《生物反应工程》PPT课件
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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。
空气 能量 除菌
生物反应器
提取精制
检测控制系统
副产品 产品 废物
返回
原材料的预处理: 包括原料的选择,必要的物理与化学方法加工,培养基的配制和灭菌等。
生物催化剂的制备： 包括菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中酶的纯化、酶的固定
化等。
生物反应器及反应条件的选择与监控： 生物反应器是进行生物反应的核心设备，它应为细胞或酶提供适宜的反
型式： 釜式 塔式 管式
操作方式： 间歇 连续 流加 补料
两者结合可以形 成很多种可以在 工业生产中使用 的生物反应器。
生物反应器的研究方法
研究方法：理想化和模型化。
理想化： 对于实际生物反应器，通过理想化处理，抽象出某几种具有代表性 的典型反应器，当然它们是理想反应器。有了理想反应器，我们就可以比较 容易地对它们进行研究，摸清生物反应在这些理想反应器中的反应情况，这 就排除了不同形式反应器和操作条件对生物反应的影响。
生物反应工程(Bioreaction Engineering)：是生物反应过程的 一个部分，主要围绕生物反应器进行研究，研究生物反应过程中有关反 应器设计放大等具有共性的工程技术问题，以达到在工业规模的反应器 中给生物反应提供一个最佳的反应环境。
细胞
酶
（游离或固定化）
生物催化剂
预处理
灭菌
原料
基质或培养基
大、操作控制更合理和简便。 生物反应工程的研究内容： 1. 生物反应动力学 2. 生物反应器
生物反应动力学
生物反应动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，这是生 物反应工程学的理论基础之一。
生物反应动力学应包括两个层次的动力学，一是本征动力学，又称 微观动力学，它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。 该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及 溶剂性质有关，而与传递因素无关。二是宏观动力学，又可称为反应器 动力学，它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素， 这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、 传质与传热等。
工业反应器 实验室反应器
常见的各种形式生物反应器（I）
常见的各种形式生物反应器（II）
常见的各种形式生物反应器（III）
常见的各种形式生物反应器（IV）
常见的各种形式生物反应器（V） 返回
生物反应器的型式和操作方式
常见的生物反应器： 搅拌釜式间隙反应器 连续釜式反应器 间隙塔式反应器 流加搅拌釜式反应器 连续通气气升式反应器
制药与生命科学学院
生物反应工程
朱建良
第一章 绪论（4学时）
基本要求： • 了解典型生物反应过程，知道各组成部分的任务、目的和要求。 • 明确生物反应工程的研究对象和任务。 • 了解生物反应工程的研究方法，掌握生物反应器设计放大的基本方法。 • 掌握反应工程一些基本概念：
底物，产物；反应转化率，收率，选择性。 重点： • 明确生物反应工程的研究对象、任务和生物反应器设计放大的基本方法。 • 掌握反应工程一些基本概念。
根据所采用生物催化剂的不同特性，生物反应过程可分为： • 酶催化反应过程：
采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的 反应几乎都是在酶催化下进行的。工业生产上也常见酶催化反应，游离 酶反应和固定化酶反应。 • 微生物细胞反应过程：
采用活细胞为催化剂时的反应过程。包括一般的微生物细胞发酵反 应过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。 • 废水生物处理过程：
(2)生物反应器的设计与放大。在进行反应器设计时，首先要对反应器进行 选型，确定操作方式，然后再进行设计计算。反应器的选型及操作方式，要 根据反应的本征动力学特性、生产工艺要求及物料特性来决定。采用不同的 反应器型式和不同的操作方式，会对反应动力学和反应器的生产效率产生明 显的不同影响。
(3)生物反应器的优化与控制。生物反应器优化包括优化操作和优化设计， 它们是在分析所涉及的生物反应过程特征的基础上，进行有关工程的基础研 究，从而制定出最合理的技术方案和最优操作条件．进行反应器的最优设计， 以达到优质、高产、低消耗的目的。为了能使生物反应器在最佳条件下运转， 必须对生物反应过程的参数进检测与控制，这是生物反应过程实现优化的 基础。
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。
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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。
空气 能量 除菌
生物反应器
提取精制
检测控制系统
副产品 产品 废物
返回
原材料的预处理: 包括原料的选择,必要的物理与化学方法加工,培养基的配制和灭菌等。
生物催化剂的制备： 包括菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中酶的纯化、酶的固定
化等。
生物反应器及反应条件的选择与监控： 生物反应器是进行生物反应的核心设备，它应为细胞或酶提供适宜的反
型式： 釜式 塔式 管式
操作方式： 间歇 连续 流加 补料
两者结合可以形 成很多种可以在 工业生产中使用 的生物反应器。
生物反应器的研究方法
研究方法：理想化和模型化。
理想化： 对于实际生物反应器，通过理想化处理，抽象出某几种具有代表性 的典型反应器，当然它们是理想反应器。有了理想反应器，我们就可以比较 容易地对它们进行研究，摸清生物反应在这些理想反应器中的反应情况，这 就排除了不同形式反应器和操作条件对生物反应的影响。
生物反应工程(Bioreaction Engineering)：是生物反应过程的 一个部分，主要围绕生物反应器进行研究，研究生物反应过程中有关反 应器设计放大等具有共性的工程技术问题，以达到在工业规模的反应器 中给生物反应提供一个最佳的反应环境。
细胞
酶
（游离或固定化）
生物催化剂
预处理
灭菌
原料
基质或培养基
大、操作控制更合理和简便。 生物反应工程的研究内容： 1. 生物反应动力学 2. 生物反应器
生物反应动力学
生物反应动力学是研究生物反应过程的速率及其影响因素，这是生 物反应工程学的理论基础之一。
生物反应动力学应包括两个层次的动力学，一是本征动力学，又称 微观动力学，它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。 该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及 溶剂性质有关，而与传递因素无关。二是宏观动力学，又可称为反应器 动力学，它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素， 这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、 传质与传热等。
工业反应器 实验室反应器
常见的各种形式生物反应器（I）
常见的各种形式生物反应器（II）
常见的各种形式生物反应器（III）
常见的各种形式生物反应器（IV）
常见的各种形式生物反应器（V） 返回
生物反应器的型式和操作方式
常见的生物反应器： 搅拌釜式间隙反应器 连续釜式反应器 间隙塔式反应器 流加搅拌釜式反应器 连续通气气升式反应器
制药与生命科学学院
生物反应工程
朱建良
第一章 绪论（4学时）
基本要求： • 了解典型生物反应过程，知道各组成部分的任务、目的和要求。 • 明确生物反应工程的研究对象和任务。 • 了解生物反应工程的研究方法，掌握生物反应器设计放大的基本方法。 • 掌握反应工程一些基本概念：
底物，产物；反应转化率，收率，选择性。 重点： • 明确生物反应工程的研究对象、任务和生物反应器设计放大的基本方法。 • 掌握反应工程一些基本概念。
根据所采用生物催化剂的不同特性，生物反应过程可分为： • 酶催化反应过程：
采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的 反应几乎都是在酶催化下进行的。工业生产上也常见酶催化反应，游离 酶反应和固定化酶反应。 • 微生物细胞反应过程：
采用活细胞为催化剂时的反应过程。包括一般的微生物细胞发酵反 应过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。 • 废水生物处理过程：
(2)生物反应器的设计与放大。在进行反应器设计时，首先要对反应器进行 选型，确定操作方式，然后再进行设计计算。反应器的选型及操作方式，要 根据反应的本征动力学特性、生产工艺要求及物料特性来决定。采用不同的 反应器型式和不同的操作方式，会对反应动力学和反应器的生产效率产生明 显的不同影响。
(3)生物反应器的优化与控制。生物反应器优化包括优化操作和优化设计， 它们是在分析所涉及的生物反应过程特征的基础上，进行有关工程的基础研 究，从而制定出最合理的技术方案和最优操作条件．进行反应器的最优设计， 以达到优质、高产、低消耗的目的。为了能使生物反应器在最佳条件下运转， 必须对生物反应过程的参数进检测与控制，这是生物反应过程实现优化的 基础。