【正文】 物反應(yīng)器 ， 干擾素 , 胰島素 , 生長激素 , 乙肝疫苗 , 單克隆抗體 . 龍山文化 （ 距今 40004200年 ） 已有酒具出現(xiàn) 。 操作方式 產(chǎn)品的質(zhì)量 操作條件 產(chǎn)量 結(jié)構(gòu) 能耗 ? 原因 —— 物料的混合與流動 傳質(zhì)與傳熱 三傳一反 氧和基質(zhì)的供養(yǎng)和傳遞等等 ： ? 以生物反應(yīng)動力學為基礎(chǔ) ， 通過運用傳遞過程原理 、 設(shè)備工程學 、 過程動態(tài)學及最優(yōu)化原理等化學工程學的方法 ， 進行生物反應(yīng)過程的工程分析與開發(fā) ， 以及生物反應(yīng)器的設(shè)計 、 放 、操作和控制等 。 ? 化學工程的原理與方法 —— 化學反應(yīng) 、 原料的處理和產(chǎn)物的分離 、 能量的傳遞 、 設(shè)備的設(shè)計與放大 、 過程的控制和優(yōu)化等一系列工程技術(shù)問題 。 分子生物學 、 微生物生理學 、 生物化學 、免疫生物學等等 。 以生物反應(yīng)器為核心，之前反應(yīng)上游加工；之后反應(yīng)下游加工 生物反應(yīng)過程的特點 ? 一門綜合學科 —— 生物學：生物化學 、 分子生 物學 、 微生物學 化學：無機 、 有機 、 分析 、 物理 工程學：化學工程 、 機械工程； ? 采用生物催化劑 —— 酶 Enzyme； ? 采用再生資源為原料 —— 豐富 、 低廉 ， 危害性??；難控制 ， 質(zhì)量不穩(wěn)定； ? 設(shè)備簡單 ， 能耗低 。研究方向為生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能、基因分子生物學、人類與動物分子遺傳學、微生物代謝與調(diào)控以及植物基因工程等。 生物技術(shù)專業(yè)主要包括生物芯片技術(shù)、微生物發(fā)酵工程、藻類技術(shù)、細胞工程及酶工程和生態(tài)環(huán)境工程。 ? 以 清華大學 為例，生物科學與技術(shù)系是培養(yǎng)在生物科技領(lǐng)域從事科學研究、教學和應(yīng)用開發(fā)工作的高水平人才的專門系科。 2． 1859年，英國生物學家達爾文出版 《 物種起源 》 。 ? 實質(zhì)：利用生物催化劑從事生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程 。 (bioprocess) ? 定義： 將生物技術(shù)的實驗室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)而成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程 。 ? 生物科學 bioscience ：側(cè)重機理 研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學 ? 生物工程 bioengineering ：側(cè)重工程 （一）描述性生物學 1． 19世紀 30年代，德國植物學家施萊登、動物學家施旺提出細胞學說。 生物科學發(fā)展 ? 生物工程專業(yè)本科授予工學學士學位，生物科學和生物技術(shù)專業(yè)本科授予理學學士學位。 生物科學專業(yè)主要涉及生物化學、分子生物學、生物物理學、結(jié)構(gòu)生物學和細胞發(fā)育生物學等學科領(lǐng)域。 ? 以 上海交大 為例，生物技術(shù)專業(yè)旨在培養(yǎng)具有扎實的現(xiàn)代生命科學理論基礎(chǔ)和熟練的操作技能與工程基礎(chǔ)知識、掌握計算機以及外語的高級專業(yè)人才。 示意圖 細胞 酶 (游離或固定化 ) 空氣 能量 提取精制 產(chǎn)品 生物催化劑 副產(chǎn)品 滅菌 廢物 原料 基質(zhì)或培養(yǎng)基 生 物 反 應(yīng) 器 檢 測 控 制 系 統(tǒng) 組 成 ? 原料的預(yù)處理 —— 選擇 、 加工 （ 物理或化學 ） 、培養(yǎng)基的配制和滅菌； ? 生物催化劑的制備 —— 菌種的選擇 、 擴大培養(yǎng)和接種 ， 酶的純化和固定化等； （ 核心 ） ? 生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控 —— 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu) 、 操作方式 、 操作條件；反應(yīng) 參數(shù)的檢測與控制； ? 產(chǎn)物的分離純化 —— 去除雜質(zhì)，提高濃度。 . 生物工程的分類 ： ? 基因工程 (Gene engineering) ? 細胞工程 (Cell engineering) ? 酶工程 (Enzyme engineering) ? 發(fā)酵工程 (Fermentation engineering) ? 蛋白質(zhì)工程 (Protein engineering) 細胞工程 微生物 工程菌 發(fā)酵工程 產(chǎn)品 蛋白質(zhì)或酶 蛋白質(zhì)或酶工程 基因工程 優(yōu)良動、植物品系 動、植物個體或細胞 基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程之間的相互關(guān)系 ? 學科眾多 。既為生物技術(shù)服務(wù)的化學工程。 如何從生物現(xiàn)象中抽象出共性的內(nèi)容 ? 從宏觀看 以獲得生物量為目的： 生物合成速率 ≈ 影響因素（生物體、基質(zhì)、環(huán)境因素、操作條件等） 以獲得目的產(chǎn)物為目的： ? 從微觀看 轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯速率 =（基因量、 …… .等 ) 調(diào)控速率 =（表達速率、酶活力、 …… 等） —— 生物反應(yīng)過程的關(guān)鍵設(shè)備。 生物反應(yīng)工程與相關(guān)學科的關(guān)系 表 生物反應(yīng)過程特征的比較 生物反應(yīng) 過程 生物 反應(yīng)特征 酶反應(yīng)過程 細胞反應(yīng)過程 微生物反應(yīng)過程 動植物細胞培養(yǎng)過程 單一菌體培養(yǎng)系統(tǒng) 多菌體混合培養(yǎng)系統(tǒng) 反應(yīng)水平 分子水平 單一群體水平 生態(tài)系水平 細胞或組織水平 反應(yīng)過程的復(fù)雜性 簡單 一般 復(fù)雜 很復(fù)雜 基質(zhì)的數(shù)量 12基質(zhì) 幾種基質(zhì) 幾種基質(zhì) 幾種基質(zhì) 產(chǎn)物的數(shù)量 12種 菌體和幾種代謝產(chǎn)物 幾種菌體和二氧化碳，厭氧反應(yīng)過程、甲烷 細胞或組織或幾種產(chǎn)物和二氧化碳 反應(yīng)速率或生長速率 快 一般 慢 很慢 a 釀酒 、 生產(chǎn)醬油和醋 —— 容器 最簡單 、 最原始的生物反應(yīng)器 b. 1857 Pasteur 酵母發(fā)酵生產(chǎn)酒 —— 控制 —— 發(fā)酵罐 c. 20世紀初 , 微生物產(chǎn)品有所發(fā)展 ,但主要屬于初級代謝產(chǎn)物 , 厭氣發(fā)酵 , 設(shè)備也相對簡單 （ 乳酸 ，乙醇 ， 丙酮 ） 。 公元 10年有了天花的活疫苗 。 ? 20世紀后期 （ 1970～ 80年 ） 生物反應(yīng)工程學科的形成 。 ? 數(shù)學模型法 —— 用數(shù)學語言表達生物法反應(yīng)過程中各個變量之間的關(guān)系 。 第 1章 均相酶催化動力學 本章的重點： ① 米氏方程的兩種假設(shè) 、 兩種推導(dǎo)方式及其參數(shù)的物理意義； ② 實驗法求取米氏方程的動力學參數(shù)； ③ 競爭性抑制劑和非競爭抑制劑的動力學方程的推導(dǎo)及判斷； ④ 根據(jù)實驗數(shù)據(jù) ， 計算出動力學參數(shù)并判斷動力學類型 。 催化中心活力 酶活力 —— 1 kat=6 107U 或 1μ kat=60 U 1U= 108 kat 比活力 —— 每 1mg（ 1ml）蛋白質(zhì)所具有的酶的單位數(shù)。 對于恒容反應(yīng)， V為常數(shù)，故 dt]P[ddt)vn(ddtdnV1rppp ???dtdnV1r ss ?? dtdnV1r pp ?dt]S[ddt)vn(ddtdnV1rsss ??????反應(yīng)速率 ? 反應(yīng)速率的單位有 molmin 1 和mol 平均速率 在化學反應(yīng)進行的一段時間里，單位時間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加即為 平均速率 ，用 表示。如擬合曲線為 c = a5 t5 + a4 t4 + a3 t3 + a2 t2 + a1 t + a0 中 c為濃度， t為時間， an為常數(shù)。 K越大。 Ks越大 ， 表示解離進行程度越大 ，即解離進行越完全；反之 ， Ks越小 ， 表示反解離進行程度越小 ， 即解離進行的越不完全 。 ? 物理意義：某在反應(yīng)一定溫度下，反應(yīng)物為單位濃度時的反應(yīng)速度。已知反應(yīng)常數(shù) k1和 k2分別為 。 酶催化的水解反應(yīng) 、 異構(gòu)化反應(yīng)和大部分裂解反應(yīng) ② 對單一底物參與的簡單酶催化反應(yīng)： S P 反應(yīng)機理可表示為： S + E ES E + P 根據(jù)質(zhì)量作用定律 ， P的生成速率可表示為 rp=k+2[ES]=k+2X E k+2 k+1 k1 假設(shè) ? 在反應(yīng)過程中 ， 酶的濃度保持恒定 ， 即 e0=efree+X ? 與底物濃度 [S]相比 ， 酶的濃度是很小的 。 ① M—— M方程 快速平衡學說（ rapid equilibrium) ? 原理 :k+1＞＞ k2 ， k1＞＞ k2 即 ES E+P 反應(yīng)慢 ， k+2較小 ， 決定整個酶催化反應(yīng)的速度 。 即 [ES]在反應(yīng)開始后與 E及 S迅速達到動態(tài)平衡 k+1＞＞ k+2 ， k1＞＞ k+2 ES]的生成速率與其解離速率相等，其濃度不隨時間變化。 E+S [ES ] E+P e [S] X e [P] ? 解： BH： rP=k+2Xk2e[P] e0=e+X k+1[S] e+ k2 e[P] = k1X+k+2X ?][][])[][e1222121212PkkSkkkPkkkkSkr P???????????????k+1 k1 k2 k+2 ?][][)()][][eX212121PkSkkkPkSk???????????MM法 k+1[S] e= k1 X 則 ][1e11Skk ???? ][][X110SkkSe?????][])[][e2121212SkkPkkkkSkrP?????????? 動力學特征與參數(shù)求解 ? 動力學特征 A.[S]＜＜ Km（ [S]＜ ）， r為直線， B. [S] ＞＞ Km （ [S] ＞ 100Km ） ， r為直線 C. ＜ [S] ＜ 100Km， r為曲線 ? 參數(shù)求解 ]S[]S[[ S ]]S[lnKtr00mm ax ????? 0mm ax]S[1lnKtr ??00]S[]S[[ S ] ???轉(zhuǎn)化率]S[K]S[rdt]S[drmm a x????參數(shù)求解 (a)LinewearBunk (b)HaneWoolf (c) EadieHofstee (d）積分法 參數(shù)求解 ? LB法，雙倒數(shù)法（常用） 特點：濃度小時，誤差大 ；方便，快速。 t/h 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [S]/(mmol/L) ln([S0][S]) [S0][S] 0 5 1 1 4 2 6 3 1