生物反应工程

1绪论1

1.1生物反应工程的发展过程1

1.2生物反应工程的主要内容2

1.3生物反应工程的研究方法4

2均相酶反应动力学6

2.1酶反应的基本特征6

2.1.1酶的催化共性6

2.1.2酶的催化特性7

2.2单底物酶反应动力学7

2.2.1m-m方程的建立7

2.2.2动力学特征与参数求取10

2.2.3底物抑制动力学14

2.2.4产物抑制动力学14

2.3有抑制剂的酶反应动力学15

2.3.1竞争性抑制动力学15

2.3.2非竞争性抑制动力学17

2.3.3反竞争性抑制动力学18

2.3.4各种抑制的比较19

2.4复杂的酶反应动力学22

2.4.1可逆反应动力学22

.2.4.2双底物反应动力学22

2.4.3平行反应动力学23

2.4.4变构酶反应动力学24

2.5反应条件对酶反应速率的影响25

2.5.1ph的影响25

2.5.2温度的影响26

2.6酶的失活动力学27

2.6.1未反应时酶的热失活动力学27

2.6.2反应时酶的热失活动力学28

习题29

3固定化酶反应过程动力学32

3.1固定化酶反应动力学的特征32

3.1.1酶的固定化方法32

3.1.2酶的固定化对其动力学特性的影响34

3.1.3影响固定化酶动力学的因素34

3.2外扩散限制效应38

3.2.1外扩散速率对酶反应速率的限制效应38

3.2.2外扩散限制与化学抑制同时存在的动力学42

3.3内扩散限制效应45

3.3.1载体的结构参数与微孔内的扩散45

3.3.2颗粒内的浓度分布与有效因子47

3.4内外扩散同时存在时的限制效应60

3.4.1内外扩散同时存在时的有效因子61

3.4.2化学抑制和分配效应对有效因子的影响62

3.5扩散影响下的表观动力学参数与稳定性63

3.5.1扩散对反应速率与浓度关系的影响64

3.5.2扩散对反应速率与温度关系的影响65

3.5.3扩散对固定化酶失活速率的影响66

习题69

4细胞反应过程动力学72

4.1细胞反应过程计量学72

4.1.1细胞反应的元素衡算方程73

4.1.2细胞反应过程的得率系数75

4.2细胞生长的非结构动力学79

4.2.1细胞生长动力学的描述方法79

4.2.2无抑制的细胞生长动力学81

4.2.3有抑制的细胞生长动力学85

4.2.4细胞生长延迟期、稳定期、死亡期和细胞维持动力学85

4.2.5温度和ph对细胞生长速率的影响86

4.3底物消耗与产物生成动力学88

4.3.1底物消耗动力学88

4.3.2代谢产物生成动力学90

4.3.3细胞反应的产热速率92

4.4灭菌动力学93

4.5细胞反应动力学参数的估算95

4.5.1实验反应器96

4.5.2动力学参数的估算97

4.6固定化细胞反应动力学105

4.6.1生物膜内的扩散限制105

4.6.2絮凝物内的扩散限制107

4.7细胞生长的结构模型108

4.7.1分室模型108

4.7.2代谢模型110

4.7.3重组细胞生长模型112

习题113

5间歇式操作反应器117

5.1生物反应器设计概论117

5.1.1分类与特征117

5.1.2基本设计方程120

5.2间歇式操作反应器的设计121

5.2.1间歇式操作的特点121

5.2.2反应时间的计算121

5.2.3有效体积的计算126

5.3反应过程的流体力学126

5.3.1反应介质的流变特性126

5.3.2影响流变性质的因素128

5.3.3流体的剪切作用129

5.4氧的传递反应特性134

5.4.1气液相间氧的传递与反应134

5.4.2液固相间和细胞团内氧的传递137

5.4.3影响氧传递的因素138

5.4.4体积传质系数的测定141

5.5机械搅拌反应器的结构与计算143

5.5.1反应器结构与操作参数143

5.5.2搅拌功率的计算146

5.5.3体积传质系数k璴a的计算149

5.6反应过程的传热特性151

5.6.1反应过程的传热151

5.6.2灭菌过程的传热154

习题157

6连续式操作反应器160

6.1概述160

6.1.1连续操作的特点160

6.1.2理想流动反应器的模型方程161

6.2连续操作搅拌槽式反应器（cstr)163

6.2.1酶反应时的单级cstr163

6.2.2细胞反应时的单级cstr163

6.2.3带细胞循环的单级cstr173

6.2.4多级cstr串联176

6.3连续操作管式反应器（cpfr)180

6.3.1酶反应时的cpfr180

6.3.2带循环的cpfr181

6.3.3cpfr与cstr的选择与组合184

6.4膜式酶反应器188

6.4.1膜生物反应器概述188

6.4.2膜式酶反应器及其操作特性191

习题195

7反应器的流动模型与混合特性199

7.1停留时间分布199

7.1.1停留时间分布的定量描述199

7.1.2停留时间分布的实验测定201

7.1.3停留时间分布的统计特征值205

7.2理想流动模型的停留时间分布207

7.2.1cpfr的停留时间分布208

7.2.2cstr的停留时间分布209

7.3非理想流动模型210

7.3.1槽列模型211

7.3.2轴向扩散模型215

7.3.3组合模型220

7.4流体的混合特性221

7.4.1混合的分类221

7.4.2微观混合特性的描述222

7.4.3微观混合对反应结果的影响223

7.5固定床生物反应器225

7.5.1固定床酶反应器225

7.5.2固态发酵反应器227

习题229

8半间歇半连续操作反应器232

8.1概述232

8.1.1半间歇半连续操作的特点232

8.1.2半间歇半连续操作的分类232

8.1.3补料分批操作的适用范围234

8.2补料分批培养过程的操作模型235

8.2.1基础模型方程的建立235

8.2.2恒速流加操作模型237

8.2.3恒定生长参数的流加模型238

8.2.4定值控制的流加模型240

8.2.5反复流加操作模型242

8.3补料分批培养过程的优化243

8.3.1补料速率的优化243

8.3.2补料方式的选择249

8.4反应-分离耦合过程251

8.4.1膜透析培养过程252

8.4.2萃取-培养过程254

习题257

9动植物细胞反应器259

9.1动物细胞反应器259

9.1.1动物细胞培养过程概述259

9.1.2微载体悬浮培养反应器266

9.1.3无泡搅拌反应器269

9.1.4中空纤维细胞培养反应器270

9.1.5流化床细胞培养反应器271

9.2植物细胞与光照生物反应器271

9.2.1植物细胞培养过程概述271

9.2.2植物细胞反应器273

9.2.3光照生物反应器275

9.3气升式反应器276

9.3.1反应器结构与传递特性276

9.3.2反应器模型282

9.3.3气升式反应器在细胞培养中的应用284

习题286

10生物反应器的放大287

10.1放大原理与准则287

10.1.1放大原理287

10.1.2放大准则290

10.2经验放大法291

10.2.1通气速率放大292

10.2.2搅拌功率及速率放大293

10.3缩小-放大法298

10.3.1机理分析--时间常数法298

10.3.2实验模拟299

10.3.3缩小-放大法在生物反应器放大中的应用300

10.4其他放大方法305

10.4.1因次分析法305

10.4.2基础模型法307

10.4.3计算流体力学法307

习题309

部分习题参考答案311

主要符号一览表314

主要参考文献320

索引323