制药与生命科学学院 生物反应工程 朱建良 联系电话：025-83587697 电子信箱:jlzhu@njut.edu.cn.

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1 制药与生命科学学院 生物反应工程 朱建良 联系电话：

2 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。

3 摇瓶

4 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。 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。

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6 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

7 生物反应过程的分类 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： 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。

8 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： 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。 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 大、操作控制更合理和简便。 生物反应工程的研究内容： 生物反应动力学 生物反应器

9 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。 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。

10 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。 (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行检测与控制，这是生物反应过程实现优化的基础。

11 工业反应器 实验室反应器

12 常见的各种形式生物反应器（I）

13 常见的各种形式生物反应器（II）

14 常见的各种形式生物反应器（III）

15 常见的各种形式生物反应器（IV）

16 常见的各种形式生物反应器（V） 返回

17 生物反应器的型式和操作方式 型式： 釜式 塔式 管式 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 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。 操作方式： 间歇 连续 流加 补料

18 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。 有了这些理想反应器中地反应结果，只要我们了解和掌握了实际反应器和理想反应器的差别和联系，就可以对实际反应器进行判断和分析，从而知道生物反应的实际反应结果。 理想的生物反应器主要有三种： （1）理想间隙搅拌釜式反应器 （2）理想连续搅拌釜式反应器 （3）理想管式或塔式反应器

19 模型化：数学模型法就是用数学语言来表达生物反应过程中各个变量之间的关系。由于采用了数学模型法，可用几个关键变量来代替复杂的反应过程；可将微观现象同宏观现象相联系；可以用来预测反应的结果。可以用于检测出可能是重要的但尚未知或被忽视了的变量和参数；可帮助搞清反应机理。这就要求所建立的模型是为一特定的需要服务的，并且已与实验结果相吻合。数学模型法不能完全代替实验研究，而只能减少实验的次数。 虽然生物反应工程的研究、开发与放大，目前仍然是以经验方法为主，但随着科学技术的发展，用数学模型法对生物反应工程有关内容进行的研究也正在迅速发展。 数学模型的建立方法可分为三种。一种是从过程机理出发推导得到的，称为机理模型或结构模型；另一种称为半经验模型，它是在对过程机理有一定了解的基础上结合实验数据得到的模型；最后一种是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据进行的数学关联，称为经验模型。在生物反应工程中，由于生物反应过程极为复杂，故多采用半经验模型成经验模型。

20 反应工程一些基本概念 对于某反应： A和B为底物，C和D为产物。 转化率 指某一底物转化的百分率或分率，其定义为： 转化率是针对底物的。如果底物不只一种，那么根据不同的底物计算所得的转化率数值可能是不一样的。因此在谈到转化率时需说明是哪个底物。 对于按化学计量关系进行的反应，各底物的转化率数值相同；对于不按化学计量关系进行的反应，各底物的转化率数值不同，此时通常选择不过量的底物计算转化率。这样的不过量的底物称为关键组分或着眼组分。

21 注意事项： 起始量的选择 计算转化率时需选择起始状态。对于连续反应器，一般以反应器进口处原料的状态作为起始状态；对于间歇反应器，则以反应开始时的状态作为起始状态。当数个反应器串联使用时，往往以进入第一个反应器的原料组成作为计算的基准。 复杂反应系统转化率的计算 对于有底物循环的反应系统，有两种含义不同的转化率：单程转化率和全程转化率。 单程转化率：新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率。可理解为以反应器进口物料为基准计算的转化率。 全程转化率：新鲜原料进入反应系统起到离开反应系统止所达到的转化率。可以理解为以新鲜原料为基准计算的转化率。 全程转化率大于单程转化率。 只要知道了关键组分底物的转化率，其他底物的转化率便可根据原料组成和化学计量关系一一算出。

22 收率 收率是针对反应产物的，其定义为： 对于单一反应，转化率和收率数值相等。但是对于反应系统中进行的反应不只一个时，转化率和收率数值不等，一般转化率大于收率。 上式中包含化学计量系数在内。 工业上也常用重量收率这个概念。其定义与上式相似： 重量收率的最大值可以超过100%。 对于有物料循环的反应系统，与转化率一样，收率也有单程收率和全程收率之分。

23 选择性 对于多个反应组成的复合反应，除了转化率和收率外，还需增加变量才能对反应系统进行完整的描述。选择性就是一个增加的变量。 选择性的定义如下： 由于复合反应中副反应的存在，转化了的底物不可能全都转化为目的产物，反应的选择性说明了主副反应进行程度的相对大小。 转化率、收率和选择性三者的关系如下：

24 主要参考书 1、贾士儒，“生物反应工程原理”，南开大学出版社，1990 2、山根恒夫著，周斌译，“生化反应工程”，西北大学出版社，1992 3、合叶修一等著，胡章助等译，“生物化学工程－反应动力学” 4、俞俊棠等著，“生物化学工程”，化学工业出版社，1991 5、Bailey,J E,et. “Biochemical Engineering Fundamentals” 6、陈石根，“酶学” 7、陈甘棠，“化学反应工程”（有关内容） 8、生化反应动力学与反应器，戚以政、汪叔雄编著，化学工业出版社， 1999