本课程的学科性质、研究内容及学科的形成与发展-食品伙伴网

1、1绪论教学基本内容：本课程的学学科性质质、研究究内容及及学科的的形成与与发展。授课重点：1. 生物物反应工工程的定义。2. 生物物反应过过程的概概念及分分类。3. 生物物反应器器的概念念及分类类。4. 本课课程与其其他相关关课程的的联系与与区别。5. 本课课程的研研究内容容。6. 学科科的形成成与沿革革。难点：1. 生物物反应工工程的定义。2. 本课课程与其其他相关关课程的的联系与与区别。本章节主要要教学要要求：通过本章学学习，学学生应了了解本课课程的学学科性质质、研究究内容和和学习方方法。1 绪论生物工业在在整个国国民经济济中处于于重要地地位，它它涉及到到生物制制药、生生物化工工、食品品工业

2、、环环境、能能源工业业。传统统的生物物工业靠靠的是经经验，而而现代生生物工业业要对生生产过程程进行定定量分析析和自动动化控制制，这离离不开生生物反应应工程这这一学科科的发展展。可以以说，生生物反应应工程是是工业生生物技术术的核心心。1.1 生生物反应应工程的的定义生物反应工工程是一一门以生生物学、化化学、工工程学、计计算机及及信息技技术等多多学科为为基础的的交叉学学科，它它以生物物反应动动力学为为基础，将将传递过过程原理理、设备备工程学学、过程程动态学学及最优优化原理理等化学学工程学学方法与与生物反反应过程程的反应应特性方方面的知知识相结结合，进进行生物物反应过过程分析析与开发发，以及及生物反

3、反应器的的设计、操操作和控控制等。说明： = 1 * GB3 定义从学学科的角角度讲解解了生物物反应工工程与其其他学科科的关系系，生物物学、化化学、工工程学、计计算机和和信息技技术是其其基础，研研究方法法上借鉴鉴了已经经研究得得很成熟熟的化学学工程学学。 = 2 * GB3 生物反应应工程核核心的研研究内容容是生物物反应过过程分析析与开发发，以及及生物反反应器的的设计、操操作和控控制。定义中涉及及到生物物反应过过程和生生物反应应器的概概念。（1） 生生物反应应过程生物反应与与化学反反应相比比，反应应条件温和和，通常常是常温温、常压压、中性性pH值值，这是是由于生生物反应应中有生生物催化化剂即酶

4、酶的参与与。自然然界的生生物现象象千变万万化，一一粒种子子可以长长成参天天大树，个个体微小小、无处处不在的的微生物物生长之之快，是是任何动动植物无无法比拟拟的，细细菌200minn即可繁繁殖一代代。动、植植物、微微生物为为什么能能生长、繁繁殖，本本质上是是由于酶酶催化反反应，每每个细胞胞都是一一个化工工厂，每每时每刻刻都在进进行着反反应，因因此广义义上一切切动植物物、微生生物的生生长繁殖殖都可以以看作是是生物反反应过程程。狭义义上指那那些能够够应用于于生物工工业中的的过程。生物反应过程的分类见表11。表11 生物反反应过程程的分类类过程分类酶促反应过过程微生物反应应过程动植物细胞胞反应过过程废

5、水生物处处理过程程反应水平分子水平细胞水平细胞水平群体水平反应的复杂杂性简单较复杂复杂很复杂底物、产物物数量较少较多较多很多反应速度较快较快较慢很慢上述生物反反应过程程分类中中只包括括动、植植物细胞胞反应过过程，而而不是动动植物反反应过程程，这是是因为，动动植物的的培养属属于农业业、畜牧牧业、园园艺研究究的范畴畴，而不不属于生生物工业业了。（2）生物物反应器器生物反应器器是进行行生物反反应的设设备通称称。生物物反应过过程的多多样性，决决定了生生物反应应器的型型式也是是多样的的，如酶酶促反应应的设备备是酶反反应器，微微生物反反应的设设备是发发酵罐，植植物细胞胞培养的的设备是是光合生生物反应应器，

6、动动物细胞胞培养的的设备是是动物细细胞培养养反应器器。1.2 生生物反应应工程与与其他相相关学科科的联系系与区别别一般生物反反应过程程的示意意图如图图111所示。生物催化剂（酶、微生物、动植物细胞）原料及其处理生物催化剂（酶、微生物、动植物细胞）原料及其处理 种子培养基制备与灭菌种子培养基制备与灭菌无菌空气生物反应器检测控制系统无菌空气生物反应器检测控制系统提取精制提取精制产品副产品废物产品副产品废物图1-1 一般生生物反应应过程示示意图从图1-11可以看看出，这这一过程程的核心心就是利利用生物物催化剂剂进行生生物技术术产品的的生产。针对这一工工艺过程程，应用用微生物物学家的的任务就就是确定定

7、微生物物品种、菌菌株及培培养基组组成。生生化工程程学家的的任务是是设计一一个经济济上合理理的过程程，包括括培养基基配制与与灭菌、无无菌空气气的制备备、菌种种的扩大大培养、过过程设计计、生物物反应器器设计与与控制，产产品回收收与分离离（包括括废水处处理）。这这些操作作设计是是建立在在质量传传递、热热量传递递、动量量传递和和生物反反应动力力学的基基础之上上。因此此生物反反应工程程研究的的目的就就是提供供适宜的的动力学学速率方方程，以以描述生生物反应应体系（包包括酶、微微生物、动动植物反反应体系系），为为生物工工艺过程程设计和和生物反反应器设设计提供供理论依依据。1.3 生生物反应应工程的的研究内内

8、容 生生物反应应工程是是以工业业规模的的生物反反应过程程为主要要研究对对象，具具体研究究中要兼兼顾可操操作性。生生物反应应工程的的研究内内容主要要可分为为生物反反应动力力学、生生物反应应器和生生物反应应过程的的放大和和缩小三三个部分分。（1） 生生物反应应动力学学 生生物反应应动力学学主要是是研究生生物反应应速率及及各种因因素对生生物反应应速率的的影响。（2） 生生物反应应器 生生物反应应器是生生物技术术转化为为产品、生生产力的的关键设设备，其其在生物物过程中中处于中中心地位位。使用用高效率率的生物物反应器器的目的的是提高高产品生生成速率率，减小小辅助设设备，降降低生产产成本，获获得尽可可能大

9、的的经济效效益。（3） 生生物反应应过程的的放大和和缩小 一一个生物物工艺过过程的开开发总是是先从实实验室规规模开始始的，然然后经小小试、中中试、生生产性试试验几个个阶段才才可真正正进行工工业规模模生产，这这就是生生物反应应过程的的放大。工业生物反反应器中中，总存存在一定定程度的的物料返返混，并并且生物物反应器器体积越越大，返返混越严严重。因因此生物物反应过过程放大大时，不不可简单单地将实实验室研研究中反反应动力力学参数数照搬到到工业生生产中，而而要采用用适宜的的放大方方法。 工工业生产产中出现现了问题题，不可可能简单单地在生生产上使使用工业业生物反反应器进进行研究究，因为为这样的的研究成成本

10、太昂昂贵了。而而应在实实验室中中使用小小型生物物反应器器来模拟拟生产过过程，来来进行研研究，这这就是生生物反应应过程的的缩小。 无无论是放放大，还还是缩小小，都需需要生物物反应工工程理论论的指导导。1.4 生生物反应应工程学学科的形形成与沿沿革 生生物反应应工程学学科是随随着生物物技术的的发展而而逐步形形成的。史史前时代代，人们们还不知知道什么么是酶或或微生物物时，就就已经利利用它们们进行有有用物质质的生产产了。但但这些产产品种类类很少，生生产规模模不大。440年代代前期，为为了适应应二次世世界大战战救治伤伤员的迫迫切要求求，急待待将19928所所早就发发明的青青霉素投投入工业业化生产产。可是

11、是遇到了了空前的的难题。青青霉素生生产菌比比生长速速率很低低，致使使生产周周期长达达1000h。这这种形势势下，许许多化学学工作者者介入了了难题攻攻关。这这样生化化工程学学诞生了了。而生生物反应应工程作作为生化化工程领领域的一一个分支支，它的的产生是是在700年代。119711年英国国学者巴巴特金逊逊首次提提出了生生化反应应工程这这一术语语。19975年年日本学学者合叶叶修一出出版了生生化动力力学专著著生物物化学工工程反反应动力力学。119799年日本本学者山山根恒夫夫编著了了生物物反应工工程一一书。我我国最早早出版的的有关书书籍是贾贾士儒教教授编著著的生生物反应应工程原原理，我我校也是是最早

12、开开设生物物反应工工程课程程的学校校。目前前设有生生物工程程专业的的院校绝绝大多数数已开设设此课程程。 1.5 本本课程选选用教材材及参考考书教材：生物反应应工程原原理（第第二版）贾贾士儒编编著，科科学出版版社，220033。参考书：1 BBIORREACCTIOON EENGIINEEERINNG PPRINNCIPPLESS（Seeconnd EEdittionn），Jeens Nieelseen，Johhn VVillladssen，Gunnnarr Liidenn，化学学工业出出版社，2004。2. Biioloogiccal Reaactiion Enggineeeriing Seccondd Edditiion. I. J. Dunnn. E. Heiinzlle, J. Ingghamm, JJ. E. Prrenoosill. WIILEYY-VCCH VVerll