生物反应工程教学大纲

十堰职业技术学院
生物化工专业生物反应工程课程教学大纲
(60-70学时）
马俊林编
一、《生物反应工程》课程的性质和任务
《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、过程动力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性方面的知识相结合，进行生物反应过程的分析与开发，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，因此，它在生物工业中起着举足轻重的作用，生物反应工程是工业生物技术的核心。

根据生物体的不同，生物反应过程可分为酶促反应过程，细胞反应过程（包括单一微生物细胞、多种微生物细胞的混合反应、动植物细胞培养等）和废水的生物处理过程。

生物反应工程的研究内容就是研究各种生物反应过程的生物反应动力学、生物反应器和生物反应过程的放大与缩小等。

生物反应工程是生物化工专业的一门主干专业课。

二、《生物反应工程》课程的基本要求
通过本课的学习，要求学生了解生物反应工程研究的目的，生物反应工程学科的形成与沿革和生物反应工程领域的拓展。

理解酶促反应动力学、微生物反应动力学、动植物细胞培养动力学的特征和生物反应器中的传质过程。

掌握微生物反应过程的质量和能量衡算；动植物细胞的生长模型与培养条件。

熟练掌握微生物反应器的操作和生物反应器的特征、操作及设计。

三、讲课内容
1、绪论
教学内容：
生物反应工程研究的目的；生物反应工程学的形成与沿革；生物反应工程的研究内容与方法；生物反应动力学；生物反应器；生物反应过程的放大与缩小。

教学要求：
熟练掌握生物反应工程的概念，生物反应工程的研究内容与方法；
理解生物反应工程研究的目的；
了解生物反应工程学科的形成与沿革，生物反应过程的放大与缩小。

教学重点：
生物反应动力学和生物反应器。

教学建议：
教学中注意和化学反应动力学及化学反应器进行比较。

2、酶促反应动力学
教学内容：
酶促反应动力学的特点；酶的基本概念；酶的稳定性及应用特点；酶和细胞的固定化技术；酶促反应的特征。

均相酶促反应动力学：酶促反应动力学基础；单底物酶促反应动力学。

固体化酶促反应动力学：固定化酶促反应基础；固定化酶促反应中的过程分析。

酶的失活动力学：未反应时酶的热失活动力学；反应中酶的热失活动力学。

教学要求：
熟练掌握均相酶促反应动力学和固定化酶促反应动力学；影响固定化酶促反应的主要因素，固定化酶促反应中的过程分析。

米氏方程，操作参数对酶促反应的影响，抑制剂对酶促反应速率的影响。

理解酶的失活动力学，包括未反应时酶的热失活动力学和反应中酶的热失活动力学。

了解酶的基本概念，酶的稳定性剂应用特点以及酶促反应的特征。

教学重点：
均相酶促反应动力学。

教学难点：
固定化酶促反应中的过程分析。

教学建议：
结合化学反应动力学中的均相反应动力学和气固相反应动力学进行教学。

3、生物反应动力学
教学内容：
基本概念：微生物的分类与命名；微生物的化学组成；生长特性；影响微生物反应
的环境因素；微生物反应的特点。

微生物反应过程的中的质量和能量衡算；微生物反应过程的质量衡算；微生物反应过程的得率系数；微生物反应中的能量衡算。

微生物反应动力学：生长速率；生长的非结构模型；基质消耗动力学；代谢产物的生成动力学。

教学要求：
熟练掌握微生物反应过程的质量衡算，能量衡算和反应过程的得率系数；微生物的生长速率，基质消耗动力学，代谢产物的生成动力学。

理解微生物的生长特性，影响微生物反应的环境因素和微生物反应的特点，微生物生长的非结构模型。

了解微生物的分类与命名、微生物的化学组成。

教学重点：
微生物的生长速率；基质消耗动力学和代谢产物的生成动力学。

教学难点：
微生物的反应中的能量衡算。

教学建议：
在本章教学中要紧密联系实际微生物反应过程进行教学。

4、微生物反应器操作
教学内容：
微生物反应器操作基础，分批式操作：生长曲线；状态方程；反复分批操作，流加操作；无反馈控制的流加操作；有反馈控制的流加操作，连续式操作，恒化器法连续操作，恒浊器法连续操作；固定化微生物反应器的连续操作；连续培养中的杂菌污染和菌种变异。

教学要求：
熟练掌握分批式操作的生长曲线；状态方程式和反复分批式操作，有反馈控制和无反馈控制的流加操作。

理解恒化器法和恒浊器法连续操作，固体化微生物反应器的连续操作。

了解微生物反应器操作基础和连续操作中的杂菌污染与菌种变异。

教学重点：
分批式操作和流加操作。

教学难点：
有反馈控制的流加操作。

教学建议：
对分批式操作的生长曲线和状态方程应进行比较详细的讨论。

5、动植物细胞培养动力学
教学内容：
动植物细胞培养的特性；动物细胞培养的特性；植物细胞培养的特性。

生长模型与培养条件：动植物细胞的生长模型；动植物细胞的培养操作。

教学要求：
熟练掌握动植物细胞的培养操作，动植物细胞培养方法及要点、生产用动植物细胞的要求与获得方法。

理解动植物细胞培养生长模型与培养条件。

了解动植物细胞培养的特性。

教学重点：
动植物细胞的培养操作，
教学难点：
动植物细胞的生长模型的建立。

教学建议：
将动植物细胞的培养与微生物细胞培养相比较进行教学。

6、生物反应器中的传质过程
教学内容：
生物反应体系的流变学特性：流体的流变学特性；发酵液的流变学特性。

生物反应器中的传递过程：氧传递理论概述；细胞膜内的传质过程。

体积传质系数的测定及其影响因素：体积传质系数的测定，影响k La的因素。

发酵系统中的氧传递：氧传递的并联模型；发酵系统中的氧衡算——串连模型；菌丝团中氧的传递模型。

理解溶氧方程与溶氧速率的调节；溶氧方程；单位溶解氧功耗；溶氧速率的调节。

教学要求：
熟练掌握体积传质系数的测定及其影响因素和发酵系统中的氧传递。

理解溶氧方程与溶氧速率的调节。

了解生物反应体系的流变特性。

教学重点：
体积传质系数的测定方法——亚硫酸盐法，动态法、稳态法和葡萄糖氧化法。

操作变量、发酵液的理化性质和反应器结构因素对体积传质系数的影响。

教学难点：
流体的流变学特性和氧传递理论。

教学建议：
体积传质系数的测定可以结合实验进行。

7、生物反应器
教学内容：
生物反应器设计基础；生物反应器设计的特点与生物学基础；生物反应器中的混合；生物反应器中的传热。

酶反应器：酶反应器及其操作参数；理想的酶反应器；CSTR型与CPFR型反应器性质的比较。

通风发酵设备：机械搅拌式发酵罐；气升式和鼓泡式反应器；自吸式反应器；通风固态发酵设备。

嫌气发酵设备：乙醇发酵设备；啤酒发酵设备；嫌气连续发酵设备。

植物和动物细胞培养反应器：植物细胞培养反应器；动物细胞培养反应器；微藻培养光合生物反应器。

生物反应器的比拟放大：生物反应器放大的目的及方法；通风放大罐的放大实例。

教学要求：
熟练掌握生物反应器设计基础，酶反应器和通风发酵设备。

理解嫌气发酵设备、动物和植物细胞培养反应器。

了解生物反应器的比拟放大。

教学重点：
生物反应器中的混合与传热，理想的酶反应器，机械搅拌式发酵罐；气升式和鼓泡式反应器。

教学难点：
CSTR型与CPFR型反应器性能的比较。

教学建议：
通风发酵罐的比拟放大方法应采用案例教学。

8、生物反应工程领域的拓展
教学内容：
质粒复制与表达的动力学：λdv 质粒的概述；动力学模型的几点假设；质粒复制动力学；基因表达动力学。

超临界相态下的生物反应：超临界二氧化碳的特点；SC—CO
中酶的的催化反应；
2
微生物在SC—CO2中的活性变化
菌体形态在发酵过程中的变化：菌体形态的量化描述；操作参数与菌体形态的关系。

界面微生物生长模型：界面的概念；界面与微生物；界面上丝状真菌的生长；界面微生物生产动力学模型。

双液相生物反应进展：双液相酶促反应的进展；双液相发酵的进展。

教学要求：
熟练掌握质粒复制动力学和基因表达动力学，界面微生物生长动力学模型。

理解超临界相态下的反应，菌体形态在发酵状态过程中的变化。

了解双液相酶促反应的进展，双液相发酵的进展。

教学重点：
质粒复制与表达的动力学和界面微生物生长模型。

教学难点：
质粒复制动力学
教学建议：
在本章可以补充讲解生物反应工程的最新进展。

四、本课程与其他课程的接续关系
先修课程：
高等数学、有机化学、无机化学、分析化学、物理化学、生物化学
后续课程：
生物制药技术、制剂工程、药物分析与检测
五．教学学时分配
六、教材及参考书
教材
贾士儒编著，生物反应工程原理，科学出版社，2003年1月，北京
参考教材：
1、李资平，生物化学工程基础，化学工业出版社 1999年，北京
2、戚以政，汪叔雄，生物反应动力与反应器，化学工业出版社，1998年，北京
七、考核形式、方法和评价标准
本课程为考试课，闭卷考试，百分制评分。