课程名称：生物反应工程 课程编码：0402380006
英文名称：Bioreaction Engineering
学 时：69 学 分：3.5
适用专业：生物工程 课程类别：必修
课程性质：专业课
先修课程：微生物学、生物化学、化工原理
教 材：《生物反应工程原理》（第三版）,贾士儒编著,科学出版社,2008
一、课程性质与任务
生物反应工程是一门以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题，其在生物工业中起着举足轻重的作用，是工业生物技术的核心。通过本课程的学习，使学生掌握一定工程思维方法，为后续专业课程的学习奠定基础。
二、课程教学的基本要求
本课程主要包括生物反应过程动力学和生物反应器两个部分。动力学部分着重讨论酶促反应过程与微生物反应过程的基本动力学规律：均相酶促反应动力学、固定化酶促反应动力学、微生物反应过程的计量学和能量衡算、微生物反应过程动力学。生物反应器部分着重介绍了理想的酶反应器、微生物反应器操作、生物反应器的传递过程和生物反应器的比拟放大，并简要介绍了动植物细胞培养反应器、膜反应器等新型生物反应器。
本课程要求学生掌握生物反应过程动力学基本规律，掌握生物反应器的基本理论和设计的基本方法，了解本领域国内外的研究进展，能够运用所学的知识进行生物反应过程的工程分析，以及生物反应器的选型与设计。
三、课程内容及教学要求：
第一章 绪论
本章基本内容：本课程的学科性质、研究内容、及本课程的形成与发展。
第二章 生物反应工程的生物学和工程学基础
第一节 生物反应工程的生物学基础
第二节 生物反应工程的工程学基础
本章基本内容：酶和微生物的基本概念，酶和细胞的固定化技术，流体的物理性质，物料与热量衡算，物系的平衡关系，经济核算及优化的概念。
重点：物料与热量衡算，速率的概念，物系的平衡关系。
难点：流体的物理性质。
第三章 酶促反应动力学
第一节 均相酶促反应动力学
第二节 固定化酶促反应动力学
第三节 酶的失活动力学
本章基本内容：酶的应用特点；米氏方程；酶促反应的抑制动力学；多底物酶促反应动力学；固定化酶促反应动力学和酶的失活动力学。
重点：1. 米氏方程。
2. 传质对酶促反应的影响。
3. 固定化酶促反应动力学和Da、φ准数。
难点：内部扩散过程。
第四章 微生物反应动力学
第一节 基本概念
第二节 微生物反应过程的计量学与能量衡算
第三节 微生物反应动力学
本章基本内容：微生物反应的质量能量衡算：碳素衡算、碳源衡算、氧衡算、能量衡算；微生物反应动力学：生长动力学、产物动力学、基质消耗动力学。
重点：1. 碳源衡算。
2. 氧衡算。
3. 莫诺方程。
4. Gaden的产物动力学模型。
难点：YKJ的计算。
第五章 微生物反应器操作
第一节 微生物反应器操作基础
第二节 分批式操作
第三节 连续式操作
第四节 流加式操作
本章基本内容：微生物反应器的三种主要操作方式：分批式操作、连续式操作、流加式操作。
重点：1. 单级连续培养数学模型，连续稳态操作条件，冲出现象。
2. 连续操作存在的问题及应用。
3. 指数流加数学模型。
4. 流加操作的控制与优化。
难点：流加操作及其控制。
第六章 生物反应器中的传质过程
第一节 生物反应体系的流变特性
第二节 生物反应器中的传质过程
第三节 生物反应器中的氧传递
本章基本内容：流体流变学特性，发酵液的流变学特性，氧传递理论，体积溶氧系数的测定，影响kLa的因素及其提高措施。
重点：1. 双膜理论。
2. kLa的测定方法、影响因素及提高措施。
难点：流体流变学特性。
第七章 生物反应器
第一节 生物反应器设计基础
第二节 酶反应器
第三节 微生物反应器
第四节 动植物细胞培养反应器
第五节 生物反应器的比拟放大
本章基本内容：理想型酶反应器；CPFR型酶反应器操作方程；CSTR型酶反应器操作方程；CPFR型与CSTR型酶反应器性能比较。常见的微生物反应器、动植物培养反应器；生物反应器的比拟放大。
重点：1. CPFR型酶反应器操作方程。
2. CSTR型酶反应器操作方程。
3. CPFR型与CSTR型酶反应器的性能比较。
4. 常见的微生物反应器。
难点：微生物反应器的放大。
第八章 生物反应工程领域的拓展
第一节 酶促反应工程领域的拓展
第二节 微生物反应工程领域的拓展
本章主要内容：介绍生物大分子（如蛋白质、多糖）的复杂酶促反应、超临界生物反应，双液相生物反应、界面微生物反应、代谢工程、系统生物学等生物应工程领域的拓展。
重点：多相生物反应、生物反应过程中微生物形态的变化、界面微生物反应、代谢工程、系统生物学等。
难点：代谢工程和系统生物学
四、课程学时分配(宋体4号字加粗)
讲 课 内 容 | 讲课学时 | 实验学时（含各类实践教学活动） | 合计学时 |
第一章 绪论 | 2 | | 2 |
第二章 生物反应工程的生物学和工程学基础 | 2 | | 2 |
第三章 酶促反应动力学 | 8 | | 8 |
第四章 微生物反应动力学 | 8 | | 8 |
第五章 微生物反应器操作 | 6 | 16 | 22 |
第六章 生物反应器中的传质过程 | 4 | 4 | 8 |
第七章 生物反应器 | 10 | 4 | 14 |
第八章 生物反应工程领域的拓展 | 5 | | 5 |
总计 | 45 | 24 | 69 |
五、课程习题要求
课程习题通过课上讲解与课后作业两种方式进行。
六、课程的实验内容与要求
实验一：生物反应器操作技术，要求学生认识罐的结构，熟练掌握发酵罐的操作。
实验二：亚硫酸盐氧化法测定溶氧系数KLa值。要求学生在掌握发酵罐的操作基础上，通过测定溶氧系数KLa值，加深对氧传递理论的理解。
实验三（综合性实验 ）：发状念珠藻细胞的光生物反应器培养。要求学生熟悉光生物反应器的结构和使用方法，在光生物反应器中进行发状念珠藻细胞的分批式培养，对培养过程进行检测和控制。
七、考核方式
闭卷考试
八、课程的主要参考书
1. BIOREACTION ENGINEERING PRINCIPLES, second edition，Jens Nielsen，John Villadsen，Gunnar Liden，化学工业出版社，2004
2. Elements of Chemical Reaction Engineering, fourth Edition, H.Scott Fogler，化学工业出版社，2006
3. Biological Reaction Engineering ,second edition. I. J. Dunn. E. Heinzle, J. Ingham, J.E. Pfenosil, WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA, Weinheim.2003
4. 《生物反应工程》，戚以政等编著，化学工业出版社，2004
5. 《生物反应工程》，岑沛林等编著，高等教育出版社，2005
6. 《生物反应工程》（第三版），山根恒夫著，邢新会译，化学工业出版社，2006