生物反应工程原理(第四版)

**章 绪论 学习目的：了解生物反应工程的学科定义、特点和历史沿革；明确学习生物 反应工程课程的目的与关键点；认知生物反应工程的主要内容与学习方法。 生物反应工程（bioreaction engineering）是生物化学反应工程的简称，是一门以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等学科为基础，研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的交叉学科。生物反应工程以生化反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及*优化原理等化学工程学方法与生物过程方面的知识加以联系，以提高生物反应效率为目标，进行生物反应过程的分析与开发，生物反应器的设计和操作，以及过程优化控制等。生物反应工程在生物工业中起到举足轻重的作用，可以说，它是生物产品工业化的核心技术方法。 1.1 生物反应工程研究的目的 生物是指自然界中由活质构成并具有生长、发育、繁殖等能力的物体。动物、植物和微生物是自然界中具有生命的三大类生物。生物化学的主要任务是了解生物的化学组成和它们的化学活动。生物个体都会进行物质的能量代谢，使自己得以生长和发育，按照一定的遗传和变异规律进行繁衍与进化，人们将这种生物体内的代谢变化称为生物反应。另外，温度、pH、压力等外部环境因素会影响到微生物细胞个体的生长与代谢过程，这是微生物发酵过程所面临的实际状况，也是一种生物反应过程。还有生物酶催化生物反应过程中，在酶的催化下，一种或多种底物改变化学组成、性质和特征成为与原来不相同的另一种或多种物质的变化过程，也是生物反应。所以，生物反应是指创造适宜条件，利用生物体高效率产生人类所需的目的产物的过程。 生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应。由于生物催化剂的参与，生物反应过程具有一些特性。例如，与化学反应相比，生物反应是在比较温和的条件（常温、常压、pH接近中性等）下进行的；反应速率有时比化学反应过程慢得多；反应的复杂性有时难以预估等。但是对反应过程做定量的、动力学方面的研究都是其要探讨的*基本的问题。 广义讲，自然界中生物体的新陈代谢和自我复制是生物*基本的特征，也是*基本的生命现象。这种生命现象，即生物反应现象可以说是无处不在（如植物或动物的生长，利用微生物生产有用产物，生物反应中酶促反应所起的关键作用等），这些现象的核心是生物催化反应，或者说是生物的生长、繁殖、形成产物、某种物质的减少或增加的过程。例如，微生物的生长繁殖，细胞个数的增加，以及其形态、大小的不断变化等。另外，由于不断发现新的生物物种，以及对生物反应机制的深入了解，生物反应系统变得更为复杂。例如，酶分子在催化反应中会受到反应液中某种成分的诱导或抑制；微生物细胞由于环境因素的影响而出现自身的变异；某些微生物可以通过“气体通道”相互保持联系等。虽然这些复杂的生物反应过程有时还难以进行综合研究，但生物量或产物量在过程中的变化，都贯穿了反应“速率”这一核心内容。 狭义讲，生物反应过程是指将实验室的成果经放大成为可工业化生产的工艺过程，实现工业化生产过程的高效率运转，或者说是提高生产过程效率。针对一个生物反应过程，可以利用（1-1）式表示为 这就是说，以微生物反应过程为例，就是提高单位时间微生物细胞生成量，或产物生成量。确保反应过程效率的*大化，是生化工程师*为关心的问题。 生物反应过程研究的目的是提供适宜的动力学速率方程，以描述相应微生物（或酶、动植物等）反应体系，确定这些方程在设计方面的用途，规划实验室的实验，决定动力学方程所需的速率常数。从生物反应器的设计和操作看，有必要研究生物反应速率和与之相关影响因素之间的定量与定性关系。针对一个具体的生物反应过程，（1-1）式也可以表示为 反应速率=f（操作参数，如温度、pH、溶解氧浓度、压力、动力、培养基组成及其浓度等）（1-2） 人们关心的是如何获得这一反应速率的*大值。 一般生物反应过程可用图1-1所示的流程示意图表示。可以看出，虽然实际的工业工程过程要复杂得多，但从图中总可以将其分为上游、中游和下游三个阶段。上游主要指原料处理与培养基制备，包括种子的制备；中游是利用生物反应获得目的产物的过程；下游指目的产物的提取与精制。一般认为，生物反应过程的核心是在生物反应器中如何利用生物催化剂高效率地进行目的产物的生产。 图1-1 一般生物反应过程流程示意图 针对上述过程，应用微生物学家的任务是确定专门用途的微生物品种、菌株及培养基的组成。生化工程学家的任务是设计一个经济上合理的过程，包括：培养基配制与灭菌、无菌空气的制备、菌种的扩大培养、过程设计、反应器设计与控制、产品回收与分离（包括废水处理）等。传统上，这些操作的设计基础是质量传递、热量传递、动量传递和生化反应动力学（即三传一反）。当今，随着系统生物学和合成生物学的出现，以及化学工程方法的进步，一些新的工程方面的理论丰富了生物反应工程的内容。 如今利用系统生物学、合成生物学方法改造微生物可以提高目的产物（蛋白质或其他物质）的产率，但在工业生产中仍离不开对这些“工程菌株”的动力学描述。 1.2 生物反应工程学科的形成与发展现状 生物反应工程学科是随着生物技术的发展而逐步形成的。史前，人们还不知道什么是酶或微生物时，就已利用它们进行有用物质生产了。例如，美国学者研究认为，新石器早期中国已有稻米、山楂果和野葡萄的发酵物出现，并认为9000年前中国的酒多为小米或水果酿造。4000~4200年前的龙山文化便已有酒具出现。公元前200年，我国人民就已掌握了酱油和食醋的酿造技术。生产过程中使用的容器就是*简单、*原始的生物反应器，产物生成过程就是利用生物反应的过程。在我国*早的诗集《诗经》中就提到采用厌氧（发酵的方法）进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花的活疫苗。很长一段历史过程中，人们虽然已经知道怎样利用生物反应，如提高酒类等发酵制品的风味及质量等，但仍没有认识到其与生物的作用有关。 1857年巴斯德（Pasteur）首次证明乙醇发酵是由酵母引起的，而酵母是活的细胞。随着微生物分离、纯化、培养技术的逐步确立，开创了人类控制微生物反应的新时期。**次世界大战后，尤其是第二次世界大战期间，深层培养技术、无菌空气制备技术的建立，促进了生物制品，特别是青霉素的大规模工业化生产，这是化学工程工作者积极参与的结果。同时，意味着微生物与化工两大学科相交叉的新学科——生物化学工程诞生了。 随着生物工程技术的发展，对生物反应过程的研究更为深入，培养操作过程的控制更为合理，新型生物反应器不断出现。与此同时，一些新理论、新技术不断涌现，如固定化技术、基因工程技术、生物信息技术等。这些新理论、新技术推动了生物化学工程学科的发展，促使生物反应工程这一新的学科分支从生物化学工程领域中产生。 早在1971年英国学者巴特金逊（Batkinson）首次提出生化反应工程这一术语，1975年作为生化工程领域先驱之一的日本学者合叶修一等出版了关于生化动力学方面的专著《生物化学工程——反应动力学》；1979年日本学者山根恒夫编著了《生物反应工程》一书；1985年德国学者许盖特（Schugerl）出版了《生物反应工程》专著；1993年日本学者川濑义矩出版了《生物反应工程基础》一书；1994年丹麦学者尼尔森（Nielsen）等编著了《生物反应工程原理》一书。1990年天津科技大学首次在国内出版《生物反应工程原理》以来，华东理工大学、北京化工大学、浙江大学、江南大学、清华大学等高校先后出版了多部相关书籍。 当前，生物技术的发展已影响到工农业、医学卫生、食品、能源、环保等各个领域，成为确保人类生活可持续发展的主要方法（或手段）之一。当然，它也给生物反应工程学科的发展提供了机遇。例如，代谢工程学科，是20世纪90年代分子生物学与生物反应工程技术不断发展、融合的结果。随着人类基因组计划的完成，后基因组计划的进行，各种组学，如基因组学、蛋白质组学、脂质组学等，为人们所重视，人们已经认识到细胞完整性的重要性。如果生物反应现象仅是通过物理学家或化学家用机械的语言、化学的语言、物理的语言来描述，一定是将生物反应分解至分子，或更小的单位，然后再以此为基础把生物现象简化为化学过程或物理过程，这种将生物现象简化的方法，无疑将抛弃生物反应的本质特征。另外，由于决定生物生命的*小单位是细胞，因此，细胞个体之间的相互影响也是利用生物过程获得目的产物的技术人员不得回避的问题，但是，以往由于多种原因，无法开展相关的研究。今天，人们能够利用现代分析方法和生物信息学方法，深入了解细胞生长繁殖及其基因转录、表达和代谢物合成的规律。但是，在一个实际的微生物发酵过程中，外界条件的变化会影响到这些规律并使之发生变化。因此，生物反应工程研究越来越要求与细胞水平及分子水平的研究相结合。另外，细胞与细胞之间通过信号物质对细胞进行调控，这种相互影响或调控影响的强弱和时间的长短也会影响到细胞表达的效率。当然，也给生物反应工程技术带来新的机遇与挑战。 1.3 生物反应工程的主要内容 日本学者山根恒夫认为，生物反应过程可分为废水的生物处理过程、微生物反应过程和酶促反应过程。**种反应过程是生态系统水平的生物反应过程，涉及多种底物和产物及多种微生物，并且反应速率相对慢。微生物反应过程，包括单一种类微生物细胞群体的反应系统和多种微生物细胞的混合反应。一般发酵工业深层培养中多为单一细胞群体，目的产物单一且明确，反应速率较快。传统白酒发酵是典型的多种微生物细胞的混合反应过程，反应系统复杂，反应速率较慢。酶促反应过程相对简单，底物和产物的数量少，反应速率较快。但是，从本质讲，上述反应都是化学反应，都伴随生物细胞（或酶）的生长繁殖（或变化），以及底物或基质和目的产物浓度的相应变化。 本书试图通过生物反应过程分析和生物反应器选型与设计，阐明酶促反应过程和细胞反应过程的动力学规律。同时，以基本生物反应器为基础，通过例题，讨论了进行生物反应器设计与分析的基本原理和方法。另外，介绍了生物反应工程领域的新进展。如果换一个角度考察生物反应工程的主要内容，可分为生物反应动力学、生物反应器及生物反应过程的放大与缩小。 1.3.1 生物反应动力学 生物反应动力学（bioreaction kinetics）主要研究生物反应速率和各种影响因素对反应速率的影响。由于生物的多样性，带来了生物反应过程的复杂性，进而给生物反应动力学带来多样性。这里重点介绍：①酶促反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学；②微生物反应过程的质量与物量衡算和发酵动力学；③动植物细胞反应特性及其反应动力学等。 采用工业生物反应器进行生物反应，伴随有物理现象发生。生物反应从本质讲是在分子水平上进行的。针对微生物发酵过程而言，常常将细胞视为单一组分，但由于胞外的环境因素的变化，胞内的生化反应势必会发生变化。另外，有些生物反应过程中存在气液两相或气液固三相，这时，有的生物反应是在界面上进行的，如蓝色犁头霉（Absidiacoerulea）甾体11β-羟基化反应，就是在两相界面上进行的。一般，生物反应速率的定义为转化量/（单位时间×单位反应容积）；在界面上进行的生物反应为转化量/（单位时间×单位反应界面）。 生物反应均会受到一些物理（如传质或传热）过程的影响。比较典型的传质过程有好氧发酵过程中的氧的传递，其常常与生物反应交织在一起，并影响生物反应速率。因此，当一生物反应过程存在传质与反应双重影响时，有必要明确这一过程为传质速率所控制，还是为反应速率所控制。 另外，通过对系统（细胞）内各组分之间的相互影响，如基因转录过程及其动力学变化、翻译过程及其动力学变化及蛋白质之间的相互影响，在酶促反应中包括受体-代谢物之间的相互作用等的定量分析，来定量分析整体细胞的功能。同时