積生物反應動力學生物反應動力學主要研究生物反應速率和12生物反應過程的分類及其特征分類酶催化反應單一細胞反應過程多細胞反應過程動植物細胞反應體系反應水平分子水平細胞水平細胞水平細胞或組織水平底物數量1-2種若干種若干種若干種產物數量1-2種細胞和若干種代謝產物若干種菌體和CO2、CH4等細胞或組織或若干種產物反應的復雜性簡單一般復雜很復雜反應速率或生長速率快一般慢很慢生物反應過程的分類及其特征分類酶催化反應單一細胞反應過程多細13細胞反應動力學考慮細胞之間有無差別可分為概率論和確定論模型考慮細胞組成變化可分為結構模型和非結構模型

（1）概率論的結構模型（2）概率論的非結構模型（3）確定論的結構模型（4）確定論的非結構模型

實際情況理想情況細胞反應動力學考慮細胞之間有無差別可分為概率論和確定論模14化學計量學細胞反應中參與反應的培養基成分多，反應途徑復雜。必須用化學計量學方法來處理，可將反應器中細胞的活動用元素的平衡式來表示。

碳源+氮源+氧=菌體+有機產物+CO2+H2OCHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH2O+fCO2C:1=c+d+f

H:m+3b=cx+ud+2e

O:n+2a=cy+vd+e+2f

N:b=zc+wd化學計量學細胞反應中參與反應的培養基成分多，反應15得率系數研究細胞反應過程總物質和能量變化的規律，常用得率系數對碳源等物質生成細胞或其他產物的潛力進行定量評價。例如：

細胞得率Yx/c=得率系數研究細胞反應過程總物質和能量變16生物反應器的設計、優化與放大生物反應器是使生物技術轉化為產品生產力的關鍵設備，使用高效率生物反應器的目的是提高產品生成速率，減少有關輔助設備，降低生產成本，獲得盡可能大的經濟效益。生物反應器的設計，包括反應器型式、結構和操作方式的選擇，以及反應器幾何尺寸的確定。生物反應器的設計、優化與放大生物反應器17機械攪拌罐機械攪拌罐18生物反應工程定義課件19

（1）能精確地測量并控制溫度、pH值和溶解氧濃度。（2）氣流攪拌，剪切力小。（3）具有可靠的抗污染密封性能；精密氣體過濾器，能有效而可靠地濾除空氣中雜菌；（4）適用于科研、生產單位的新產品開發、新工藝研究及生物醫藥產品的生產。氣升式發酵罐（1）能精確地測量并控制溫度、pH值和溶解20用于新型基因工程藥物、疫苗及抗體等產品的研究和生產。具有如下特點磁力驅動攪拌裝置；根據流體運動幾何學專門設計的符合動物細胞培養的攪拌漿葉；配置符合動物細胞培養的專用衛生級隔膜閥、取樣閥；具有符合動物細胞培養特點的專用高級軟件包.動物細胞反應器用于新型基因工程藥物、疫苗及抗體等產品的研究和生產。具有21植物細胞反應器植物細胞反應器22

適用于藻類的培養，反應過程中提供了充足的光照，比表面積大。光生物反應器分扁平箱式光培養器（LLS）和圓筒形光培養器（LLG）。扁平箱式光培養器兩側外部窄面是溫度控制循環水夾套，兩側外部寬面內配光源，培養器內有氣流導板，通入空氣使培養液混合均勻。圓筒形光培養器的透明玻璃筒體外裝有人造光源，筒體下部是溫度控制循環水夾套，同時裝備有機械攪拌槳，特別適用于藻細胞濃度較高的培養。光生物反應器適用于藻類的培養，反應過程中提供23膜生物反應器膜生物反應器膜生物反應器膜生物反應器24特別適用于如基因工程菌高密度高表達需要的高供氧、快速均勻升溫等要求，能迅速實現生物技術實驗室成果轉化，也是各高校和研究所用于發酵初步試驗研究的首選裝備。臺式發酵罐特別適用于如基因工程菌高密度高表達需要的高供氧、25大型發酵罐大型發酵罐26國內、外反應器設備公司德國貝朗占中國80%以上的市場瑞士比歐美國NBS韓國日本華東理工大學江蘇理工大學國內、外反應器設備公司德國貝朗占中國80%以上的市場27生物反應器的操作方式：

分批式操作(batchoperation)：是指將新鮮的培養基一次性加入發酵罐中，在適宜的條件下接種后開始培養，培養結束后，將全部發酵液取出的培養方法。連續式操作(continuousoperation)：是指以一定的速率不斷向發酵罐中供給新鮮的培養基，同時等量地排出發酵液，維持發酵罐中液量一定的培養方法。流加式操作(semi-batchoperation)：是指發酵罐中先進行分批培養，之后連續加入培養基質至培養結束，而過程中間不取出發酵液的培養方法。生物反應器的操作方式：分批式操作(batc28平板培養搖瓶試驗發酵罐試驗生物反應器的優化與放大工業生產平板培養搖瓶試驗發酵罐試驗生物反應器的優化與放大工業生產29現代生物反應工程規模低值工業品大型化以規模來取勝（幾十數百噸）。如味精、氨基酸、有機酸、抗生素、飼料、食品工業用產品等；高價值轉基因產品小型化（幾十數百升）。基因工程大腸桿菌、酵母菌高密度培養；動物細胞植物細胞培養；研究中心智能化、全能性。現代生物反應工程規模低值工業品大型化以規模來取勝（幾十數百噸301.4生物反應工程的研究方法

經驗模型：在完全不了解或不考慮過程機理的情況下，僅根據一定條件下的實驗數據進行的數學關聯。

半經驗模型：對過程機理有一