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绪论1

0.1 生物反应过程的主要特征1

0.2 生物反应工程学的任务2

0.3 《生物反应工程》的重点内容3

第1章 酶催化反应动力学6

1.1 酶催化反应概论6

1.1.1 酶的催化反应特性6

1.1.2 酶的催化反应机制7

1.2 简单的酶催化反应动力学8

1.2.1 Michaelis-Menten方程的建立9

1.2.2 M-M方程的动力学特征11

1.2.3 M-M方程参数的确定13

1.3 有抑制的酶催化反应动力学17

1.3.1 竞争性抑制动力学17

1.3.2 非竞争性抑制动力学19

1.3.3 反竞争性抑制动力学21

1.3.4 混合型抑制动力学22

1.3.5 底物抑制动力学22

1.3.6 不可逆抑制动力学23

1.4 复杂的酶催化反应动力学26

1.4.1 可逆酶催化反应动力学26

1.4.2 双底物酶催化反应动力学27

1.4.3 变构酶催化反应动力学28

1.5 反应条件对酶催化反应速率的影响29

1.5.1 pH的影响29

1.5.2 温度的影响30

1.5.3 酶的失活动力学31

1.6 酶的界面催化反应动力学32

1.6.1 液-固界面的酶催化反应动力学32

1.6.2 液-液界面的酶催化反应动力学33

重点内容提示34

习题34

第2章 细胞反应动力学37

2.1 细胞反应概论37

2.1.1 细胞的基本特征37

2.1.2 物质的跨膜输送38

2.1.3 胞内代谢反应39

2.1.4 胞内代谢调控40

2.2 细胞反应计量学40

2.2.1 元素衡算41

2.2.2 得率系数42

2.2.3 细胞反应热46

2.3 细胞反应动力学的非结构模型48

2.3.1 动力学特性与模型分类48

2.3.2 无抑制的细胞反应动力学49

2.3.3 有抑制的细胞反应动力学56

2.3.4 细胞不同生长阶段的动力学特性58

2.3.5 影响细胞反应速率的主要环境因素60

2.3.6 细胞死亡动力学63

2.4 底物消耗与产物生成动力学67

2.4.1 底物消耗动力学67

2.4.2 代谢产物生成动力学69

2.5 细胞反应动力学的结构模型72

2.5.1 分室模型72

2.5.2 控制模型75

2.6 描述细胞群体反应动力学的分离模型77

2.6.1 描述细胞生理特性变化的分离模型77

2.6.2 描述细胞形态变异的分离模型78

2.6.3 描述重组细胞反应的分离模型79

重点内容提示81

习题82

第3章 固定化生物催化剂反应过程动力学84

3.1 固定化生物催化剂概论84

3.1.1 生物催化剂的固定化84

3.1.2 固定化生物催化剂的催化特性86

3.1.3 影响固定化生物催化剂特性的因素87

3.2 外扩散对反应速率的限制效应90

3.2.1 外扩散限制时的表观反应速率90

3.2.2 外扩散有效因子91

3.2.3 描述外扩散限制效应的普遍化方程95

3.3 内扩散对反应速率的限制效应98

3.3.1 液体在载体微孔内的扩散98

3.3.2 颗粒内扩散-反应的基本关系式99

3.3.3 一级反应的内扩散限制101

3.3.4 零级反应的内扩散限制105

3.3.5 M-M型反应的内扩散限制109

3.3.6 表观梯勒模数112

3.3.7 描述内扩散限制效应的普遍化方程113

3.4 内外扩散同时存在时的限制效应115

3.5 生物膜和菌丝团的扩散-反应模型117

3.5.1 生物膜的扩散-反应模型117

3.5.2 菌丝团的扩散-反应模型120

3.6 扩散影响下的表观动力学特性122

3.6.1 表观反应级数122

3.6.2 表观活化能124

3.6.3 表观稳定性125

重点内容提示127

习题128

第4章 生物反应器的操作模型130

4.1 操作模型概论130

4.1.1 分类130

4.1.2 基础方程132

4.1.3 操作参数133

4.2 分批操作的搅拌槽式反应器（BSTR）135

4.2.1 基本操作模型135

4.2.2 酶催化反应的反应时间136

4.2.3 细胞反应的反应时间138

4.2.4 分批操作的最优反应时间141

4.2.5 分批操作反应器的有效体积142

4.2.6 反复分批操作142

4.3 连续操作的搅拌槽式反应器（CSTR）143

4.3.1 基本操作模型143

4.3.2 酶催化反应的单级CSTR144

4.3.3 细胞反应的单级CSTR146

4.3.4 带细胞循环的单级CSTR159

4.3.5 多级CSTR串联165

4.4 连续操作的管式反应器（CPFR）169

4.4.1 基本操作模型169

4.4.2 酶催化反应时的CPFR169

4.4.3 CPFR与CSTR相串联172

4.4.4 带细胞循环的CPFR173

4.5 补料分批操作反应器（FBR）177

4.5.1 补料分批操作概论177

4.5.2 恒速流加180

4.5.3 指数流加182

4.5.4 反复流加184

4.5.5 反馈控制流加185

4.5.6 补料分批操作过程的优化186

4.6 反应-分离耦合操作模型189

4.6.1 反应与透析相耦合190

4.6.2 反应与萃取相耦合192

4.7 连续操作生物反应器的动态特性193

4.7.1 环境阶跃变化时CSTR的动态响应194

4.7.2 CSTR的稳定性分析196

4.7.3 混合种群培养时CSTR的动态特性199

重点内容提示201

习题202

第5章 生物反应器的传递特性206

5.1 反应流体的流变与剪切特性206

5.1.1 流体的流变特性模型206

5.1.2 影响反应液流变特性的因素209

5.1.3 流体的剪切作用210

5.2 生物反应器的传质特性214

5.2.1 细胞反应中氧的传递过程214

5.2.2 气-液相间氧的传递模型215

5.2.3 细胞反应过程耗氧与供氧的动态关系217

5.2.4 影响氧传递速率的因素220

5.2.5 KLa的经验关联223

5.2.6 KLa的实验测定224

5.3 生物反应器的传热特性226

5.3.1 细胞反应的产热速率226

5.3.2 细胞反应器的热量平衡227

5.3.3 传热系数的求取228

5.3.4 灭菌过程的传热230

重点内容提示233

习题233

第6章 生物反应器的混合特性235

6.1 混合过程概论235

6.2 宏观混合特征的描述236

6.2.1 停留时间分布的定义237

6.2.2 停留时间分布的实验测定238

6.2.3 停留时间分布的统计特征值240

6.3 理想流动反应器的宏观混合模型243

6.3.1 平推流流型243

6.3.2 全混流流型243

6.4 非理想流动反应器的宏观混合模型245

6.4.1 多釜串联模型246

6.4.2 轴向分散模型248

6.4.3 组合模型251

6.5 非理想流动对生物反应过程的影响254

6.5.1 对连续灭菌过程的影响254

6.5.2 对连续搅拌槽式反应器中细胞反应的影响255

6.5.3 对塔式反应器中细胞反应的影响256

6.6 微观混合的特性259

6.6.1 微观混合特性的描述259

6.6.2 微观混合对反应的影响261

重点内容提示264

习题264

第7章 生物反应器的设计与放大266

7.1 生物反应器概论266

7.1.1 生物反应器的特点266

7.1.2 生物反应器的分类266

7.1.3 生物反应器的设计要求268

7.2 机械搅拌槽式生物反应器268

7.2.1 反应器的结构268

7.2.2 搅拌器的类型270

7.2.3 搅拌功率的计算271

7.3 气体搅拌塔式生物反应器275

7.3.1 鼓泡塔反应器276

7.3.2 气升式反应器277

7.4 固定床和流化床生物反应器280

7.4.1 固定床反应器概述280

7.4.2 填充床反应器281

7.4.3 滴流床反应器284

7.4.4 固态发酵反应器284

7.4.5 流化床反应器287

7.5 膜生物反应器289

7.5.1 膜生物反应器概论289

7.5.2 膜生物反应器的操作特性291

7.6 动植物细胞培养生物反应器292

7.6.1 动物细胞培养反应器292

7.6.2 植物细胞培养反应器295

7.6.3 微藻光照培养反应器296

7.7 生物反应器的放大297

7.7.1 放大原理与准则297

7.2.2 经验放大法299

7.7.3 其他放大方法304

重点内容提示306

习题307

部分习题参考答案308

参考文献311