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——生物工程类生物工程类

生物反应工程生物反应工程 Bioreation Bioreation EngineeringEngineering

李敬李敬

第一章 绪论第一章 绪论

1.1 1.1 生物反应工程的研究目的生物反应工程的研究目的1.2 1.2 生物反应工程的发展过程生物反应工程的发展过程1.3 1.3 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容1.4 1.4 生物反应工程的研究方法生物反应工程的研究方法1.5 1.5 思考题思考题

FERMENTATION

生物催化剂- enzyme- microbioass- animal and plant cell

DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatmentby product recovery

生物技术产品生产过程

原材料

1.11.1 生物反应工程的研究目的生物反应工程的研究目的

生物反应工程定义：

以生物反应动力学为基础，研究以生物反应动力学为基础，研究生物反应器的设计、放大和生物反应生物反应器的设计、放大和生物反应过程的优化操作和控制的学科。过程的优化操作和控制的学科。

22 反应工程的用途、作用反应工程的用途、作用 反应动力学反应动力学 反应模式 反应模式 速率方程 速率方程 活化能活化能 反应器的设计与分析反应器的设计与分析 各因素（各因素（ T, P, cT, P, c ）的变化规律）的变化规律 最佳工况最佳工况

研究目的：

提供适宜的动力学方程，以描述微生物（酶、动植物等）反应体系，确定这些方程在设计方面的用途，规划实验室的实验，决定动力学方程所需的速率常数。

一、诞生时期（一、诞生时期（ 2020 世纪世纪 4040 年代）年代） 19471947 年美国的年美国的 MerchMerch 制药厂因在建制药厂因在建立抗生素工业中由于解决了高效通气搅拌立抗生素工业中由于解决了高效通气搅拌技术、无菌空气过滤技术、大型反应器灭技术、无菌空气过滤技术、大型反应器灭菌等一系列工程技术问题，使以青霉素为菌等一系列工程技术问题，使以青霉素为代表的微生物发酵工业进入一个新的发展代表的微生物发酵工业进入一个新的发展阶段，而被授予阶段，而被授予“生化工程专题研究”成“生化工程专题研究”成果奖，果奖，一门反映生物和化学工程交叉的学一门反映生物和化学工程交叉的学科科————生物化学工程诞生，并取得了快速的生物化学工程诞生，并取得了快速的发展。发展。

1.2 生物反应工程的发展过程

二、发展时期（二、发展时期（ 2020 世纪世纪 5050 年代以后）年代以后） 19641964 年，年， AibaAiba 等认为放大是生化等认为放大是生化工程的焦点，与微生物代谢反应紧密相连，工程的焦点，与微生物代谢反应紧密相连，19731973 年，进一步指出，在大规模研究方面，年，进一步指出，在大规模研究方面，应当进一步开展对微生物反应本质的研究。应当进一步开展对微生物反应本质的研究。

19711971 年，英国的年，英国的 AtkinsonAtkinson 首先采首先采用了生物反应工程这一术语，用了生物反应工程这一术语， 19741974 年，年，在他编著的在他编著的《《生物反应器生物反应器》》一书中指出，一书中指出，生物反应工程的目的是描述微生物体系反生物反应工程的目的是描述微生物体系反应动力学的合适表达式，并能够通过实验应动力学的合适表达式，并能够通过实验求出其常数。求出其常数。

19791979 年，日本年，日本山根恒夫山根恒夫《《生物反应生物反应工程工程》》，生物反应工程是一门以速率为基，生物反应工程是一门以速率为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学。过程的合理设计、操作和控制的工程学。

19851985 年，德国学者年，德国学者卡尔卡尔 .. 许格尔许格尔提提出生物反应工程的研究应当包括两个方面，出生物反应工程的研究应当包括两个方面，一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及不同的反应器对生物化学和物它主要涉及不同的反应器对生物化学和物理过程的影响。理过程的影响。

三、新时期（三、新时期（ 2020 世纪世纪 9090 年代）年代） 基因工程技术与生物反应工程技基因工程技术与生物反应工程技术不断的融合，人类基因组计划的完成，术不断的融合，人类基因组计划的完成，后基因组计划的进行，给生物反应工程技后基因组计划的进行，给生物反应工程技术带来新的发展机遇。术带来新的发展机遇。

质粒复制与表达动力学质粒复制与表达动力学 超临界相态下的生物反应超临界相态下的生物反应 界面微生物生长模型界面微生物生长模型 双液相生物反应双液相生物反应

1.31.3 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容 生物反应工程是以工业规模的生物反应过程为主要研究对象，具体研究中要兼顾可操作性，生物反应工程的研究内容为下述 2项，

生物反应动力学 生物反应器的设计、放大与缩小

生物反应动力学生物反应动力学

生物反应动力学主要研究生物反应速率生物反应动力学主要研究生物反应速率和各种因素对反应速率的影响，它是生物和各种因素对反应速率的影响，它是生物反应工程学的理论基础之一，这里所讨论反应工程学的理论基础之一，这里所讨论的生物反应动力学包含两个层次的动力学。的生物反应动力学包含两个层次的动力学。

（（ 11 ）本征动力学，又称微观动力学。）本征动力学，又称微观动力学。 （（ 22 ）宏观动力学，又称反应器动力学。）宏观动力学，又称反应器动力学。

计算反应时间和反应器体积

生物反应过程的分类及其特征生物反应过程的分类及其特征

分类 酶催化反应

单一细胞反应过程

多细胞反应过程

动植物细胞反应体系

反应水平 分子水平 细胞水平 细胞水平 细胞或组织水平

底物数量 1-2 种 若干种 若干种 若干种

产物数量 1-2 种 细胞和若干种代谢产物

若干种菌体和CO2 、 CH4 等

细胞或组织或若干种产

物反应的复杂性 简单 一般 复杂 很复杂

反应速率或生长速率 快 一般 慢 很慢

细胞反应动力学细胞反应动力学

考虑细胞之间有无差别可分为概率论和确定论模型考虑细胞之间有无差别可分为概率论和确定论模型 考虑细胞组成变化可分为结构模型和非结构模型 考虑细胞组成变化可分为结构模型和非结构模型 （（ 11 ）概率论的结构模型）概率论的结构模型 （（ 22 ）概率论的非结构模型）概率论的非结构模型 （（ 33 ）确定论的结构模型）确定论的结构模型 （（ 44 ）确定论的非结构模型）确定论的非结构模型

实际情况

理想情况

化学计量学化学计量学 细胞反应中参与反应的培养基成分多，反应细胞反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂。必须用化学计量学方法来处理，可将反途径复杂。必须用化学计量学方法来处理，可将反应器中细胞的活动用元素的平衡式来表示。应器中细胞的活动用元素的平衡式来表示。 碳源碳源 ++ 氮源氮源 ++ 氧氧 == 菌体菌体 ++ 有机产物有机产物 +CO+CO22+H+H22OO

CHCHmmOOnn+aO+aO22+bNH+bNH33=cCH=cCHxxOOyyNNzz+dCH+dCHuuOOvvNNww

+eH+eH22O+fCO2O+fCO2

C: 1=c+d+fC: 1=c+d+fH: m+3b=cx+ud+2eH: m+3b=cx+ud+2eO: n+2a=cy+vd+e+2fO: n+2a=cy+vd+e+2fN: b=zc+wdN: b=zc+wd

得率系数得率系数

研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律，研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律，常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价。例如：的潜力进行定量评价。例如：

细胞得率 细胞得率 Yx/c=Yx/c=

S

X

消耗基质的质量生成细胞的质量

生物反应器的设计、优化与放大生物反应器的设计、优化与放大

生物反应器是使生物技术转化生物反应器是使生物技术转化为产品生产力的关键设备，使用高效率生为产品生产力的关键设备，使用高效率生物反应器的目的是提高产品生成速率，减物反应器的目的是提高产品生成速率，减少有关辅助设备，降低生产成本，获得尽少有关辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大的经济效益。可能大的经济效益。

生物反应器的设计，包括反应器型生物反应器的设计，包括反应器型式、结构和操作方式的选择，以及反应器式、结构和操作方式的选择，以及反应器几何尺寸的确定。几何尺寸的确定。

机械搅拌罐

（（ 11 ）能精确地测量并控制温）能精确地测量并控制温度、 度、 pH pH 值和溶解氧浓度。值和溶解氧浓度。

（（ 22 ）气流搅拌，剪切力小。）气流搅拌，剪切力小。

（（ 33 ）具有可靠的抗污染密）具有可靠的抗污染密封性能；精密气体过滤器，能封性能；精密气体过滤器，能有效而可靠地滤除空气中杂菌；有效而可靠地滤除空气中杂菌；

（（ 44 ）适用于科研、生产单）适用于科研、生产单位的新产品开发、新工艺研究位的新产品开发、新工艺研究及生物医药产品的生产。及生物医药产品的生产。

气升式发酵罐

用于新型基因工程药物、疫用于新型基因工程药物、疫苗及抗体等产品的研究和生产。苗及抗体等产品的研究和生产。具有如下特点 具有如下特点

磁力驱动搅拌装置；磁力驱动搅拌装置； 根据流体运动几何学专根据流体运动几何学专

门设计的符合动物细胞培养的门设计的符合动物细胞培养的搅拌浆叶； 搅拌浆叶；

配置符合动物细胞培养配置符合动物细胞培养的专用卫生级隔膜阀、取样阀；的专用卫生级隔膜阀、取样阀；

具有符合动物细胞培养具有符合动物细胞培养特点的专用高级软件包特点的专用高级软件包 ..

动物细胞反应器

植物细胞反应器

适用于藻类的培养，反应适用于藻类的培养，反应过程中提供了充足的光照，比过程中提供了充足的光照，比表面积大。光生物反应器分扁表面积大。光生物反应器分扁平箱式光培养器（ 平箱式光培养器（ LLS LLS ））和圆筒形光培养器（ 和圆筒形光培养器（ LLGLLG ）。扁平箱式光培养器两侧）。扁平箱式光培养器两侧外部窄面是温度控制循环水夹外部窄面是温度控制循环水夹套，两侧外部宽面内配光源，套，两侧外部宽面内配光源，培养器内有气流导板，通入空培养器内有气流导板，通入空气使培养液混合均匀。圆筒形气使培养液混合均匀。圆筒形光培养器的透明玻璃筒体外装光培养器的透明玻璃筒体外装有人造光源，筒体下部是温度有人造光源，筒体下部是温度控制循环水夹套，同时装备有控制循环水夹套，同时装备有机械搅拌桨，特别适用于藻细机械搅拌桨，特别适用于藻细胞浓度较高的培养。 胞浓度较高的培养。

光生物反应器

膜生物反应器膜生物反应器

膜生物反应器

特别适用于如基因工程菌高密度高表达需要特别适用于如基因工程菌高密度高表达需要的高供氧、快速均匀升温等要求，能迅速实现生的高供氧、快速均匀升温等要求，能迅速实现生物技术实验室成果转化，也是各高校和研究所用物技术实验室成果转化，也是各高校和研究所用于发酵初步试验研究的首选装备。 于发酵初步试验研究的首选装备。

台式发酵罐

大型发酵罐

国内、外反应器设备公司国内、外反应器设备公司 德国贝朗 占中国德国贝朗 占中国 80%80% 以上的市场以上的市场 瑞士比欧 瑞士比欧 美国美国 NBS NBS 韩国 韩国 日本 日本 华东理工大学 华东理工大学 江苏理工大学江苏理工大学

生物反应器的操作方式：生物反应器的操作方式： 分批式操作分批式操作 (batch operation)(batch operation) ：：是指将新鲜的培是指将新鲜的培

养基一次性加入发酵罐中，在适宜的条件下接种养基一次性加入发酵罐中，在适宜的条件下接种后开始培养，培养结束后，将全部发酵液取出的后开始培养，培养结束后，将全部发酵液取出的培养方法。培养方法。

连续式操作连续式操作 (continuous operation)(continuous operation) ：：是指以一是指以一定的速率不断向发酵罐中供给新鲜的培养基，同定的速率不断向发酵罐中供给新鲜的培养基，同时等量地排出发酵液，维持发酵罐中液量一定的时等量地排出发酵液，维持发酵罐中液量一定的培养方法。培养方法。

流加式操作流加式操作 (semi-batch operation)(semi-batch operation) ：：是指发酵是指发酵罐中先进行分批培养，之后连续加入培养基质至罐中先进行分批培养，之后连续加入培养基质至培养结束，而过程中间不取出发酵液的培养方法。培养结束，而过程中间不取出发酵液的培养方法。

平板培养

摇瓶试验 发酵罐试验

生物反应器的优化与放大生物反应器的优化与放大

工业生产

现代生物反应工程规模现代生物反应工程规模

低值工业品大型化以规模来取胜（几十数低值工业品大型化以规模来取胜（几十数百吨）。如味精、氨基酸、有机酸、抗生百吨）。如味精、氨基酸、有机酸、抗生素、饲料、食品工业用产品等； 素、饲料、食品工业用产品等；

高价值转基因产品小型化（几十数百升）。高价值转基因产品小型化（几十数百升）。基因工程大肠杆菌、酵母菌高密度培养；基因工程大肠杆菌、酵母菌高密度培养；动物细胞植物细胞培养； 动物细胞植物细胞培养；

研究中心智能化、全能性研究中心智能化、全能性。 。

1.41.4 生物反应工程的研究方法生物反应工程的研究方法

经验模型：经验模型：在完全不了解或不考虑过程机在完全不了解或不考虑过程机理的情况下，仅根据 一定条件下的实验数理的情况下，仅根据 一定条件下的实验数据进行的数学关联。据进行的数学关联。

半经验模型：半经验模型：对过程机理有一定了解基础对过程机理有一定了解基础上结合经验数据得到。 上结合经验数据得到。

数学模型：数学模型：应用数学语言来表述生物反应应用数学语言来表述生物反应过程中各个变量之间的关系。过程中各个变量之间的关系。

一、反应过程的适当减化一、反应过程的适当减化二、定量化研究二、定量化研究三、过程分离原理三、过程分离原理四、数学模型的建立四、数学模型的建立

建立数学模型法的步骤

1.51.5 思考题：思考题：

1.1. 生物反应工程包括哪两个重要内容的研究？生物反应工程包括哪两个重要内容的研究？2.2. 生物反应动力学包含哪两个层次的动力学？生物反应动力学包含哪两个层次的动力学？