生物反應工程原理

1緒論/1
1.1生物反應工程概論1
1.1.1生物反應工程的物件與優化目標1
1.1.2生物反應工程研究內容3
1.1.3生物反應工程研究方法4
1.2生物反應器簡介5
1.2.1反應器類型5
1.2.2操作方式6
1.2.3理想生物反應器模型7
重點內容提示10
習題11

2酶反應動力學/12
2.1酶催化反應特性12
2.2Michaelis-Menten動力學13
2.2.1反應機理與反應速率13
2.2.2米氏方程的基本特性15
2.2.3米氏方程參數的測定17
2.2.4雙底物酶反應的簡化分析18
2.2.5可逆酶反應動力學19
2.3受抑制的酶反應動力學20
2.3.1競爭性抑制20
2.3.2非競爭性抑制22
2.3.3反競爭性抑制24
2.3.4混合型抑制26
2.3.5不可逆抑制27
2.4變構酶反應動力學28
2.5反應條件對酶反應速率的影響29
2.5.1pH對酶反應速率的影響29
2.5.2溫度對酶反應速率的影響30
2.6線性多步酶反應動力學32
2.6.1代謝控制分析的基本概念32
2.6.2線性兩步酶反應的分析34
重點內容提示37
習題37

3固定化酶反應過程動力學/40
3.1固定化酶及其催化特性40
3.1.1酶的固定化方法40
3.1.2固定化酶的催化特性與影響因素43
3.2外擴散對反應速率的限制45
3.2.1表觀反應速率及其控制45
3.2.2外擴散有效因數的求取46
3.2.3外擴散對受抑制反應的速率限制49
3.3內擴散對反應速率的限制50
3.3.1顆粒內的濃度分佈50
3.3.2內擴散有效因數和表觀反應速率54
3.3.3內擴散對受抑制反應的速率限制59
3.3.4內擴散對顆粒內pH梯度的影響61
3.4內外擴散同時存在時的反應速率63
3.5固定化酶的表觀穩定性64
3.6動力學和傳質參數的測定66
3.6.1本征動力學參數的測定66
3.6.2傳遞係數和有效擴散係數的測定68
重點內容提示69
習題69

4細胞反應動力學/72
4.1概述72
4.1.1細胞反應的基本特性72
4.1.2細胞反應的速率表示73
4.1.3動力學模型的分類74
4.2化學計量學74
4.2.1化學計量方程74
4.2.2得率係數76
4.2.3底物消耗的品質衡算79
4.2.4黑箱計量模型的一般形式80
4.2.5細胞反應熱82
4.3非結構生長模型83
4.3.1基本生長過程83
4.3.2Monod方程84
4.3.3其他非結構的生長模型87
4.3.4受抑制的生長模型88
4.3.5環境因素對生長的影響91
4.3.6細胞死亡動力學95
4.4產物生成動力學96
4.4.1產物生成的非結構模型96
4.4.2產物生成過程的機制分析99
4.5結構模型102
4.5.1動力學模型的一般結構102
4.5.2分室生長模型104
4.5.3控制模型106
4.5.4形態結構模型108
4.5.5重組細胞生長模型110
4.6代謝反應的通量分析模型112
4.6.1基本概念與方法112
4.6.2簡單網路的代謝通量分析114
4.6.3代謝網路速率模型的一般矩陣形式115
重點內容提示118
習題118

5生物反應器的操作特性/121
5.1分批操作121
5.1.1分批操作的特點121
5.1.2分批操作的反應時間121
5.1.3反應器有效體積的計算126
5.2連續操作126
5.2.1連續操作的特點126
5.2.2連續操作的酶反應127
5.2.3單級CSTR中的連續培養131
5.2.4基於單級CSTR的連續培養優化設計135
5.3半分批操作142
5.3.1半分批操作概論142
5.3.2補料分批培養的操作模型145
5.4補料分批操作的最優化152
5.4.1補料分批操作優化概論152
5.4.2優化問題的表示與求解方法154
5.4.3細胞生物質生成過程的優化158
5.4.4產物生成過程的優化161
5.5連續培養過程的動態特性163
5.5.1CSTR連續培養的穩定性163
5.5.2CSTR連續培養的瞬態回應動力學165
5.6反應-分離耦合過程167
5.6.1膜透析培養過程168
5.6.2萃取發酵過程170
重點內容提示171
習題171

6生物反應器的物理過程特性/174
6.1流體力學174
6.1.1反應介質的流變特性174
6.1.2反應器中的流體剪切作用177
6.2氣液傳質過程特性183
6.2.1氧傳遞的基本過程與速率方程183
6.2.2氧傳遞速率的影響因素186
6.2.3體積氧傳遞係數的計算189
6.2.4反應器操作時的氧傳遞過程分析191
6.2.5體積氧傳遞係數的測定194
6.3傳熱過程基本原理195
6.3.1反應過程的傳熱195
6.3.2滅菌過程的傳熱197
6.4反應器的混合特性200
6.4.1混合的概念200
6.4.2宏觀混合模型201
6.4.3反應器的混合性能分析205
6.5生物反應器的放大210
6.5.1放大原理與方法210
6.5.2基於過程機制分析的放大研究213
重點內容提示219
習題219

7生物反應器的設計/221
7.1設計要求與內容221
7.2通氣式機械攪拌反應器222
7.2.1反應器結構與指令引數222
7.2.2攪拌功率計算226
7.2.3放大計算227
7.3氣流攪拌塔式反應器229
7.3.1鼓泡塔反應器230
7.3.2氣升式反應器231
7.4固定床和流化床反應器234
7.4.1填充床反應器235
7.4.2滴流床反應器236
7.4.3流化床反應器237
7.5膜生物反應器238
7.5.1膜生物反應器概述238
7.5.2膜生物反應器的設計240
7.6動物細胞培養反應器241
7.6.1動物細胞培養反應器概述241
7.6.2基於機械攪拌的反應器設計242
7.6.3基於氣流攪拌的反應器設計247
7.6.4中空纖維細胞培養反應器247
7.6.5固定化動物細胞培養反應器248
7.7植物細胞培養反應器250
7.7.1植物細胞培養反應器概述250
7.7.2反應器類型251
重點內容提示253
習題253

8生物反應過程技術/255
8.1非水相酶催化反應過程255
8.1.1非水介質與酶的製備方法255
8.1.2影響非水相酶催化反應的因素257
8.1.3酶的種類及其催化反應過程261
8.2動物細胞培養過程265
8.2.1動物細胞的種類與特點265
8.2.2培養過程的影響因素266
8.2.3基本代謝過程特性268
8.2.4培養過程的類型269
8.3高通量生物反應器技術270
8.3.1高通量技術與微型生物反應器270
8.3.2微型生物反應器主要類型271
8.3.3微流控生物反應器274
8.3.4微型生物反應器在縮小-放大研究中的應用278

重點內容提示278
部分習題參考答案/279
參考文獻/282

生物反應過程是生物化學產品製造的上游過程，其作用是通過酶催化和細胞反應將底物轉化為抗生素、有機酸和重組蛋白質等有價值的目標產物。它還與下游產物分離和純化過程一起組成整個生物加工過程，由其反應結果決定下游過程的成本和產品品質。生物反應工程學以化學工程學的研究方法，針對不同性質的生物反應，選擇不同類型的生物反應器，確定操作方式和最優化操作條件，充分發揮生物催化劑的催化能力，以達到高產、高效和低成本的目的。隨著21世紀生物技術產業的不斷發展，作為生物過程工程學的一個重要分支，生物反應工程已受到高度重視，其研究領域和內容正在不斷拓展。

對全國生物工程或生物技術專業而言，生物反應工程課程已開設了將近20多年，與此同時，生物反應工程的知識正在得到不斷的更新。因此，本教材的編著意圖是在以往教學經驗的基礎上，根據當前學科發展的狀況，既保留現有教學內容，也吸收最新的研究成果，為高品質的教學提供一部適用教材。本書也可作為生物技術從業人員的參考書。

本書將內容分為生物反應動力學和生物反應器兩部分。前者包括均相酶、固定化酶和細胞反應動力學；後者包括生物反應器的操作方式和操作模型、物理過程特性、基本配置與設計、放大研究原理和計算方法。生物反應工程以數學模型法為其研究方法，強調以簡化的方法對研究物件作定量分析，為此，本書以此為核心準則作透徹的分析和討論，注重以工程觀點揭示生物反應過程的本質和規律。在動力學部分主要討論基本動力學概念和規律，在反應器部分著重以物理過程機制分析為基礎介紹反應器設計與放大方法。考慮到生物反應工程研究還涉及過程工藝和實驗技術，為方便教學，因此還重點介紹了非水相酶催化、動物細胞培養和微型生物反應器等相對較新的過程技術的基礎知識。

本書每章附有重點內容提示，配有典型的例題和習題，並提供習題參考答案，以幫助讀者理解和掌握有關知識點。對習題求解的步驟和配套的教學課件，可向化學工業出版社教學資源網免費索取。

本書在編寫中參考了大量的國內外相關教材和研究論文。特別參考了戚以政等《生物反應工程》第一版和第二版、Villadsen《生物反應工程原理（原著第3版）》、van’t Riet等的《Basic Bioreactor Design》等教材，也參考了如參考文獻所列的一些其他重要著作和論文。在寫作準備過程中，得到化學工業出版社、華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室和生物工程系的同行和教師的支持和關心。特別是嚴希康教授始終對本書編寫表示鼓勵，許建和教授在百忙中審閱了本書全稿，提出了許多寶貴的建議並欣然為本書作序。在此一併表示衷心感謝。

編著者
2019年4月