生物化學(xué)反應(yīng)工程本課件旨在深入介紹生物化學(xué)反應(yīng)工程的理論、技術(shù)和應(yīng)用，為同學(xué)們學(xué)習(xí)該學(xué)科提供一個(gè)系統(tǒng)而全面的指導(dǎo)。課程導(dǎo)言課程目標(biāo)掌握生物化學(xué)反應(yīng)工程的基本概念、原理和技術(shù)，了解生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)、操作和優(yōu)化，并能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。課程內(nèi)容本課程涵蓋生物化學(xué)反應(yīng)工程的理論基礎(chǔ)、酶催化動(dòng)力學(xué)、生物反應(yīng)器類型和設(shè)計(jì)、微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、代謝工程、反應(yīng)器優(yōu)化和控制等。生物化學(xué)反應(yīng)工程的定義和研究對(duì)象定義生物化學(xué)反應(yīng)工程是研究利用生物催化劑（如酶、微生物、細(xì)胞等）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，以及如何設(shè)計(jì)、操作和優(yōu)化生物反應(yīng)器的學(xué)科。研究對(duì)象主要研究生物催化劑的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、生物反應(yīng)器的類型和設(shè)計(jì)、發(fā)酵過(guò)程的控制和優(yōu)化、生物產(chǎn)品分離和純化等。生物化學(xué)反應(yīng)工程的研究意義可持續(xù)發(fā)展生物化學(xué)反應(yīng)工程為綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展提供了重要的解決方案，能夠有效降低環(huán)境污染，提高資源利用率。生物醫(yī)藥在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，生物化學(xué)反應(yīng)工程用于生產(chǎn)各種藥物、疫苗、抗體、診斷試劑等，推動(dòng)了生物制藥的發(fā)展。食品工業(yè)生物化學(xué)反應(yīng)工程在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛，例如發(fā)酵生產(chǎn)酒、醋、醬油、酸奶等，以及酶法制備食品添加劑。能源化工生物化學(xué)反應(yīng)工程可以用于生產(chǎn)生物燃料、生物塑料等，為解決能源和資源短缺問(wèn)題提供了新的途徑。生物化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)溫和條件生物催化劑通常在溫和的溫度、pH和壓力條件下發(fā)揮作用，有利于節(jié)能減排。高選擇性生物催化劑具有高選擇性，能夠催化特定反應(yīng)，避免副反應(yīng)的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品純度?？稍偕陨锎呋瘎┛梢栽偕?，并可通過(guò)基因工程技術(shù)進(jìn)行改造，提高催化效率和性能。環(huán)境友好生物化學(xué)反應(yīng)工程可以降低污染物排放，促進(jìn)資源循環(huán)利用，符合可持續(xù)發(fā)展理念。生物化學(xué)反應(yīng)的分類酶促反應(yīng)由酶催化的化學(xué)反應(yīng)，具有高效率、高特異性等特點(diǎn)。微生物反應(yīng)由微生物催化的化學(xué)反應(yīng)，例如發(fā)酵過(guò)程，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。細(xì)胞反應(yīng)由細(xì)胞催化的化學(xué)反應(yīng)，例如組織培養(yǎng)、細(xì)胞融合等。酶促反應(yīng)的基本特征高效率酶促反應(yīng)的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非催化反應(yīng)，可提高反應(yīng)效率。高特異性酶只催化特定反應(yīng)，避免副反應(yīng)的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品純度和產(chǎn)量?？煽匦悦复俜磻?yīng)可以通過(guò)控制反應(yīng)條件，例如溫度、pH、底物濃度等，來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)速率和產(chǎn)物。酶的結(jié)構(gòu)和功能蛋白質(zhì)絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)決定了酶的功能。1核酸少數(shù)酶是核酸，例如核酶，具有催化功能。2酶的活性中心和活性點(diǎn)1活性中心酶分子中與底物結(jié)合并發(fā)生催化反應(yīng)的區(qū)域。2活性點(diǎn)活性中心中直接與底物結(jié)合并發(fā)生催化反應(yīng)的氨基酸殘基或基團(tuán)。酶的動(dòng)力學(xué)行為米氏動(dòng)力學(xué)大多數(shù)酶促反應(yīng)符合米氏動(dòng)力學(xué)模型，可以描述酶反應(yīng)速率與底物濃度之間的關(guān)系。酶的抑制一些物質(zhì)可以抑制酶的活性，導(dǎo)致反應(yīng)速率下降，例如競(jìng)爭(zhēng)性抑制、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制等。酶的激活一些物質(zhì)可以促進(jìn)酶的活性，例如金屬離子、輔酶等，提高反應(yīng)速率。米氏動(dòng)力學(xué)方程1Vmax酶完全飽和時(shí)的最大反應(yīng)速率。2Km酶反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率一半時(shí)的底物濃度。3S底物濃度。酶的抑制動(dòng)力學(xué)1競(jìng)爭(zhēng)性抑制抑制劑與底物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合酶的活性中心，降低反應(yīng)速率。2非競(jìng)爭(zhēng)性抑制抑制劑與酶的活性中心以外的部位結(jié)合，改變酶的構(gòu)象，降低反應(yīng)速率。3反競(jìng)爭(zhēng)性抑制抑制劑只與酶-底物復(fù)合物結(jié)合，降低反應(yīng)速率。酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)建模時(shí)間底物濃度產(chǎn)物濃度通過(guò)對(duì)酶促反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，收集底物和產(chǎn)物濃度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型來(lái)描述酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)行為。酶促反應(yīng)的速率方程米氏方程最常用的酶促反應(yīng)速率方程，用于描述酶催化反應(yīng)速率與底物濃度之間的關(guān)系。反應(yīng)曲線通過(guò)米氏方程可以繪制反應(yīng)曲線，直觀地反映酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)行為。酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的測(cè)定方法比色法利用酶促反應(yīng)產(chǎn)生或消耗的有色物質(zhì)的顏色變化來(lái)測(cè)定反應(yīng)速率。熒光法利用酶促反應(yīng)產(chǎn)生或消耗的熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度變化來(lái)測(cè)定反應(yīng)速率。電化學(xué)法利用電化學(xué)方法，例如電極法、電導(dǎo)法等，測(cè)定酶促反應(yīng)過(guò)程中電信號(hào)的變化來(lái)測(cè)定反應(yīng)速率。生物反應(yīng)器的類型1批式反應(yīng)器一次性加入全部原料和生物催化劑，反應(yīng)完成后一次性取出產(chǎn)物。2連續(xù)反應(yīng)器原料和生物催化劑連續(xù)流入反應(yīng)器，產(chǎn)物連續(xù)流出。3半連續(xù)反應(yīng)器原料和產(chǎn)物連續(xù)流入和流出，但生物催化劑保持在反應(yīng)器內(nèi)。連續(xù)生物反應(yīng)器進(jìn)料原料和生物催化劑連續(xù)流入反應(yīng)器。1反應(yīng)生物催化劑催化反應(yīng)，生成產(chǎn)物。2產(chǎn)物產(chǎn)物連續(xù)流出反應(yīng)器。3控制對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行控制，例如溫度、pH、溶氧等。4批式生物反應(yīng)器1滅菌對(duì)反應(yīng)器和原料進(jìn)行滅菌，防止污染。2接種將生物催化劑接種到反應(yīng)器中。3發(fā)酵生物催化劑進(jìn)行反應(yīng)，生成產(chǎn)物。4收獲反應(yīng)完成后，從反應(yīng)器中收獲產(chǎn)物。半連續(xù)生物反應(yīng)器進(jìn)料原料連續(xù)流入反應(yīng)器。反應(yīng)生物催化劑催化反應(yīng)，生成產(chǎn)物。產(chǎn)物產(chǎn)物連續(xù)流出反應(yīng)器。補(bǔ)充定期補(bǔ)充生物催化劑，維持反應(yīng)效率。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理物質(zhì)平衡根據(jù)質(zhì)量守恒定律，建立反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)的輸入、輸出、積累和反應(yīng)之間的關(guān)系。能量平衡根據(jù)能量守恒定律，建立反應(yīng)器內(nèi)能量的輸入、輸出、積累和反應(yīng)之間的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)模型建立描述生物催化劑、底物、產(chǎn)物和反應(yīng)條件之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。生物反應(yīng)器的物質(zhì)平衡進(jìn)料原料的流入速率和濃度。產(chǎn)物產(chǎn)物的流出速率和濃度。反應(yīng)底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的速率。生物反應(yīng)器的能量平衡1熱量輸入來(lái)自加熱裝置、冷卻裝置、攪拌器等的熱量輸入。2熱量輸出通過(guò)反應(yīng)器壁、通風(fēng)口等散失的熱量。3熱量積累反應(yīng)器內(nèi)部溫度的變化。4熱量產(chǎn)生由生物催化劑催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。生物反應(yīng)器的溫度控制溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)部溫度。控制系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器信號(hào)，控制加熱或冷卻裝置。加熱/冷卻裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)部溫度。生物反應(yīng)器的pH控制pH傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)部pH值。1控制系統(tǒng)根據(jù)pH傳感器信號(hào)，控制酸堿添加裝置。2酸堿添加裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)部pH值。3生物反應(yīng)器的溶氧控制1溶氧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)部溶氧濃度。2控制系統(tǒng)根據(jù)溶氧傳感器信號(hào)，控制通氣裝置。3通氣裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)部溶氧濃度。生物反應(yīng)器的發(fā)酵過(guò)程分析時(shí)間生物量底物濃度產(chǎn)物濃度對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，例如生物量、底物濃度、產(chǎn)物濃度等，評(píng)估發(fā)酵效率和產(chǎn)物質(zhì)量。生物反應(yīng)器的建模和模擬數(shù)學(xué)模型建立描述生物反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)和能量變化的數(shù)學(xué)模型。模擬軟件利用模擬軟件對(duì)生物反應(yīng)器進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)反應(yīng)器性能。生物反應(yīng)器的放大實(shí)驗(yàn)室規(guī)模在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行小規(guī)模試驗(yàn)，確定最佳反應(yīng)條件。中試規(guī)模在中試規(guī)模下進(jìn)行放大試驗(yàn)，驗(yàn)證工藝的可行性。工業(yè)規(guī)模將工藝放大到工業(yè)規(guī)模，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高產(chǎn)率優(yōu)化反應(yīng)條件，例如溫度、pH、溶氧等，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。降低成本優(yōu)化工藝流程，減少原料消耗，降低生產(chǎn)成本。改善質(zhì)量?jī)?yōu)化反應(yīng)條件，提高產(chǎn)物質(zhì)量，例如純度、活性等。微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)建模時(shí)間生物量建立數(shù)學(xué)模型描述微生物生長(zhǎng)過(guò)程中的生物量變化規(guī)律，例如單增模型、雙增模型等。代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模代謝網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)，描述代謝途徑和相關(guān)酶。代謝流分析代謝途徑中底物和產(chǎn)物的流動(dòng)情況。代謝控制研究如何通過(guò)調(diào)節(jié)代謝途徑，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量。產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)建模1生長(zhǎng)相關(guān)型產(chǎn)物生成與微生物生長(zhǎng)密切相關(guān)，產(chǎn)物產(chǎn)量隨生物量增加而增加。2生長(zhǎng)無(wú)關(guān)型產(chǎn)物生成與微生物生長(zhǎng)無(wú)關(guān)，產(chǎn)物產(chǎn)量不隨生物量增加而增加。3混合型產(chǎn)物生成既與微生物生長(zhǎng)相關(guān)，也與生長(zhǎng)無(wú)關(guān)，產(chǎn)物產(chǎn)量隨生物量和反應(yīng)時(shí)間變化。動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)估計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)收集生物反應(yīng)器中生物量、底物濃度、產(chǎn)物濃度等數(shù)據(jù)。參數(shù)估計(jì)利用非線性回歸等方法，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。模型驗(yàn)證利用新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)能力。反應(yīng)器的多維優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)定義反應(yīng)器的優(yōu)化目標(biāo)，例如產(chǎn)率、成本、產(chǎn)量等。約束條件設(shè)定反應(yīng)器的約束條件，例如溫度、pH、溶氧等。優(yōu)化算法利用遺傳算法、模擬退火算法等優(yōu)化算法，搜索最佳反應(yīng)條件。反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)分析與控制時(shí)間生物量產(chǎn)物濃度對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，研究反應(yīng)器內(nèi)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律，并設(shè)計(jì)控制策略，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)物質(zhì)量控制。反應(yīng)器的智能控制策略人工智能利用人工智能技術(shù)，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行智能控制，提高反應(yīng)器效率和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)利用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行建模和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能控制。生物反應(yīng)工程實(shí)例分析1白細(xì)胞介素-2利用重組技術(shù)生產(chǎn)白細(xì)胞介素-2，用于治療癌癥、艾滋病等疾病。2胰島素利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)胰島素，用于治療糖尿病。3乙醇利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，作為生物燃料和工業(yè)原料。白細(xì)胞介素-2的生產(chǎn)工藝基因工程將白細(xì)胞介素-2基因?qū)胨拗骷?xì)胞，構(gòu)建重組表達(dá)系統(tǒng)。發(fā)酵培養(yǎng)在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)宿主細(xì)胞，表達(dá)白細(xì)胞介素-2。分離純化采用各種分離純化技術(shù)，獲得純度較高的白細(xì)胞介素-2產(chǎn)品。胰島素的生產(chǎn)工藝1基因克隆將胰島素基因克隆到載體中。2表達(dá)系統(tǒng)構(gòu)建將載體導(dǎo)入宿主細(xì)胞，構(gòu)建表達(dá)系統(tǒng)。3發(fā)酵生產(chǎn)在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)宿主細(xì)胞，表達(dá)胰島素。4分離純化采用各種分離純化技術(shù)，獲得純度較高的胰島素產(chǎn)品。乙醇的生產(chǎn)工藝原料預(yù)處理對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，例如粉碎、糖化等，使原料中的淀粉轉(zhuǎn)化為糖。酵母菌發(fā)酵利用酵母菌發(fā)酵，將糖轉(zhuǎn)化為乙醇。乙醇分離采用蒸餾等方法，將乙醇從發(fā)酵液中分離出來(lái)。乙醇純化對(duì)乙醇進(jìn)行純化處理，提高乙醇的純度。氨基酸的生產(chǎn)工藝發(fā)酵生產(chǎn)利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸，例如谷氨酸、賴氨酸等。1酶法生產(chǎn)利用酶法催化，將其他物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基酸，例如天冬氨酸、苯丙氨酸等。2化學(xué)合成通過(guò)化學(xué)合成方法生產(chǎn)氨基酸，例如丙氨酸、纈氨酸等。3核酶的生產(chǎn)工藝基因合成合成編碼核酶的DNA序列。轉(zhuǎn)錄表達(dá)將DNA序列轉(zhuǎn)錄為RNA，表達(dá)核酶。純化分離采用各種純化分離技術(shù)，獲得純度較高的核酶產(chǎn)品。核酸藥物的生產(chǎn)工藝1基因合成合成編碼核酸藥物的DNA序列。2轉(zhuǎn)錄表達(dá)將DNA序列轉(zhuǎn)錄為RNA，表達(dá)核酸藥物。3修飾改造對(duì)核酸藥物進(jìn)行修飾改造，提高藥物的穩(wěn)定性和生物活性。4純化分離采用各種純化分離技術(shù)，獲得純度較高的核酸藥物產(chǎn)品。疫苗的生產(chǎn)工藝抗原制備制備用