本課程的學(xué)科性質(zhì)、研究內(nèi)容及學(xué)科的形成與發(fā)展-食品伙伴網(wǎng)

1、1緒論教學(xué)基本內(nèi)容：本課程的學(xué)學(xué)科性質(zhì)質(zhì)、研究究內(nèi)容及及學(xué)科的的形成與與發(fā)展。授課重點：1. 生物物反應(yīng)工工程的定義。2. 生物物反應(yīng)過過程的概概念及分分類。3. 生物物反應(yīng)器器的概念念及分類類。4. 本課課程與其其他相關(guān)關(guān)課程的的聯(lián)系與與區(qū)別。5. 本課課程的研研究內(nèi)容容。6. 學(xué)科科的形成成與沿革革。難點：1. 生物物反應(yīng)工工程的定義。2. 本課課程與其其他相關(guān)關(guān)課程的的聯(lián)系與與區(qū)別。本章節(jié)主要要教學(xué)要要求：通過本章學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)學(xué)生應(yīng)了了解本課課程的學(xué)學(xué)科性質(zhì)質(zhì)、研究究內(nèi)容和和學(xué)習(xí)方方法。1 緒論生物工業(yè)在在整個國國民經(jīng)濟濟中處于于重要地地位，它它涉及到到生物制制藥、生生物化工工、食品品工業(yè)

2、、環(huán)環(huán)境、能能源工業(yè)業(yè)。傳統(tǒng)統(tǒng)的生物物工業(yè)靠靠的是經(jīng)經(jīng)驗，而而現(xiàn)代生生物工業(yè)業(yè)要對生生產(chǎn)過程程進行定定量分析析和自動動化控制制，這離離不開生生物反應(yīng)應(yīng)工程這這一學(xué)科科的發(fā)展展。可以以說，生生物反應(yīng)應(yīng)工程是是工業(yè)生生物技術(shù)術(shù)的核心心。1.1 生生物反應(yīng)應(yīng)工程的的定義生物反應(yīng)工工程是一一門以生生物學(xué)、化化學(xué)、工工程學(xué)、計計算機及及信息技技術(shù)等多多學(xué)科為為基礎(chǔ)的的交叉學(xué)學(xué)科，它它以生物物反應(yīng)動動力學(xué)為為基礎(chǔ)，將將傳遞過過程原理理、設(shè)備備工程學(xué)學(xué)、過程程動態(tài)學(xué)學(xué)及最優(yōu)優(yōu)化原理理等化學(xué)學(xué)工程學(xué)學(xué)方法與與生物反反應(yīng)過程程的反應(yīng)應(yīng)特性方方面的知知識相結(jié)結(jié)合，進進行生物物反應(yīng)過過程分析析與開發(fā)發(fā)，以及及生物反

3、反應(yīng)器的的設(shè)計、操操作和控控制等。說明： = 1 * GB3 定義從學(xué)學(xué)科的角角度講解解了生物物反應(yīng)工工程與其其他學(xué)科科的關(guān)系系，生物物學(xué)、化化學(xué)、工工程學(xué)、計計算機和和信息技技術(shù)是其其基礎(chǔ)，研研究方法法上借鑒鑒了已經(jīng)經(jīng)研究得得很成熟熟的化學(xué)學(xué)工程學(xué)學(xué)。 = 2 * GB3 生物反應(yīng)應(yīng)工程核核心的研研究內(nèi)容容是生物物反應(yīng)過過程分析析與開發(fā)發(fā)，以及及生物反反應(yīng)器的的設(shè)計、操操作和控控制。定義中涉及及到生物物反應(yīng)過過程和生生物反應(yīng)應(yīng)器的概概念。（1） 生生物反應(yīng)應(yīng)過程生物反應(yīng)與與化學(xué)反反應(yīng)相比比，反應(yīng)應(yīng)條件溫和和，通常常是常溫溫、常壓壓、中性性pH值值，這是是由于生生物反應(yīng)應(yīng)中有生生物催化化劑即酶

4、酶的參與與。自然然界的生生物現(xiàn)象象千變?nèi)f萬化，一一粒種子子可以長長成參天天大樹，個個體微小小、無處處不在的的微生物物生長之之快，是是任何動動植物無無法比擬擬的，細細菌200minn即可繁繁殖一代代。動、植植物、微微生物為為什么能能生長、繁繁殖，本本質(zhì)上是是由于酶酶催化反反應(yīng)，每每個細胞胞都是一一個化工工廠，每每時每刻刻都在進進行著反反應(yīng)，因因此廣義義上一切切動植物物、微生生物的生生長繁殖殖都可以以看作是是生物反反應(yīng)過程程。狹義義上指那那些能夠夠應(yīng)用于于生物工工業(yè)中的的過程。生物反應(yīng)過程的分類見表11。表11 生物反反應(yīng)過程程的分類類過程分類酶促反應(yīng)過過程微生物反應(yīng)應(yīng)過程動植物細胞胞反應(yīng)過過程廢

5、水生物處處理過程程反應(yīng)水平分子水平細胞水平細胞水平群體水平反應(yīng)的復(fù)雜雜性簡單較復(fù)雜復(fù)雜很復(fù)雜底物、產(chǎn)物物數(shù)量較少較多較多很多反應(yīng)速度較快較快較慢很慢上述生物反反應(yīng)過程程分類中中只包括括動、植植物細胞胞反應(yīng)過過程，而而不是動動植物反反應(yīng)過程程，這是是因為，動動植物的的培養(yǎng)屬屬于農(nóng)業(yè)業(yè)、畜牧牧業(yè)、園園藝研究究的范疇疇，而不不屬于生生物工業(yè)業(yè)了。（2）生物物反應(yīng)器器生物反應(yīng)器器是進行行生物反反應(yīng)的設(shè)設(shè)備通稱稱。生物物反應(yīng)過過程的多多樣性，決決定了生生物反應(yīng)應(yīng)器的型型式也是是多樣的的，如酶酶促反應(yīng)應(yīng)的設(shè)備備是酶反反應(yīng)器，微微生物反反應(yīng)的設(shè)設(shè)備是發(fā)發(fā)酵罐，植植物細胞胞培養(yǎng)的的設(shè)備是是光合生生物反應(yīng)應(yīng)器，

6、動動物細胞胞培養(yǎng)的的設(shè)備是是動物細細胞培養(yǎng)養(yǎng)反應(yīng)器器。1.2 生生物反應(yīng)應(yīng)工程與與其他相相關(guān)學(xué)科科的聯(lián)系系與區(qū)別別一般生物反反應(yīng)過程程的示意意圖如圖圖111所示。生物催化劑（酶、微生物、動植物細胞）原料及其處理生物催化劑（酶、微生物、動植物細胞）原料及其處理 種子培養(yǎng)基制備與滅菌種子培養(yǎng)基制備與滅菌無菌空氣生物反應(yīng)器檢測控制系統(tǒng)無菌空氣生物反應(yīng)器檢測控制系統(tǒng)提取精制提取精制產(chǎn)品副產(chǎn)品廢物產(chǎn)品副產(chǎn)品廢物圖1-1 一般生生物反應(yīng)應(yīng)過程示示意圖從圖1-11可以看看出，這這一過程程的核心心就是利利用生物物催化劑劑進行生生物技術(shù)術(shù)產(chǎn)品的的生產(chǎn)。針對這一工工藝過程程，應(yīng)用用微生物物學(xué)家的的任務(wù)就就是確定定

7、微生物物品種、菌菌株及培培養(yǎng)基組組成。生生化工程程學(xué)家的的任務(wù)是是設(shè)計一一個經(jīng)濟濟上合理理的過程程，包括括培養(yǎng)基基配制與與滅菌、無無菌空氣氣的制備備、菌種種的擴大大培養(yǎng)、過過程設(shè)計計、生物物反應(yīng)器器設(shè)計與與控制，產(chǎn)產(chǎn)品回收收與分離離（包括括廢水處處理）。這這些操作作設(shè)計是是建立在在質(zhì)量傳傳遞、熱熱量傳遞遞、動量量傳遞和和生物反反應(yīng)動力力學(xué)的基基礎(chǔ)之上上。因此此生物反反應(yīng)工程程研究的的目的就就是提供供適宜的的動力學(xué)學(xué)速率方方程，以以描述生生物反應(yīng)應(yīng)體系（包包括酶、微微生物、動動植物反反應(yīng)體系系），為為生物工工藝過程程設(shè)計和和生物反反應(yīng)器設(shè)設(shè)計提供供理論依依據(jù)。1.3 生生物反應(yīng)應(yīng)工程的的研究內(nèi)內(nèi)

8、容 生生物反應(yīng)應(yīng)工程是是以工業(yè)業(yè)規(guī)模的的生物反反應(yīng)過程程為主要要研究對對象，具具體研究究中要兼兼顧可操操作性。生生物反應(yīng)應(yīng)工程的的研究內(nèi)內(nèi)容主要要可分為為生物反反應(yīng)動力力學(xué)、生生物反應(yīng)應(yīng)器和生生物反應(yīng)應(yīng)過程的的放大和和縮小三三個部分分。（1） 生生物反應(yīng)應(yīng)動力學(xué)學(xué) 生生物反應(yīng)應(yīng)動力學(xué)學(xué)主要是是研究生生物反應(yīng)應(yīng)速率及及各種因因素對生生物反應(yīng)應(yīng)速率的的影響。（2） 生生物反應(yīng)應(yīng)器 生生物反應(yīng)應(yīng)器是生生物技術(shù)術(shù)轉(zhuǎn)化為為產(chǎn)品、生生產(chǎn)力的的關(guān)鍵設(shè)設(shè)備，其其在生物物過程中中處于中中心地位位。使用用高效率率的生物物反應(yīng)器器的目的的是提高高產(chǎn)品生生成速率率，減小小輔助設(shè)設(shè)備，降降低生產(chǎn)產(chǎn)成本，獲獲得盡可可能大

9、的的經(jīng)濟效效益。（3） 生生物反應(yīng)應(yīng)過程的的放大和和縮小 一一個生物物工藝過過程的開開發(fā)總是是先從實實驗室規(guī)規(guī)模開始始的，然然后經(jīng)小小試、中中試、生生產(chǎn)性試試驗幾個個階段才才可真正正進行工工業(yè)規(guī)模模生產(chǎn)，這這就是生生物反應(yīng)應(yīng)過程的的放大。工業(yè)生物反反應(yīng)器中中，總存存在一定定程度的的物料返返混，并并且生物物反應(yīng)器器體積越越大，返返混越嚴嚴重。因因此生物物反應(yīng)過過程放大大時，不不可簡單單地將實實驗室研研究中反反應(yīng)動力力學(xué)參數(shù)數(shù)照搬到到工業(yè)生生產(chǎn)中，而而要采用用適宜的的放大方方法。 工工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)中出現(xiàn)現(xiàn)了問題題，不可可能簡單單地在生生產(chǎn)上使使用工業(yè)業(yè)生物反反應(yīng)器進進行研究究，因為為這樣的的研究成成本

10、太昂昂貴了。而而應(yīng)在實實驗室中中使用小小型生物物反應(yīng)器器來模擬擬生產(chǎn)過過程，來來進行研研究，這這就是生生物反應(yīng)應(yīng)過程的的縮小。 無無論是放放大，還還是縮小小，都需需要生物物反應(yīng)工工程理論論的指導(dǎo)導(dǎo)。1.4 生生物反應(yīng)應(yīng)工程學(xué)學(xué)科的形形成與沿沿革 生生物反應(yīng)應(yīng)工程學(xué)學(xué)科是隨隨著生物物技術(shù)的的發(fā)展而而逐步形形成的。史史前時代代，人們們還不知知道什么么是酶或或微生物物時，就就已經(jīng)利利用它們們進行有有用物質(zhì)質(zhì)的生產(chǎn)產(chǎn)了。但但這些產(chǎn)產(chǎn)品種類類很少，生生產(chǎn)規(guī)模模不大。440年代代前期，為為了適應(yīng)應(yīng)二次世世界大戰(zhàn)戰(zhàn)救治傷傷員的迫迫切要求求，急待待將19928所所早就發(fā)發(fā)明的青青霉素投投入工業(yè)業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)。可是

11、是遇到了了空前的的難題。青青霉素生生產(chǎn)菌比比生長速速率很低低，致使使生產(chǎn)周周期長達達1000h。這這種形勢勢下，許許多化學(xué)學(xué)工作者者介入了了難題攻攻關(guān)。這這樣生化化工程學(xué)學(xué)誕生了了。而生生物反應(yīng)應(yīng)工程作作為生化化工程領(lǐng)領(lǐng)域的一一個分支支，它的的產(chǎn)生是是在700年代。119711年英國國學(xué)者巴巴特金遜遜首次提提出了生生化反應(yīng)應(yīng)工程這這一術(shù)語語。19975年年日本學(xué)學(xué)者合葉葉修一出出版了生生化動力力學(xué)專著著生物物化學(xué)工工程反反應(yīng)動力力學(xué)。119799年日本本學(xué)者山山根恒夫夫編著了了生物物反應(yīng)工工程一一書。我我國最早早出版的的有關(guān)書書籍是賈賈士儒教教授編著著的生生物反應(yīng)應(yīng)工程原原理，我我校也是是最早

12、開開設(shè)生物物反應(yīng)工工程課程程的學(xué)校校。目前前設(shè)有生生物工程程專業(yè)的的院校絕絕大多數(shù)數(shù)已開設(shè)設(shè)此課程程。 1.5 本本課程選選用教材材及參考考書教材：生物反應(yīng)應(yīng)工程原原理（第第二版）賈賈士儒編編著，科科學(xué)出版版社，220033。參考書：1 BBIORREACCTIOON EENGIINEEERINNG PPRINNCIPPLESS（Seeconnd EEdittionn），Jeens Nieelseen，Johhn VVillladssen，Gunnnarr Liidenn，化學(xué)學(xué)工業(yè)出出版社，2004。2. Biioloogiccal Reaactiion Enggineeeriing Seccondd Edditiion. I. J. Dunnn. E. Heiinzlle, J. Ingghamm, JJ. E. Prrenoosill. WIILEYY-VCCH VVerll