本書將內(nèi)容分為生物反應動力學和生物反應器兩部分。前者包括均相酶、固定化酶和細胞反應動力學；后者包括生物反應器的操作方式和操作模型、物理過程特性、基本配置與設(shè)計、放大研究原理和計算方法。由于這些內(nèi)容涉及生物反應工程的基本概念和原理，因此作了較全面的敘述。生物反應工程以數(shù)學模型法為其研究方法，強調(diào)以簡化的方法對研究對象作定量分析，為此，本書以此為核心準則作透徹的分析和討論，注重以工程觀點揭示生物反應過程的本質(zhì)和規(guī)律。在動力學部分主要討論基本動力學概念和規(guī)律，在反應器部分著重以物理過程機制分析為基礎(chǔ)介紹反應器設(shè)計與放大方法�？紤]到生物反應工程研究還涉及過程工藝和實驗技術(shù)，為方便教學，并且出于將本書也可用作發(fā)酵工程、細胞培養(yǎng)工程和酶催化反應工程等課程的教學參考書的目的，因此還重點介紹了非水相酶催化、動物細胞培養(yǎng)和微型生物反應器等相對較新的過程技術(shù)的基礎(chǔ)知識。
本書每章附有重點內(nèi)容提示，配有典型的例題和習題，并提供習題參考答案，以幫助讀者對有關(guān)知識點的理解和掌握。
夏杰，華東理工大學生物工程學院，教授，1999年至今，華東理工大學生物工程學院生物工程系，本科《生物反應工程原理》授課，學時數(shù)48。
2007年至今，華東理工大學生物工程學院，工程碩士《生物反應器工程》授課，學時數(shù)40。
2010年至2013年，第二軍醫(yī)大學基礎(chǔ)醫(yī)學部生物技術(shù)專業(yè)，本科《生物反應器與發(fā)酵工程》授課，學時數(shù)65。
1緒論/1
1.1生物反應工程概論1
1.1.1生物反應工程的對象與優(yōu)化目標1
1.1.2生物反應工程研究內(nèi)容3
1.1.3生物反應工程研究方法4
1.2生物反應器簡介5
1.2.1反應器類型5
1.2.2操作方式6
1.2.3理想生物反應器模型7
重點內(nèi)容提示10
習題11
2酶反應動力學/12
2.1酶催化反應特性12
2.2Michaelis-Menten動力學13
2.2.1反應機理與反應速率13
2.2.2米氏方程的基本特性15
2.2.3米氏方程參數(shù)的測定17
2.2.4雙底物酶反應的簡化分析18
2.2.5可逆酶反應動力學19
2.3受抑制的酶反應動力學20
2.3.1競爭性抑制20
2.3.2非競爭性抑制22
2.3.3反競爭性抑制24
2.3.4混合型抑制26
2.3.5不可逆抑制27
2.4變構(gòu)酶反應動力學28
2.5反應條件對酶反應速率的影響29
2.5.1pH對酶反應速率的影響29
2.5.2溫度對酶反應速率的影響30
2.6線性多步酶反應動力學32
2.6.1代謝控制分析的基本概念32
2.6.2線性兩步酶反應的分析34
重點內(nèi)容提示37
習題37
3固定化酶反應過程動力學/40
3.1固定化酶及其催化特性40
3.1.1酶的固定化方法40
3.1.2固定化酶的催化特性與影響因素43
3.2外擴散對反應速率的限制45
3.2.1表觀反應速率及其控制45
3.2.2外擴散有效因子的求取46
3.2.3外擴散對受抑制反應的速率限制49
3.3內(nèi)擴散對反應速率的限制50
3.3.1顆粒內(nèi)的濃度分布50
3.3.2內(nèi)擴散有效因子和表觀反應速率54
3.3.3內(nèi)擴散對受抑制反應的速率限制59
3.3.4內(nèi)擴散對顆粒內(nèi)pH梯度的影響61
3.4內(nèi)外擴散同時存在時的反應速率63
3.5固定化酶的表觀穩(wěn)定性64
3.6動力學和傳質(zhì)參數(shù)的測定66
3.6.1本征動力學參數(shù)的測定66
3.6.2傳遞系數(shù)和有效擴散系數(shù)的測定68
重點內(nèi)容提示69
習題69
4細胞反應動力學/72
4.1概述72
4.1.1細胞反應的基本特性72
4.1.2細胞反應的速率表示73
4.1.3動力學模型的分類74
4.2化學計量學74
4.2.1化學計量方程74
4.2.2得率系數(shù)76
4.2.3底物消耗的質(zhì)量衡算79
4.2.4黑箱計量模型的一般形式80
4.2.5細胞反應熱82
4.3非結(jié)構(gòu)生長模型83
4.3.1基本生長過程83
4.3.2Monod方程84
4.3.3其他非結(jié)構(gòu)的生長模型87
4.3.4受抑制的生長模型88
4.3.5環(huán)境因素對生長的影響91
4.3.6細胞死亡動力學95
4.4產(chǎn)物生成動力學96
4.4.1產(chǎn)物生成的非結(jié)構(gòu)模型96
4.4.2產(chǎn)物生成過程的機制分析99
4.5結(jié)構(gòu)模型102
4.5.1動力學模型的一般結(jié)構(gòu)102
4.5.2分室生長模型104
4.5.3控制模型106
4.5.4形態(tài)結(jié)構(gòu)模型108
4.5.5重組細胞生長模型110
4.6代謝反應的通量分析模型112
4.6.1基本概念與方法112
4.6.2簡單網(wǎng)絡的代謝通量分析114
4.6.3代謝網(wǎng)絡速率模型的一般矩陣形式115
重點內(nèi)容提示118
習題118
5生物反應器的操作特性/121
5.1分批操作121
5.1.1分批操作的特點121
5.1.2分批操作的反應時間121
5.1.3反應器有效體積的計算126
5.2連續(xù)操作126
5.2.1連續(xù)操作的特點126
5.2.2連續(xù)操作的酶反應127
5.2.3單級CSTR中的連續(xù)培養(yǎng)131
5.2.4基于單級CSTR的連續(xù)培養(yǎng)優(yōu)化設(shè)計135
5.3半分批操作142
5.3.1半分批操作概論142
5.3.2補料分批培養(yǎng)的操作模型145
5.4補料分批操作的最優(yōu)化152
5.4.1補料分批操作優(yōu)化概論152
5.4.2優(yōu)化問題的表示與求解方法154
5.4.3細胞生物質(zhì)生成過程的優(yōu)化158
5.4.4產(chǎn)物生成過程的優(yōu)化161
5.5連續(xù)培養(yǎng)過程的動態(tài)特性163
5.5.1CSTR連續(xù)培養(yǎng)的穩(wěn)定性163
5.5.2CSTR連續(xù)培養(yǎng)的瞬態(tài)響應動力學165
5.6反應-分離耦合過程167
5.6.1膜透析培養(yǎng)過程168
5.6.2萃取發(fā)酵過程170
重點內(nèi)容提示171
習題171
6生物反應器的物理過程特性/174
6.1流體力學174
6.1.1反應介質(zhì)的流變特性174
6.1.2反應器中的流體剪切作用177
6.2氣液傳質(zhì)過程特性183
6.2.1氧傳遞的基本過程與速率方程183
6.2.2氧傳遞速率的影響因素186
6.2.3體積氧傳遞系數(shù)的計算189
6.2.4反應器操作時的氧傳遞過程分析191
6.2.5體積氧傳遞系數(shù)的測定194
6.3傳熱過程基本原理195
6.3.1反應過程的傳熱195
6.3.2滅菌過程的傳熱197
6.4反應器的混合特性200
6.4.1混合的概念200
6.4.2宏觀混合模型201
6.4.3反應器的混合性能分析205
6.5生物反應器的放大210
6.5.1放大原理與方法210
6.5.2基于過程機制分析的放大研究213
重點內(nèi)容提示219
習題219
7生物反應器的設(shè)計/221
7.1設(shè)計要求與內(nèi)容221
7.2通氣式機械攪拌反應器222
7.2.1反應器結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)222
7.2.2攪拌功率計算226
7.2.3放大計算227
7.3氣流攪拌塔式反應器229
7.3.1鼓泡塔反應器230
7.3.2氣升式反應器231
7.4固定床和流化床反應器234
7.4.1填充床反應器235
7.4.2滴流床反應器236
7.4.3流化床反應器237
7.5膜生物反應器238
7.5.1膜生物反應器概述238
7.5.2膜生物反應器的設(shè)計240
7.6動物細胞培養(yǎng)反應器241
7.6.1動物細胞培養(yǎng)反應器概述241
7.6.2基于機械攪拌的反應器設(shè)計242
7.6.3基于氣流攪拌的反應器設(shè)計247
7.6.4中空纖維細胞培養(yǎng)反應器247
7.6.5固定化動物細胞培養(yǎng)反應器248
7.7植物細胞培養(yǎng)反應器250
7.7.1植物細胞培養(yǎng)反應器概述250
7.7.2反應器類型251
重點內(nèi)容提示253
習題253
8生物反應過程技術(shù)/255
8.1非水相酶催化反應過程255
8.1.1非水介質(zhì)與酶的制備方法255
8.1.2影響非水相酶催化反應的因素257
8.1.3酶的種類及其催化反應過程261
8.2動物細胞培養(yǎng)過程265
8.2.1動物細胞的種類與特點265
8.2.2培養(yǎng)過程的影響因素266
8.2.3基本代謝過程特性268
8.2.4培養(yǎng)過程的類型269
8.3高通量生物反應器技術(shù)270
8.3.1高通量技術(shù)與微型生物反應器270
8.3.2微型生物反應器主要類型271
8.3.3微流控生物反應器274
8.3.4微型生物反應器在縮小-放大研究中的應用278
重點內(nèi)容提示278
部分習題參考答案/279
參考文獻/282
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