生物反应工程原理

　　本书将内容分为生物反应动力学和生物反应器两部分。前者包括均相酶、固定化酶和细胞反应动力学；后者包括生物反应器的操作方式和操作模型、物理过程特性、基本配置与设计、放大研究原理和计算方法。由于这些内容涉及生物反应工程的基本概念和原理，因此作了较全面的叙述。生物反应工程以数学模型法为其研究方法，强调以简化的方法对研究对象作定量分析，为此，本书以此为核心准则作透彻的分析和讨论，注重以工程观点揭示生物反应过程的本质和规律。在动力学部分主要讨论基本动力学概念和规律，在反应器部分着重以物理过程机制分析为基础介绍反应器设计与放大方法。考虑到生物反应工程研究还涉及过程工艺和实验技术，为方便教学，并且出于将本书也可用作发酵工程、细胞培养工程和酶催化反应工程等课程的教学参考书的目的，因此还重点介绍了非水相酶催化、动物细胞培养和微型生物反应器等相对较新的过程技术的基础知识。 本书每章附有重点内容提示，配有典型的例题和习题，并提供习题参考答案，以帮助读者对有关知识点的理解和掌握。

　　夏杰，华东理工大学生物工程学院，教授，1999年至今，华东理工大学生物工程学院生物工程系，本科《生物反应工程原理》授课，学时数48。 2007年至今，华东理工大学生物工程学院，工程硕士《生物反应器工程》授课，学时数40。 2010年至2013年，第二军医大学基础医学部生物技术专业，本科《生物反应器与发酵工程》授课，学时数65。

1绪论/1
1.1生物反应工程概论1
1.1.1生物反应工程的对象与优化目标1
1.1.2生物反应工程研究内容3
1.1.3生物反应工程研究方法4
1.2生物反应器简介5
1.2.1反应器类型5
1.2.2操作方式6
1.2.3理想生物反应器模型7
重点内容提示10
习题11

2酶反应动力学/12
2.1酶催化反应特性12
2.2Michaelis-Menten动力学13
2.2.1反应机理与反应速率13
2.2.2米氏方程的基本特性15
2.2.3米氏方程参数的测定17
2.2.4双底物酶反应的简化分析18
2.2.5可逆酶反应动力学19
2.3受抑制的酶反应动力学20
2.3.1竞争性抑制20
2.3.2非竞争性抑制22
2.3.3反竞争性抑制24
2.3.4混合型抑制26
2.3.5不可逆抑制27
2.4变构酶反应动力学28
2.5反应条件对酶反应速率的影响29
2.5.1pH对酶反应速率的影响29
2.5.2温度对酶反应速率的影响30
2.6线性多步酶反应动力学32
2.6.1代谢控制分析的基本概念32
2.6.2线性两步酶反应的分析34
重点内容提示37
习题37

3固定化酶反应过程动力学/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与影响因素43
3.2外扩散对反应速率的限制45
3.2.1表观反应速率及其控制45
3.2.2外扩散有效因子的求取46
3.2.3外扩散对受抑制反应的速率限制49
3.3内扩散对反应速率的限制50
3.3.1颗粒内的浓度分布50
3.3.2内扩散有效因子和表观反应速率54
3.3.3内扩散对受抑制反应的速率限制59
3.3.4内扩散对颗粒内pH梯度的影响61
3.4内外扩散同时存在时的反应速率63
3.5固定化酶的表观稳定性64
3.6动力学和传质参数的测定66
3.6.1本征动力学参数的测定66
3.6.2传递系数和有效扩散系数的测定68
重点内容提示69
习题69

4细胞反应动力学/72
4.1概述72
4.1.1细胞反应的基本特性72
4.1.2细胞反应的速率表示73
4.1.3动力学模型的分类74
4.2化学计量学74
4.2.1化学计量方程74
4.2.2得率系数76
4.2.3底物消耗的质量衡算79
4.2.4黑箱计量模型的一般形式80
4.2.5细胞反应热82
4.3非结构生长模型83
4.3.1基本生长过程83
4.3.2Monod方程84
4.3.3其他非结构的生长模型87
4.3.4受抑制的生长模型88
4.3.5环境因素对生长的影响91
4.3.6细胞死亡动力学95
4.4产物生成动力学96
4.4.1产物生成的非结构模型96
4.4.2产物生成过程的机制分析99
4.5结构模型102
4.5.1动力学模型的一般结构102
4.5.2分室生长模型104
4.5.3控制模型106
4.5.4形态结构模型108
4.5.5重组细胞生长模型110
4.6代谢反应的通量分析模型112
4.6.1基本概念与方法112
4.6.2简单网络的代谢通量分析114
4.6.3代谢网络速率模型的一般矩阵形式115
重点内容提示118
习题118

5生物反应器的操作特性/121
5.1分批操作121
5.1.1分批操作的特点121
5.1.2分批操作的反应时间121
5.1.3反应器有效体积的计算126
5.2连续操作126
5.2.1连续操作的特点126
5.2.2连续操作的酶反应127
5.2.3单级CSTR中的连续培养131
5.2.4基于单级CSTR的连续培养优化设计135
5.3半分批操作142
5.3.1半分批操作概论142
5.3.2补料分批培养的操作模型145
5.4补料分批操作的最优化152
5.4.1补料分批操作优化概论152
5.4.2优化问题的表示与求解方法154
5.4.3细胞生物质生成过程的优化158
5.4.4产物生成过程的优化161
5.5连续培养过程的动态特性163
5.5.1CSTR连续培养的稳定性163
5.5.2CSTR连续培养的瞬态响应动力学165
5.6反应-分离耦合过程167
5.6.1膜透析培养过程168
5.6.2萃取发酵过程170
重点内容提示171
习题171

6生物反应器的物理过程特性/174
6.1流体力学174
6.1.1反应介质的流变特性174
6.1.2反应器中的流体剪切作用177
6.2气液传质过程特性183
6.2.1氧传递的基本过程与速率方程183
6.2.2氧传递速率的影响因素186
6.2.3体积氧传递系数的计算189
6.2.4反应器操作时的氧传递过程分析191
6.2.5体积氧传递系数的测定194
6.3传热过程基本原理195
6.3.1反应过程的传热195
6.3.2灭菌过程的传热197
6.4反应器的混合特性200
6.4.1混合的概念200
6.4.2宏观混合模型201
6.4.3反应器的混合性能分析205
6.5生物反应器的放大210
6.5.1放大原理与方法210
6.5.2基于过程机制分析的放大研究213
重点内容提示219
习题219

7生物反应器的设计/221
7.1设计要求与内容221
7.2通气式机械搅拌反应器222
7.2.1反应器结构与操作参数222
7.2.2搅拌功率计算226
7.2.3放大计算227
7.3气流搅拌塔式反应器229
7.3.1鼓泡塔反应器230
7.3.2气升式反应器231
7.4固定床和流化床反应器234
7.4.1填充床反应器235
7.4.2滴流床反应器236
7.4.3流化床反应器237
7.5膜生物反应器238
7.5.1膜生物反应器概述238
7.5.2膜生物反应器的设计240
7.6动物细胞培养反应器241
7.6.1动物细胞培养反应器概述241
7.6.2基于机械搅拌的反应器设计242
7.6.3基于气流搅拌的反应器设计247
7.6.4中空纤维细胞培养反应器247
7.6.5固定化动物细胞培养反应器248
7.7植物细胞培养反应器250
7.7.1植物细胞培养反应器概述250
7.7.2反应器类型251
重点内容提示253
习题253

8生物反应过程技术/255
8.1非水相酶催化反应过程255
8.1.1非水介质与酶的制备方法255
8.1.2影响非水相酶催化反应的因素257
8.1.3酶的种类及其催化反应过程261
8.2动物细胞培养过程265
8.2.1动物细胞的种类与特点265
8.2.2培养过程的影响因素266
8.2.3基本代谢过程特性268
8.2.4培养过程的类型269
8.3高通量生物反应器技术270
8.3.1高通量技术与微型生物反应器270
8.3.2微型生物反应器主要类型271
8.3.3微流控生物反应器274
8.3.4微型生物反应器在缩小-放大研究中的应用278
重点内容提示278

部分习题参考答案/279

参考文献/282