生物反应工程原理

•学习目的：TheObjectiveofStudy•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Chapter1.Introduction•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第一章绪论Chapter1.Introduction•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一、生物反应工程的定义与特点TheDefinitionandCharacteristicsofBioreactionEngineering1、生物反应工程的定义DefinitionofBioreactionEngineering•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。•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。BioreactionEngineeringFromBio-appearancetoBioprocessDesignFromBioprocessDesigntoSystemsBiology2、生物反应工程的基础知识ElementaryKnowledgeofBioreactionEngineering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（Nielsen2001）。•“个别的学问knowledgeofindividuation”，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。Technology•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”（engineeringsense)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。Engineering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（biologicalagents)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；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）。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……。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Engineeringsensemethod•Adaptability生物适应性(或可行性）•Continuity可持续性•Fixedquantityofprocess过程的量化•Economy经济性•Efficiency效率•……•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；3、生物反应工程的特点CharacteristicsofBioreactionEngineering二、生物反应工程学科的形成与发展TheEvolutionofBioreactionEngineering•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。•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MetabolicEngineeringandSystemsBiology的形成与发展，给生物反应工程技术带来新的发展机遇。•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。分子生物学面临的挑战！？三、生物反应工程研究的目的ObjectiveofBioreactionengineering•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：Enzymeglucosegluconicacidr＝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（1）生物反应过程-示意图生物催化剂（酶、细胞、动植物）种子生化反应器无菌空气产物提取与精制副产物产物废弃物检测控制系统培养基制备与灭菌原料及其处理（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；（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。2、生物反应过程研究的目的Objective——EnhanceProductivity（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。四、生物反应工程研究的内容与方法ContentandMethod•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科赫定理图示1、生物反应过程的分类ClassificationofBioreactionProcess•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•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；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2、生物反应工程的研究内容ContentofBioreactionengineering•生物反应工程以工业规模的生物反应过程为主要研究对象，具体研究中兼顾可操作性。•①生物反应动力学•②生物反应器•③生物反应过程的放大与缩小①生物反应动力学•生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。•基本内容：•1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学；•2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术；•3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。②生物反应器•生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。•1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素、溶氧方程及溶氧速率调节