生物反应工程原理
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• • • • • • 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
一、生物反应工程的定义与特点 The Definition and Characteristics of Bioreaction Engineering
生物（生化）反应过程：
从应用的观点出发可将生物技术 进行如下分类：
• • • • 工业生物技术 农业生物技术 医药生物技术 环境生物技术
生物现象
Bio-appearance
• 从自然现象说起： 最初原始性的种植方式到现代化农业; 由无序到计划性……。 • 从我们每一个人，即个体说起： 由上帝创造人类到生命起源的……。 • 从现代化的生物工业生产而言： 由单一需求到协调发展……。
（1）生物反应过程-示意图
生物催化剂（酶、细胞、动植物）
种子 无菌空气
原料及其处理
培养基制备与灭菌 生化反应器 检测控制系统
产物提取与精制 产物
副产物
废弃物
（2）生物反应过程的四个组成部分
• • • • ①原材料的预处理及培养基的制备； ②生物催化剂的制备； ③生物反应器及反应条件的选择与监控； ④产物的分离纯化工程；
三、生物反应工程研究的目的
Objective of Bioreaction engineering • 1、生化反应过程（工程）：
• 广义概念：自然界中的生物现象千变万化（如植物的生 长、微生物的无处不在、酶促反应所起的关键作用等） ，这些变化中起主导作用的是生物催化反应，或者说是 生物的生长、繁殖、形成产物、某种物质的减少或增加 的过程。 • 狭义概念：生物反应工程是指将实验室的成果经放大而 成为可供工业化生产的工艺过程，包括实现工业化生产 过程的高效率运转，或者说提高生产过程效率。
生物技术（工程） bioengineering/biotechnology ：
• 生物技术是应用自然科学及工程学的原 理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产 品或为社会服务的技术。 ——1982年国 际经济合作及发展组织
• 高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强 大的、活跃的技术群体，叫做高技术。高技术 凝聚着人类早期的发明和近期的创造，代表着 当代的科技文明。 • 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；
• ①酶催化反应过程
• 采用游离或固定化酶为催化剂时的反应过程。
• ②细胞反应过程
• 采用活细胞为催化剂时的反应过程： • 微生物细胞反应过程——发酵工程； • 固定化细胞反应过程和动、植物细胞反应过程 ——细胞工程；
③废水的生物处理过程
• 利用微生物本身的分解和净化能力，除去废水中 污浊物质的过程。 • 特点： • （1）由细菌等菌类、原生动物、微小后生动物等 各种微生物构成的混合培养系统； • （2）几乎全部采用连续操作； • （3）微生物所处的环境条件波动大； • （4）反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢 产物和微生物细胞本身；
• 以生物反应动力学为基础，将传递过程 原理、设备工程学、过程动态学及优化 原理等化学工程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。 • 生物反应工程是工业生物技术的核心。
2、生物反应工程的基础知识
Elementary Knowledge of Bioreaction Engineering Bioreaction Engineering
• • • • • • Adaptability 生物适应性(或可行性） Continuity 可持续性 Fixed quantity of process 过程的量化 Economy 经济性 Efficiency 效率 ……
3、生物反应工程的特点
Characteristics of Bioreaction Engineering
四、生物反应工程研究的内容与方法 Content and Method
• 1、生物反应过程分类 • 2、生物反应工程的研究内容 • 3、生物反应工程的研究方法
科赫定理图示
பைடு நூலகம்
1、生物反应过程的分类 Classification of Bioreaction Process
• 根据生物体的不同生物反应过程分为： • ①酶催化反应过程 • ②细胞反应过程（包括单一微生物细胞、多种微 生物细胞和混合反应、动植物细胞培养等）。 • ③废水的生物处理过程 • 见P4表1-1生物反应过程的分类及其特征
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。 • 具体的技术可以用记述的方法来表现。
•
Engineering
• 研究一般化方法的学问，具有超越时代的 持续性和普遍性，内容是抽象的。 • 抽象的方法除表现为数学的使用外，更重 要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。 • 工程本质上是具有价值取向的主体作用于 客体、主观思维物化为客观实体的一种目 标导向的活动和过程。
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： • 从微观看 转录与转译速率=（基因量、…….等) 调控速率=（表达速率、酶活力、……等）
工程思维方法 Engineering sense method
• 1、生物反应工程的定义 • 2、生物反应工程的基础知识 • 3、生物反应工程的特点
1、生物反应工程的定义 Definition of Bioreaction Engineering
• 生物反应工程是一门以研究生物反应过程 中带有共性的工程技术问题的学科。
• 是以生物学、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。
（3）生物反应过程的特点
• • • • ①采用生物催化剂； ②采用可再生资源为主要原料； ③反应器； ④产物提取、纯化较难、复杂
生物反应的实质：
• 利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。 • 温和条件下（常温、常压、pH接近中性等）进行 反应。 • 对反应过程进行定量的、动力学方面的研究是各 自所要探讨的最基本的问题。
From Bio-appearance to Bioprocess Design
From Bioprocess Design to Systems Biology
代谢工程是一门涉及利用基因工程的手段对细 胞属性进行改造的工程，根据不同的生物过程和所 需目标，设计方案和引用的方法也不同.
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）。
2、生物反应过程研究的目的
Objective——Enhance Productivity
（1）提供适宜的动力学速率方程，以描述微生物 （或酶、动植物等）反应体系； （2）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。 （3）从生物反应器设计和操作的角度，研究生物 反应速率和与之相关影响因素之间的定量与定性 的关系。
• 生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生 物催化剂参与反应。特点： • 1）反应在温和的条件下进行； • 2）反应速率比化学反应过程慢很多； • 3）反应的复杂性有时难于预计。 • 共性的基本问题： • 1）反应过程的定量； • 2）动力学研究；
二、生物反应工程学科的形成与发展 The Evolution of Bioreaction Engineering
• 如果生物反应现象仅是通过物理学家或化学家用机械的语 言、化学的语言、物理语言来描述，一定是将生物反应分 解至分子，或更小的单位，然后再以此为基础把生物现象 简化为化学过程或物理过程，这种将生物现象简化的方法， 无疑将抛弃生物反应的本质特征。 • 另外，由于决定生物生命的最小单位是细胞，因此，细胞 个体之间的相互影响也是利用生物过程获得目的产物的技 术人员不得回避的问题，但是，以往由于多种原因，无法 开展相关的研究。细胞之间的相互影响与细胞内部反应的 相互作用必然涉及影响强弱和时间的长短问题，而这必要 需要一些工程学方法来解决，因此，也就给生物反应工程 技术带来新的机遇与挑战。
④简介其他分类方法
• 按获取能量的方式分——好氧发酵，厌氧发酵 • 按产物类型分——初级代谢产物发酵，次级代 谢产物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸 发酵，维生素发酵，抗生素发酵…… • 按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种 发酵；分批发酵，半连续发酵，连续发酵；固 态发酵，液态发酵 • 反应产物或服务的性质 • 按产物所属国民经济部门
• 20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断 融合、发展。
• 2000年后人类基因组计划的完成，后基 因 组 计 划 的 进 行 ， 特 别 是 Metabolic Engineering and Systems Biology的形成 与发展，给生物反应工程技术带来新的 发展机遇。
分子生物学面临的挑战 ！？
生物反应过程效率:
• 提高生物反应过程效率，即确保反应过程效率 最大化。
Rate＝product／（time×mass×energy）
Example： Enzyme glucose gluconic acid r＝f（pH、temp、Si、P、DO……）
产物量 生物反应过程效率 生产时间 消耗的人财物等成本
生物技术的特点
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)
多学科性:
它是一门多学科、 综合性的科学技 术。
生物催化剂:
建立工业生产过程:
• 生物技术最后的目的是建立工业生产过程或进行 社会服务，称为生物反应过程（bioprocess）。
• 史前时代，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。
龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元前200年， 作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早的诗集《诗经》中就提出过 采用厌氧进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花的活疫苗。
• 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。
第一章
绪论
Chapter 1. Introduction
• 学习目的：The Objective of Study
• 1）了解生物反应工程的学科定义、特点和发展形成史； • 2）明确学习生物反应工程课程的目的与关键点； • 3）掌握学习生物反应工程的主要内容与学习方法。
第一章
绪论
Chapter 1. Introduction
• 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
• 1975年，作为生化工程领域开创人之一的日本学者合叶修一 出版了关于生化动力学方面的专著《生物化学工程——反应 动力学》； • 1979年，日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书； 2006年，清华大学邢新会翻译原著第三版。 • 1985年，德国学者许盖得（Schugerl）出版了《生物反应工 程》专著； • 1993年，日本学者川濑义矩出版了《生物反应工程基础》一 书； • 1994年，丹麦学者尼尔森（Nielsen）等编著了《生物反应工 程原理》一书； • 在此期间，我国学者也编著出版了《生物反应工程原理》（ 1990）、《生物工艺学》（1992）、《生化工程》（1993） 和《生化反应动力学与反应器》（1996和1998）等书籍。
一、生物反应工程的定义与特点 The Definition and Characteristics of Bioreaction Engineering
生物（生化）反应过程：
从应用的观点出发可将生物技术 进行如下分类：
• • • • 工业生物技术 农业生物技术 医药生物技术 环境生物技术
生物现象
Bio-appearance
• 从自然现象说起： 最初原始性的种植方式到现代化农业; 由无序到计划性……。 • 从我们每一个人，即个体说起： 由上帝创造人类到生命起源的……。 • 从现代化的生物工业生产而言： 由单一需求到协调发展……。
（1）生物反应过程-示意图
生物催化剂（酶、细胞、动植物）
种子 无菌空气
原料及其处理
培养基制备与灭菌 生化反应器 检测控制系统
产物提取与精制 产物
副产物
废弃物
（2）生物反应过程的四个组成部分
• • • • ①原材料的预处理及培养基的制备； ②生物催化剂的制备； ③生物反应器及反应条件的选择与监控； ④产物的分离纯化工程；
三、生物反应工程研究的目的
Objective of Bioreaction engineering • 1、生化反应过程（工程）：
• 广义概念：自然界中的生物现象千变万化（如植物的生 长、微生物的无处不在、酶促反应所起的关键作用等） ，这些变化中起主导作用的是生物催化反应，或者说是 生物的生长、繁殖、形成产物、某种物质的减少或增加 的过程。 • 狭义概念：生物反应工程是指将实验室的成果经放大而 成为可供工业化生产的工艺过程，包括实现工业化生产 过程的高效率运转，或者说提高生产过程效率。
生物技术（工程） bioengineering/biotechnology ：
• 生物技术是应用自然科学及工程学的原 理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产 品或为社会服务的技术。 ——1982年国 际经济合作及发展组织
• 高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强 大的、活跃的技术群体，叫做高技术。高技术 凝聚着人类早期的发明和近期的创造，代表着 当代的科技文明。 • 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；
• ①酶催化反应过程
• 采用游离或固定化酶为催化剂时的反应过程。
• ②细胞反应过程
• 采用活细胞为催化剂时的反应过程： • 微生物细胞反应过程——发酵工程； • 固定化细胞反应过程和动、植物细胞反应过程 ——细胞工程；
③废水的生物处理过程
• 利用微生物本身的分解和净化能力，除去废水中 污浊物质的过程。 • 特点： • （1）由细菌等菌类、原生动物、微小后生动物等 各种微生物构成的混合培养系统； • （2）几乎全部采用连续操作； • （3）微生物所处的环境条件波动大； • （4）反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢 产物和微生物细胞本身；
• 以生物反应动力学为基础，将传递过程 原理、设备工程学、过程动态学及优化 原理等化学工程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。 • 生物反应工程是工业生物技术的核心。
2、生物反应工程的基础知识
Elementary Knowledge of Bioreaction Engineering Bioreaction Engineering
• • • • • • Adaptability 生物适应性(或可行性） Continuity 可持续性 Fixed quantity of process 过程的量化 Economy 经济性 Efficiency 效率 ……
3、生物反应工程的特点
Characteristics of Bioreaction Engineering
四、生物反应工程研究的内容与方法 Content and Method
• 1、生物反应过程分类 • 2、生物反应工程的研究内容 • 3、生物反应工程的研究方法
科赫定理图示
பைடு நூலகம்
1、生物反应过程的分类 Classification of Bioreaction Process
• 根据生物体的不同生物反应过程分为： • ①酶催化反应过程 • ②细胞反应过程（包括单一微生物细胞、多种微 生物细胞和混合反应、动植物细胞培养等）。 • ③废水的生物处理过程 • 见P4表1-1生物反应过程的分类及其特征
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。 • 具体的技术可以用记述的方法来表现。
•
Engineering
• 研究一般化方法的学问，具有超越时代的 持续性和普遍性，内容是抽象的。 • 抽象的方法除表现为数学的使用外，更重 要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。 • 工程本质上是具有价值取向的主体作用于 客体、主观思维物化为客观实体的一种目 标导向的活动和过程。
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： • 从微观看 转录与转译速率=（基因量、…….等) 调控速率=（表达速率、酶活力、……等）
工程思维方法 Engineering sense method
• 1、生物反应工程的定义 • 2、生物反应工程的基础知识 • 3、生物反应工程的特点
1、生物反应工程的定义 Definition of Bioreaction Engineering
• 生物反应工程是一门以研究生物反应过程 中带有共性的工程技术问题的学科。
• 是以生物学、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。
（3）生物反应过程的特点
• • • • ①采用生物催化剂； ②采用可再生资源为主要原料； ③反应器； ④产物提取、纯化较难、复杂
生物反应的实质：
• 利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。 • 温和条件下（常温、常压、pH接近中性等）进行 反应。 • 对反应过程进行定量的、动力学方面的研究是各 自所要探讨的最基本的问题。
From Bio-appearance to Bioprocess Design
From Bioprocess Design to Systems Biology
代谢工程是一门涉及利用基因工程的手段对细 胞属性进行改造的工程，根据不同的生物过程和所 需目标，设计方案和引用的方法也不同.
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）。
2、生物反应过程研究的目的
Objective——Enhance Productivity
（1）提供适宜的动力学速率方程，以描述微生物 （或酶、动植物等）反应体系； （2）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。 （3）从生物反应器设计和操作的角度，研究生物 反应速率和与之相关影响因素之间的定量与定性 的关系。
• 生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生 物催化剂参与反应。特点： • 1）反应在温和的条件下进行； • 2）反应速率比化学反应过程慢很多； • 3）反应的复杂性有时难于预计。 • 共性的基本问题： • 1）反应过程的定量； • 2）动力学研究；
二、生物反应工程学科的形成与发展 The Evolution of Bioreaction Engineering
• 如果生物反应现象仅是通过物理学家或化学家用机械的语 言、化学的语言、物理语言来描述，一定是将生物反应分 解至分子，或更小的单位，然后再以此为基础把生物现象 简化为化学过程或物理过程，这种将生物现象简化的方法， 无疑将抛弃生物反应的本质特征。 • 另外，由于决定生物生命的最小单位是细胞，因此，细胞 个体之间的相互影响也是利用生物过程获得目的产物的技 术人员不得回避的问题，但是，以往由于多种原因，无法 开展相关的研究。细胞之间的相互影响与细胞内部反应的 相互作用必然涉及影响强弱和时间的长短问题，而这必要 需要一些工程学方法来解决，因此，也就给生物反应工程 技术带来新的机遇与挑战。
④简介其他分类方法
• 按获取能量的方式分——好氧发酵，厌氧发酵 • 按产物类型分——初级代谢产物发酵，次级代 谢产物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸 发酵，维生素发酵，抗生素发酵…… • 按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种 发酵；分批发酵，半连续发酵，连续发酵；固 态发酵，液态发酵 • 反应产物或服务的性质 • 按产物所属国民经济部门
• 20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断 融合、发展。
• 2000年后人类基因组计划的完成，后基 因 组 计 划 的 进 行 ， 特 别 是 Metabolic Engineering and Systems Biology的形成 与发展，给生物反应工程技术带来新的 发展机遇。
分子生物学面临的挑战 ！？
生物反应过程效率:
• 提高生物反应过程效率，即确保反应过程效率 最大化。
Rate＝product／（time×mass×energy）
Example： Enzyme glucose gluconic acid r＝f（pH、temp、Si、P、DO……）
产物量 生物反应过程效率 生产时间 消耗的人财物等成本
生物技术的特点
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)
多学科性:
它是一门多学科、 综合性的科学技 术。
生物催化剂:
建立工业生产过程:
• 生物技术最后的目的是建立工业生产过程或进行 社会服务，称为生物反应过程（bioprocess）。
• 史前时代，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。
龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元前200年， 作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早的诗集《诗经》中就提出过 采用厌氧进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花的活疫苗。
• 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。
第一章
绪论
Chapter 1. Introduction
• 学习目的：The Objective of Study
• 1）了解生物反应工程的学科定义、特点和发展形成史； • 2）明确学习生物反应工程课程的目的与关键点； • 3）掌握学习生物反应工程的主要内容与学习方法。
第一章
绪论
Chapter 1. Introduction
• 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
• 1975年，作为生化工程领域开创人之一的日本学者合叶修一 出版了关于生化动力学方面的专著《生物化学工程——反应 动力学》； • 1979年，日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书； 2006年，清华大学邢新会翻译原著第三版。 • 1985年，德国学者许盖得（Schugerl）出版了《生物反应工 程》专著； • 1993年，日本学者川濑义矩出版了《生物反应工程基础》一 书； • 1994年，丹麦学者尼尔森（Nielsen）等编著了《生物反应工 程原理》一书； • 在此期间，我国学者也编著出版了《生物反应工程原理》（ 1990）、《生物工艺学》（1992）、《生化工程》（1993） 和《生化反应动力学与反应器》（1996和1998）等书籍。