生物反应工程-绪论本科PPT课件
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生物反应工程课件
广义的酸碱催化；共价催化；邻近及定向效应；扭曲变形和构象变化效 应；多元催化与协同效应。
酶是生物为提高其生化反应效率而产生的生物催化 剂。国际生物化学协会（IUB）根据催化反应的类 型，可将酶分为六大类：即氧、转、水、裂、异、 合。
补充讲解
化学反应分类： 基元反应——由反应物一步生成产物的反应，没有可由宏
+ CS
Cp)
1.2简单的酶催化反应动力学
例
1.2简单的酶催化反应动力学
1.2.3 参数的求取
rmax 和Km是M-M方程中两个重要的动力学 参数，必须在动力学实验的基础上，经过 适宜的数据处理，才能求取。
1.2简单的酶催化反应动力学
双倒数法(Linewear Burk): 对米氏方程两侧取倒数，得 线1r = 斜rm1ax率+ rKm为max C1SrKmam,x以，1r截~ 距C1S 为作图rm1ax，,得根一据直直线线，斜直率 和截距可计算出Km和rmax。
1.2简单的酶催化反应动力学
积分作图法：
rs = rmaxCS
积分
Km + CS
通过动力学实验，测出Cs～t系列数据，代 入式子，通过线性作图求得动力学参数
1.2简单的酶催化反应动力学
例题
1-1 某酶催化反应，分别在两个不同的初始酶浓度 （CE01=0.015g/L,CE02=0.00875g/L)下进行，得到不 同初始底物浓度时代反应初始速率数据，见列表。试 用H-W作图法求Km，rmax，k+2
观实验方法探测到的中间产物 复合反应——由两个以上的基元反应组合而成的反应。组 合的方式或先后次序成为反应机理
反应速率方程（动力学方程） 在其它因素固定不变的条件下，定量描述各种物质的浓
酶是生物为提高其生化反应效率而产生的生物催化 剂。国际生物化学协会（IUB）根据催化反应的类 型，可将酶分为六大类：即氧、转、水、裂、异、 合。
补充讲解
化学反应分类： 基元反应——由反应物一步生成产物的反应，没有可由宏
+ CS
Cp)
1.2简单的酶催化反应动力学
例
1.2简单的酶催化反应动力学
1.2.3 参数的求取
rmax 和Km是M-M方程中两个重要的动力学 参数，必须在动力学实验的基础上，经过 适宜的数据处理，才能求取。
1.2简单的酶催化反应动力学
双倒数法(Linewear Burk): 对米氏方程两侧取倒数，得 线1r = 斜rm1ax率+ rKm为max C1SrKmam,x以，1r截~ 距C1S 为作图rm1ax，,得根一据直直线线，斜直率 和截距可计算出Km和rmax。
1.2简单的酶催化反应动力学
积分作图法：
rs = rmaxCS
积分
Km + CS
通过动力学实验，测出Cs～t系列数据，代 入式子，通过线性作图求得动力学参数
1.2简单的酶催化反应动力学
例题
1-1 某酶催化反应，分别在两个不同的初始酶浓度 （CE01=0.015g/L,CE02=0.00875g/L)下进行，得到不 同初始底物浓度时代反应初始速率数据，见列表。试 用H-W作图法求Km，rmax，k+2
观实验方法探测到的中间产物 复合反应——由两个以上的基元反应组合而成的反应。组 合的方式或先后次序成为反应机理
反应速率方程（动力学方程） 在其它因素固定不变的条件下，定量描述各种物质的浓
生物反应工程原理ppt课件
+ 我国正在实行的高技术：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）的研究内容：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
多学科、多技术的结合 生物作用剂（生物催化剂）的参与 目的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)
+ 一、生物反应工程的定义与特点 + 二、生物反应工程学科的形成与发展 + 三、生物反应工程研究的目的 + 四、生物反应工程研究的内容与方法 + 五、举例 + 六、本课程参考书目及相关要求
2
一、生物反应工程的定义与特点 The Definition and Characteristics of Bioreaction Engineering
6
步骤：（1）合成：构建重组菌株以提高细胞特性;（2）分析：对重组 菌株进行分析，特别是对照出发菌株的属性进行分析;（3）设计：设 计代谢工程方案（Nielsen 2001）。
7
Technology
+ “个别的学问 knowledge of individuation”， 解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁 而变化。
22
23
+ 1857年巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由活 酵母引起的。1859年，首次证明乙醇发酵机理。
24
+ 第一次～第二次世界大战：深层培养技术、 无菌空气制备技术的建立——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。
弗莱明(1881～1995) 英国细菌学家
+ 生物技术（工程）的研究内容：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；
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多学科、多技术的结合 生物作用剂（生物催化剂）的参与 目的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)
+ 一、生物反应工程的定义与特点 + 二、生物反应工程学科的形成与发展 + 三、生物反应工程研究的目的 + 四、生物反应工程研究的内容与方法 + 五、举例 + 六、本课程参考书目及相关要求
2
一、生物反应工程的定义与特点 The Definition and Characteristics of Bioreaction Engineering
6
步骤：（1）合成：构建重组菌株以提高细胞特性;（2）分析：对重组 菌株进行分析，特别是对照出发菌株的属性进行分析;（3）设计：设 计代谢工程方案（Nielsen 2001）。
7
Technology
+ “个别的学问 knowledge of individuation”， 解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁 而变化。
22
23
+ 1857年巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由活 酵母引起的。1859年，首次证明乙醇发酵机理。
24
+ 第一次～第二次世界大战：深层培养技术、 无菌空气制备技术的建立——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。
弗莱明(1881～1995) 英国细菌学家
生物反应工程原理
第一章生物工程导论1.生化反应工程的概念以生物反应动力学为基础，利用化学工程方法研究生物反应过程的一门学科。
2.生化反应工程研究对象研究生物反应动力学反应器设计3.生化反应特点优点：反应条件温和设备简单同一设备进行多种反应通过改良菌种提高产量缺点：产物浓度低，提取难度大废水中的COD和BOD较高前期准备工作量大菌种易变异，容易染杂菌4.生化反应动力学本征动力学：又称微观动力学，生化反应所固有的速率没有物料传递等工程因素影响。
反应器动力力学：宏观动力学，在反应器内所观察到的反应速率是总速率考虑。
5.生化工程研究中的数学模型结构模型：由过程机理出发推导得出半结构模型：了解一定机理结合实验数据经验模型：对实验数据的一种关联第二章生物反应工程的生物学与工程基础1.因次：导出单位，也称量纲。
2.红制及基本单位密度比容气体密度压力第三章微生物反应计量学教材p53-641.反应计量学：对反应物组成及转化程度的数量化研究2.得率系数与维持因数：得率系数：细胞生成量与基质消耗量的比值维持因数：单位质量细胞进行维持代谢时所消耗的基质。
3.细胞组成表达式及元素衡算方程细胞组成表达式CH1-8O0.5N0.2元素衡算方程CHmOn+aO2+bNH3=CCH2O3Nr+d H2O +e CO24.得率系数与计量系数关系当细胞反应是细胞外产物的简单反应时，得率系数与计量系数关系如下：5．呼吸商：二氧化碳产生速率与氧气消耗速率之比6.实例计算第四章均相酶反应动力学（教材P8-10,26-38）1．酶活力表达方法及催化特性催化特性：酶具有很强的专一性较高的催化效率反应条件温和易失活，温热，氧化失活2.了解反应速率方程的几种形式零级反应：反应速率与底物浓度零次方成正比一级反应：反应速率与底物浓度一次方成正比二级反应：反应速率与浓度二次方成正比连锁酶促反应：3.米式方程快速平衡和拟稳态三点假设4.米式方程推导5.M-M方程与B-M方程比较6.酶反应一级动力学表达式及计算7.动力学常数Km与Vm的求取8.影响酶反应速率的因素：底物浓度酶浓度产物浓度PH值温度激活剂抑制剂9.竞争性、非竞争性、和反竞争性抑制的概念及动力学表达式竞争性：抑制剂为底物类似物，酶结合位点结合阻碍底物一般可逆非竞争性：抑制剂与酶活性位点以外结合，不影响底物的结合，最终可形成三联复合物反竞争性：抑制剂不与游离酶结合，但与复合物ES结合形成三联复合物10.酶失活动力学模型及测定方法第五章固定化酶与固定化细胞（教材P15-17,39-46）1.固定化酶、细胞制备方法与特点固定化细胞：物理化学手段将细胞限制哎一定空间保持活性并连续使用2.固定化酶与游离酶区别3.评价固定化酶生物催化剂指标固定化酶活力偶联率及相对活力4.固定化酶促反应动力学本征速率及本征动力学代表酶的真实特性；固定化酶催化反应速率受扩散和传质影响；所测速率是宏观有效反应速率和游离酶不同。
《生物反应工程》PPT课件
它是利用微生物（往往是一群不同种类的）本身的分解能力和净化 能力，除去废水中污浊物质的过程。
本课程重点讨论酶催化反应过程和细胞反应过程。
生物反应工程的研究对象和内容
研究对象：各种各样的实际生物反应器。 研究涉及两个方面： 1. 反应器的设计: 根据生产和处理任务要求，设计一个新的反器。 2. 反应器的优化: 对一现有反应器，通过优化使其生产处理能力最
摇瓶
典型生物反应过程
将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的 工艺过程称为生物反应过程。
典型的生物反应过程：
包括四个部分：(1)原材料的预处理。(2)生物催化剂的制备。 (3) 生化反应器及反应条件的选择与监控。 (4)产物的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心。而分别把反应前与后称为上 游加工和下游加工。
应环境以达到反应较好进行的目的。因此，反应器的确结构、操作方式和条 件对反应原料的转化率、产品的质量和成本有着密切关系。同时反应参数的 检测和控制对反应的顺利进行也是十分重要的。
产物的分离纯化： 用适当的方法和手段将一定含量的目的产物从反应液中提取出来并加以
精制以达到规定的质量要求。
返回
生物反应过程的分类
生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。例如对 酶催化反应，反应动力学可表达为分子水平动力学；对微生物发酵反应， 其动力学可在细胞水乎上来表达，对废水的生物处理，则可表达为群体 动力学。每一表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力 学处理方法。
生物反应器的研究内容：
(1)生物反应器中的传递特性。传递特性即传质、传热及动量。这些传递特 性将影响到反应器内基质和产物的浓度分布及温度分布，进而影响到反应器 内某一组分的反应运率。例如氧在发酵液中的传质速率，固定化酶颖粒及菌 丝团和菌体絮状物内反应组分的扩散传质，这些传质速率对反应结果都会产 生一定的影响，甚至成了反应过程的控制步骤。这些传递因素最终将影响到 反应器的设计和放大。
本课程重点讨论酶催化反应过程和细胞反应过程。
生物反应工程的研究对象和内容
研究对象：各种各样的实际生物反应器。 研究涉及两个方面： 1. 反应器的设计: 根据生产和处理任务要求，设计一个新的反器。 2. 反应器的优化: 对一现有反应器，通过优化使其生产处理能力最
摇瓶
典型生物反应过程
将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的 工艺过程称为生物反应过程。
典型的生物反应过程：
包括四个部分：(1)原材料的预处理。(2)生物催化剂的制备。 (3) 生化反应器及反应条件的选择与监控。 (4)产物的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心。而分别把反应前与后称为上 游加工和下游加工。
应环境以达到反应较好进行的目的。因此，反应器的确结构、操作方式和条 件对反应原料的转化率、产品的质量和成本有着密切关系。同时反应参数的 检测和控制对反应的顺利进行也是十分重要的。
产物的分离纯化： 用适当的方法和手段将一定含量的目的产物从反应液中提取出来并加以
精制以达到规定的质量要求。
返回
生物反应过程的分类
生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。例如对 酶催化反应，反应动力学可表达为分子水平动力学；对微生物发酵反应， 其动力学可在细胞水乎上来表达，对废水的生物处理，则可表达为群体 动力学。每一表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力 学处理方法。
生物反应器的研究内容：
(1)生物反应器中的传递特性。传递特性即传质、传热及动量。这些传递特 性将影响到反应器内基质和产物的浓度分布及温度分布，进而影响到反应器 内某一组分的反应运率。例如氧在发酵液中的传质速率，固定化酶颖粒及菌 丝团和菌体絮状物内反应组分的扩散传质，这些传质速率对反应结果都会产 生一定的影响，甚至成了反应过程的控制步骤。这些传递因素最终将影响到 反应器的设计和放大。
微生物反应动力学生物反应工程课件共讲详解演示文稿
• 式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保 持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干细胞 的燃烧热 ，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的 燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值 为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为 0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的 YKJ约等于0.002 g细胞/kJ。
真菌、藻类和原生动物等。
第3页，共53页。
分 类 ： 界 （ Kingdom ） 、 门 （ Phylum ） 、 纲 （ Class ） 、 目 （ Order ） 、 科 （ Family ） 、 属 （Genus）、种（Species）。
种 以 下 有 变 种 （ Variety ） 、 型 （Form）、品系（Strain）等。
第22页，共53页。
不足： 1、副产物的产生不可避免。 2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度； 3、原料是农副产品，受价格变动影响大； 4、产前准备工作量大，相对化学反应器而言， 反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了 生产成本，且氧的利用率不高； 5、废水有较高BOD值。
第23页，共53页。
第29页，共53页。
• 当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一 部分被同化（assimilate or anabolism）为细胞的组成 成分，其余部分被异化（dissimilate or catabolism）分 解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看， 与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示
微生物反应动力学生物反应工程课件 共讲详解演示文稿
第1页，共53页。
（优选）微生物反应动力学生物反应 工程课件共讲
第2页，共53页。
生物反应工程-PPT课件
1.3生物反应工程
1.3.1 定义：研究生物反应动力学，反应器的 结构、设计、放大以及反应器优化的一个重要 学科。 实质：生物反应过程中带有共性的工程技术问 题的学科。
如何从生物现象中抽象出共性的内容
从宏观看 以获得生物量为目的： 生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境因 素、操作条件等） 以获得目的产物为目的：
生物反应工程与相关学科的关系
1.4生物反应工程的研究方法
数学模型法——用数学语言表达生物法反应过 程中各个变量之间的关系。 不能替代实验研究。 方法——机理模型或结构模型既过程机理出发推 倒的。 --------可外推使用半经验模型\ 经验模型 经验法
参考资料
国外 1975年日本学者合叶修一等《生物化学工程---反应动力学》 1979年日本学者山根恒夫《生物反应工程》 1985年德国学者许盖特（Schugerl）《生物反应工程》 1993年日本学者川濑义矩《生物反应工程基础》 1994（02）年丹麦学者Nielsen 等《生物反应工程原理》 国内 《生物反应工程原理》（ 1990 和 2019 天津科技大学贾士儒） 《生物工艺学》（1992华东理工大学俞俊棠等） 《生化工程》（1993江南大学伦世仪） 《生化反应动力学与反应器》（2019北京化工大学戚以政等） 《生物反应工程》（2019戚以政等） 《生物反应工程》 2019浙江大学岑沛林等） 《生物反应工程》（2019清华大学邢新会译）
A.
生物反应动力学
动力学——研究工业生产中生物反应速率问题；影响 生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结 果。 本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力系学）
生物反应工程-化学反应工程
得率系数
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 的潜力进行定量评价。例如：
生成细胞的质量 X 细胞得率 Yx/c= 消耗基质的质量 S
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，减少有关 辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大 的经济效益。
2 反应工程的用途、作用
反应动力学
反应模式 速率方程 活化能
反应器的设计与分析
各因素（T, P, c）的变化规律 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。
1.2生物反应工程的发展过程
21世纪高等院校 —生物工程类
生物反应工程
Bioreation Engineering
李敬
第一章 绪论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 生物反应工程的研究目的 生物反应工程的发展过程 生物反应工程的主要内容 生物反应工程的研究方法 思考题
1.1生物反应工程的研究目的
生物技术产品生产过程
生物催化剂 - enzyme - microbioass - animal and plant cell
1979年，日本山根恒夫《生物反应工 程》，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过程 的合理设计、操作和控制的工程学。 1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生 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 理过程的影响。
生物反应工程chap2enzyme1PPT课件精选全文完整版
Mg, Zn, Mn, Fe
Coenzyme: a complex organic molecule:
NAD, FAD, CoA, some vitamins
03:22
Enzyme
5
➢ Nomenclature
Enzymes are named by adding the suffix –ase to the:
k Ae Ea RT
We have,
Eaa 2
Ae RT
exp(7000 /(2 293)) 108 exp(18000 /(2 293))
03:22
Enzyme
4
The interaction between the enzyme and its substrate——weak force:
End of the substrate
Such as urease
The reaction catalyzed
Such as alcohol dehydrogenase
Enzymes using familiar names:
Pepsin in the digestive tract Trypsin in the digestive tract Rennin used in cheese making “Old yellow”, which caused browning of sliced apples
Chapter 2 Enzymes
Lysozyme
Reduced DsbA from E. coli
§2.1 Introduction
➢ Definition
Enzymes are usually proteins of high molecular weight (15,000 < MW < several million Daltons) that act as catalysts.
生物反应工程ppt课件
19
• (2)温度
• 在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的 上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利 影响，如温度继续提高，细胞功能急剧下降，以至死亡。 各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温 度，并且，最适、最高和最低温度会因环境条件变化而变 化。
微生物细胞生长繁殖的温度范围
35
生物反应器
生物反应器的特点：
• （1）生物(酶除外)反应都以“自催化”方式进行 ，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁 殖
• （2）由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积 反应速率不高；
• （3）与其他相当生产规模的加工过程相比，所需 反应器体积大；
• （4）对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ；产物浓度低。
7
酶的稳定性
引起酶失活的原因： （1）酶活性中心特定氨基酸(或其他)残基被
化学修饰； （2）外部环境的影响，酶活性中心出现空间
障碍，使其不能与底物相结合； （3）酶的高级结构发生变化，相对而言是一
种宏观变化； （4）多肽链的断裂，可以说是一种“激烈的
分解作用”。
8
确保酶活力稳定的主要方法
9
酶的固定化技术
酶的固定化技术就是将水溶性酶分子通过一定的 方式。如静电吸附、共价键等与载体，如角叉菜 胶、离子交换树脂等材料结合，制成固相酶．即 固定化酶的技术。
10
酶或多酶复合体系固定化后引起酶性质 改变的原因
• 一是：酶自身的变化—活性中心的氨基酸 残基、空间结构和电荷状态发生了变化；
• 二是：载体理化性质的影响—固定化酶的 周围形成了能对底物传递产生影响的应器设计的基本原理
生物反应器的设计原理是基于强化传质、传热等操作，将 生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。生物反 应器选型与设计的要点：
• (2)温度
• 在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的 上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利 影响，如温度继续提高，细胞功能急剧下降，以至死亡。 各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温 度，并且，最适、最高和最低温度会因环境条件变化而变 化。
微生物细胞生长繁殖的温度范围
35
生物反应器
生物反应器的特点：
• （1）生物(酶除外)反应都以“自催化”方式进行 ，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁 殖
• （2）由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积 反应速率不高；
• （3）与其他相当生产规模的加工过程相比，所需 反应器体积大；
• （4）对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ；产物浓度低。
7
酶的稳定性
引起酶失活的原因： （1）酶活性中心特定氨基酸(或其他)残基被
化学修饰； （2）外部环境的影响，酶活性中心出现空间
障碍，使其不能与底物相结合； （3）酶的高级结构发生变化，相对而言是一
种宏观变化； （4）多肽链的断裂，可以说是一种“激烈的
分解作用”。
8
确保酶活力稳定的主要方法
9
酶的固定化技术
酶的固定化技术就是将水溶性酶分子通过一定的 方式。如静电吸附、共价键等与载体，如角叉菜 胶、离子交换树脂等材料结合，制成固相酶．即 固定化酶的技术。
10
酶或多酶复合体系固定化后引起酶性质 改变的原因
• 一是：酶自身的变化—活性中心的氨基酸 残基、空间结构和电荷状态发生了变化；
• 二是：载体理化性质的影响—固定化酶的 周围形成了能对底物传递产生影响的应器设计的基本原理
生物反应器的设计原理是基于强化传质、传热等操作，将 生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。生物反 应器选型与设计的要点：
生物反应工程基础1_PPT幻灯片
1
• 1857年巴斯德 （Pasteur）证明酒精 发酵是由活酵母引起的
2
20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。 • 20世纪后期（1970～80年）生物反应工程 学科的形成。英国学者阿特金逊（1971） 首次提出生化反应工程……。 • 20世纪90年代基因工程与生物反应工程不 断融合、发展。
农业生物技术的发展
1983年转基因植物问世 ,1986年被批准进入田间试验 ,根据美 国农业部动植物检疫局 (APHIS)的数据 ,1997年 1月 31日 , 美国已批准的转基因植物田间试验达 2500多例。
转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病的甜菜， 抗腐能力强、耐贮性高的番茄
16世纪中， Robert Hooke发明显微镜。 17世纪末， Antoine van Leeuwenhoek
对于fungi, bacteria and protozoa等进行 了最早的纪录和描述。 微生物真正的突破在19世纪： o Louis Pasteur 纯种发酵 一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始： 乙醇, 乳酸, 丙酮，...
生物材料
PHAs、聚L-乳酸、壳聚糖
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
生物化学品 丙烯酰胺、手性药物前体、1，3－丙二醇
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
能源类
乙醇、甲醇、丁醇、生物柴油（脂肪酸甲酯）、甲烷、氢气
8
1.生物技术的第一阶段－－从艺术到科学
9
2. 生物技术的第二阶段－－工程化的过程
Alexander Fleming(1928)发现Staphylococcus 培养受到Penicillium notatum的抑制
• 1857年巴斯德 （Pasteur）证明酒精 发酵是由活酵母引起的
2
20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。 • 20世纪后期（1970～80年）生物反应工程 学科的形成。英国学者阿特金逊（1971） 首次提出生化反应工程……。 • 20世纪90年代基因工程与生物反应工程不 断融合、发展。
农业生物技术的发展
1983年转基因植物问世 ,1986年被批准进入田间试验 ,根据美 国农业部动植物检疫局 (APHIS)的数据 ,1997年 1月 31日 , 美国已批准的转基因植物田间试验达 2500多例。
转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病的甜菜， 抗腐能力强、耐贮性高的番茄
16世纪中， Robert Hooke发明显微镜。 17世纪末， Antoine van Leeuwenhoek
对于fungi, bacteria and protozoa等进行 了最早的纪录和描述。 微生物真正的突破在19世纪： o Louis Pasteur 纯种发酵 一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始： 乙醇, 乳酸, 丙酮，...
生物材料
PHAs、聚L-乳酸、壳聚糖
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
生物化学品 丙烯酰胺、手性药物前体、1，3－丙二醇
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能源类
乙醇、甲醇、丁醇、生物柴油（脂肪酸甲酯）、甲烷、氢气
8
1.生物技术的第一阶段－－从艺术到科学
9
2. 生物技术的第二阶段－－工程化的过程
Alexander Fleming(1928)发现Staphylococcus 培养受到Penicillium notatum的抑制
《生物反应工程》课件
04
生物反应工程的应用实例
生物燃料的生产
生物燃料的生产是生物反应工程的重要应用之一。通过利用 微生物或酶，将植物油、废弃油脂、二氧化碳等转化为可再 生能源，如生物柴油和生物乙醇。
生物燃料的生产有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气 体排放，并促进可持续能源的发展。
生物塑料的生产
生物塑料是利用生物反应工程生产的 可降解塑料，具有环保、可持续的优 点。
农药的生产等。
生物反应工程的重要性
提高生产效率
通过优化生物反应过程， 可以提高生产效率，降低
生产成本。
保护环境
优化生物反应过程可以减 少废物的产生，降低对环
境的污染。
促进可持续发展
生物反应工程的进步有助 于推动可持续发展，促进 人类社会与自然环境的和
谐共生。
02
生物反应工程的基本原理
生物反应工程的基本原理
酶的生产和应用
酶是生物反应工程中的关键物质，具 有高效催化的特点。
通过微生物培养或酶的提取，可以生 产出各种酶，用于催化各种化学反应 ，如水解、酯化、氧化还原等。酶在 制药、化工、食品等领域有广泛应用 。
05
生物反应工程的未来发展
提高生物反应的效率
优化微生物菌种
通过基因工程技术对微生物菌种 进行改良，提高其代谢效率和产 物产量。
节能减排
研究节能减排技术，降低 生物反应过程中的能耗和 排放，减少对环境的负面 影响。
绿色生产
研究绿色生产技术，减少 对原材料和能源的消耗， 降低生产过程中的环境污 染，实现可持续发展。
谢谢您的聆听
THANKS
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生物反应工程原理 PPT课件
第九章 生物反应工程原理
9.1 概述
生物反应工程研究的目的
生物反应过程的特征在于有生物催化剂参与反应。与化学反应相比，生物反 应所需的条件比较温和、反应速率有时比化学反应过程慢得多；反应的复杂 性有时难以预计等。自然界中的生物现象可以说是千变万化，但是其中起主 导作用的便是生物催化反应。微生物的生长繁殖，细胞个数增加，形态不断 变化，这些可以用微生物的生长速率来描述。
rP (rS )
k cat e[S ] rP,max [S ] K S [S ] K S [S ]
（9-12）
式中：rS——底物的消耗速率(负号表示减少)； rP——产物的生成速率； KS——平衡常数KS=k-1/k+1，其又称饱和常数(saturationconstant)。 利用稳态法求解(9-12)式，在这段时间里，生成速率与消耗速率相等， 达到动态平衡，即所谓“稳态”。基于此，可获得如下米氏方程：
9.2 酶促反应动力学
酶和细胞的固定化技术
固定化技术是针对在实际应用中，无论采用何种操作方式，酶都 难以回收利用的问题而研究开发的新技术。 酶的固定化会引起酶性质的改变。主要表现在： ① 底物专一性的改变 由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化后的酶分子，使酶的 底物特异性发生变化，导致底物专一性改变。 ② 稳定性增强 一般来说，固定化酶比游离酶的稳定性好，主要表现在热稳定性、保 存和使用稳定性的增加。 ③ 动力学常数的变化 米氏常数的减小，对固定化酶的实际应用是很有利的，可保证反应进 行得更完全。固定化酶的催化反应中，若有扩散阻力，则表观米氏常 数变大。
kcat e[S ] rP,max [S ] rP (rS ) K m [S ] K m [S ]
式中：Km——米氏常数，mol／L，
9.1 概述
生物反应工程研究的目的
生物反应过程的特征在于有生物催化剂参与反应。与化学反应相比，生物反 应所需的条件比较温和、反应速率有时比化学反应过程慢得多；反应的复杂 性有时难以预计等。自然界中的生物现象可以说是千变万化，但是其中起主 导作用的便是生物催化反应。微生物的生长繁殖，细胞个数增加，形态不断 变化，这些可以用微生物的生长速率来描述。
rP (rS )
k cat e[S ] rP,max [S ] K S [S ] K S [S ]
（9-12）
式中：rS——底物的消耗速率(负号表示减少)； rP——产物的生成速率； KS——平衡常数KS=k-1/k+1，其又称饱和常数(saturationconstant)。 利用稳态法求解(9-12)式，在这段时间里，生成速率与消耗速率相等， 达到动态平衡，即所谓“稳态”。基于此，可获得如下米氏方程：
9.2 酶促反应动力学
酶和细胞的固定化技术
固定化技术是针对在实际应用中，无论采用何种操作方式，酶都 难以回收利用的问题而研究开发的新技术。 酶的固定化会引起酶性质的改变。主要表现在： ① 底物专一性的改变 由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化后的酶分子，使酶的 底物特异性发生变化，导致底物专一性改变。 ② 稳定性增强 一般来说，固定化酶比游离酶的稳定性好，主要表现在热稳定性、保 存和使用稳定性的增加。 ③ 动力学常数的变化 米氏常数的减小，对固定化酶的实际应用是很有利的，可保证反应进 行得更完全。固定化酶的催化反应中，若有扩散阻力，则表观米氏常 数变大。
kcat e[S ] rP,max [S ] rP (rS ) K m [S ] K m [S ]
式中：Km——米氏常数，mol／L，
生物反应工程-绪论本科PPT课件
研究生物反应过程的速率及其影响因素
包括两个层次
本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力学）
传递因素
-
22
生物反应过程动力学的几个方面
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
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。 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。 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。
生物学
工程学
生物化工 (生物反应工程)
化学
-
9
The Story of Penicillin
Alexander Fleming
-
10
Penicillin Inhibits the Bacterial Growth
-
11
-
12
More Penicillin = More Life Survived
考试权重：
平时 30 %； 期末考试 70 %； （闭卷考试）
-
2
各章学时分配
总学时 46
绪论：2 第一章 酶催化反应动力学：8 第二章 细胞反应动力学：8 第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学：6 第四章 生物反应器的操作模型：6 第五章 生物反应器的传递特性 6 第六章 生物反应器的混合特性 4 第七章 生物反应器的设计与放大 6
40年代的青霉素 工厂
One of the first Penicillin factories
Terre Haute Indiana
June 1944
生物反应工程绪论
1-1 生物反应工程的定义 生物现象
1-1 生物反应工程的定义
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， 研究生物反应过程中带有共性的工程技术问 题的课程(或学科)。
生物反应过程
共性的工程技术问题
1-2 学习的目的
虽然这些复杂的生物反应过程有时还难以进行综合研究， 但各个过程都贯穿着以“速率”为其核心内容。
第一章 绪论
第一章 绪论
1. Definition of Bioreaction Engineering 定义
2. Objective
目的
3. The Evolution of Bioreaction Engineering
生物反应工程的历史沿革
4. Content and Method
内容与方法
1-3 生物反应工程学科的历史沿革
当前，生物技术的发展已影响到人类的生活以及 工农业、医学卫生、食品、能源、环保等各个领域， 其也成为人们确保人类生活的可持续发展所期望的主 要方法（或手段）之一。当然，其也给生物反应工程 学科的发展提供了机遇。
随着人类基因组计划的完成，后基因组计划的进 行，各种组学也在进行，例如：基因组功能学，蛋白 质组学，脂质组学等等。之所以各类组学能够大行其 道，关键是人们已经认识到细胞完整性的重要性。
步骤： 1）合成：构建重组菌株以 提高细胞特性; 2）分析：对重组菌株进行 分析，特别是对照出发菌 株的属性进行分析; 3）设计：设计代谢工程方 案。
1-2 学习的目的
Elementary Knowledge
1-3 生物反应工程学科的历史沿革
生物反应工程学科是随着生物技术的发展而逐步 形成的。史前，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。
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考试权重：
平时 30 %； 期末考试 70 %； （闭卷考试）
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各章学时分配
总学时 46
绪论：2 第一章 酶催化反应动力学：8 第二章 细胞反应动力学：8 第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学：6 第四章 生物反应器的操作模型：6 第五章 生物反应器的传递特性 6 第六章 生物反应器的混合特性 4 第七章 生物反应器的设计与放大 6
7
0.2 生物反应工程学的任务
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 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 科。（生物反应过程开发涉及的内容）
.
8
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。（生物反应过程开发的过程） 多学科交叉 （生物反应工程学涉及的学科）
.
13
早期的青霉素生产技术
➢Research restricted 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 Schoo. l of Pathology, Oxford, England. 14
研究生物反应过程的速率及其影响因素
包括两个层次
本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力学）
传递因素
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22
生物反应过程动力学的几个方面
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。
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23
细胞反应动力学
结构模型：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。 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。
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27
反应器的类型
搅拌槽式反应器 管式反应器 气体搅拌塔式反应器（气升式反应器） 动、植物细胞培养反应器
贴壁培养
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
说说你知道的生物反应器有哪些类型？
生物反应工程
参考书：
Shuler M L and Kargi F. Bioprocess Engineering, Prentice Hall Press, 2002, New Jersey. 戚以政, 汪叔雄. 生化反应动力学与反应器. 化学工业 出版社, 北京. 日本 山根恒夫《生物反应工程》
.
24
固定化生物催化剂反应动力学 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。 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
分批 连续 补料分批
.
26
生物反应器
生物反应器的传递特性(传质、传热、动量 传递)
生物反应器的设计与放大
.
16
工程放大
小试 摇瓶试验
工业化生产
.
中试
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1干8 燥。
20世纪后期（1970～80年）生物反应工程学科的 形成：英国学者阿特金逊（1971）首次提出生化 反应工程。
20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断融合、 发展。
40年代的青霉素 工厂
One of the first Penicillin factories
Terre Haute Indiana
June 1944
青霉素工业化生产了替代低效的 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 － 生物化学工程诞生
时间：20世纪40－60年代 大规模液体发酵罐 搅拌装置（搅拌桨、轴封） 通气装置（空气过滤、分散器） 灭菌装置（管路、阀门、罐内） 无菌状态（接种、采样、隔离） 控制装置（温度、pH、溶氧、消泡） 流加装置（碱、葡萄糖、前体） 目前规模：百吨至千吨级发酵罐
反应速率的影响因素有哪些？
.
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生物学
工程学
生物化工 (生物反应工程)
化学
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9
The Story of Penicillin
Alexander Fleming
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10
Penicillin Inhibits the Bacterial Growth
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11
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12
More Penicillin = More Life Survived
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19
0.3 生物反应工程的重点内容
建立反应动力学
酶反应动力学 细胞反应动力学 固定化催化剂反应动力学 反应器操作动力学
生物反应工程
生物反应器操作
选择与设计反应器 生物反应器传递与混合
生物反应器放大
.
20
需要的前提知识
生物工艺学
化工原理
物理化学(化学反应动力学)
高等数学(微积分)
.
21
生物反应过程动力学
.
3
绪论
.
4
0.1 生物反应过程的主要特征
生物技术：应用自然科学和工程学原理， 依靠生物催化剂的作用，将物料进行加工 或为社会服务的技术。
.
5
典型的生物产品生产过程
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6
生物反应过程特点
采用生物催化剂 独特反应特性 反应条件温和 原料为可再生资源 细胞反应连续操作困难 分离复杂，产物浓度较低
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平时 30 %； 期末考试 70 %； （闭卷考试）
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各章学时分配
总学时 46
绪论：2 第一章 酶催化反应动力学：8 第二章 细胞反应动力学：8 第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学：6 第四章 生物反应器的操作模型：6 第五章 生物反应器的传递特性 6 第六章 生物反应器的混合特性 4 第七章 生物反应器的设计与放大 6
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0.2 生物反应工程学的任务
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 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 科。（生物反应过程开发涉及的内容）
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8
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。（生物反应过程开发的过程） 多学科交叉 （生物反应工程学涉及的学科）
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早期的青霉素生产技术
➢Research restricted 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 Schoo. l of Pathology, Oxford, England. 14
研究生物反应过程的速率及其影响因素
包括两个层次
本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力学）
传递因素
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22
生物反应过程动力学的几个方面
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。
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23
细胞反应动力学
结构模型：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。 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。
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反应器的类型
搅拌槽式反应器 管式反应器 气体搅拌塔式反应器（气升式反应器） 动、植物细胞培养反应器
贴壁培养
光合作用
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28
Stirred tank reactor
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29
Air lift reactor
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30
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生物反应器的优化与控制
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讨论
说说你知道的生物反应器有哪些类型？
生物反应工程
参考书：
Shuler M L and Kargi F. Bioprocess Engineering, Prentice Hall Press, 2002, New Jersey. 戚以政, 汪叔雄. 生化反应动力学与反应器. 化学工业 出版社, 北京. 日本 山根恒夫《生物反应工程》
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固定化生物催化剂反应动力学 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。 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。
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生物反应器操作动力学
分批 连续 补料分批
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生物反应器
生物反应器的传递特性(传质、传热、动量 传递)
生物反应器的设计与放大
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工程放大
小试 摇瓶试验
工业化生产
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中试
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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1干8 燥。
20世纪后期（1970～80年）生物反应工程学科的 形成：英国学者阿特金逊（1971）首次提出生化 反应工程。
20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断融合、 发展。
40年代的青霉素 工厂
One of the first Penicillin factories
Terre Haute Indiana
June 1944
青霉素工业化生产了替代低效的 实验室生产方法，以满足军用需 求及少量的民用需求。
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青霉素工业化发酵 － 生物化学工程诞生
时间：20世纪40－60年代 大规模液体发酵罐 搅拌装置（搅拌桨、轴封） 通气装置（空气过滤、分散器） 灭菌装置（管路、阀门、罐内） 无菌状态（接种、采样、隔离） 控制装置（温度、pH、溶氧、消泡） 流加装置（碱、葡萄糖、前体） 目前规模：百吨至千吨级发酵罐
反应速率的影响因素有哪些？
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生物学
工程学
生物化工 (生物反应工程)
化学
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The Story of Penicillin
Alexander Fleming
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10
Penicillin Inhibits the Bacterial Growth
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11
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More Penicillin = More Life Survived
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0.3 生物反应工程的重点内容
建立反应动力学
酶反应动力学 细胞反应动力学 固定化催化剂反应动力学 反应器操作动力学
生物反应工程
生物反应器操作
选择与设计反应器 生物反应器传递与混合
生物反应器放大
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需要的前提知识
生物工艺学
化工原理
物理化学(化学反应动力学)
高等数学(微积分)
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生物反应过程动力学
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绪论
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0.1 生物反应过程的主要特征
生物技术：应用自然科学和工程学原理， 依靠生物催化剂的作用，将物料进行加工 或为社会服务的技术。
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典型的生物产品生产过程
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生物反应过程特点
采用生物催化剂 独特反应特性 反应条件温和 原料为可再生资源 细胞反应连续操作困难 分离复杂，产物浓度较低
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