01 第一章 生物反应工程绪论.ppt

第1页：生物反应工程课程封面

课程名称：生物反应工程（Bioreaction Engineering）

第2页：第一章绪论目录

Chapter 1. Introduction 第一章 绪论目录

1. Elementary Knowledge 基础知识
2. Definition of Bioreaction Engineering 定义
3. Objective, Content and Method 学习本课程的目的、内容与方法
4. The Evolution of Bioreaction Engineering 生物反应工程学科的形成与展望
5. Illustrate with Examples 举例
6. Summarize 小结
7. Problem 复习题

第3页：生物反应工程的认识层次

本页给出生物反应工程的三层认识路径。

• Elementary Knowledge 基础知识
• From Bio-appearance to Bioprocess Design 从生物现象到生物过程设计
• From Bioprocess Design to Systems Biology 从生物过程设计到系统生物学

第4页：代谢工程的定义与步骤

代谢工程是涉及利用基因工程手段对细胞属性进行改造的工程，根据不同的生物过程和所需目标，设计方案与引用的方法也不同。

1. 合成：构建重组菌株以提高细胞特性
2. 分析：对重组菌株进行分析，特别是与出发菌株的属性对照
3. 设计：设计代谢工程方案（Nielsen 2001）

第5页：技术（Technology）的含义

Technology 技术

是「个别的学问」（knowledge of individuation），解决怎样做一件事情，技术会随时代变迁而变化；具体的技术可用记述的方法表现。

第6页：工程（Engineering）的含义

Engineering 工程

是研究一般化方法的学问，具有超越时代的持续性和普遍性，内容是抽象的；抽象的方法除表现为数学的使用外，更重要的是掌握「工程思维」（engineering sense）方法。工程本质上是具有价值取向的主体作用于客体、主观思维物化为客观实体的目标导向活动与过程。

第7页：工程思维方法的要点

Engineering sense method 工程思维方法

• Adaptability 生物适应性（或可行性）
• Continuity 可持续性
• Fixed quantity of process 过程的量化
• Economy 经济性
• Efficiency 效率

第8页：生物现象的三个观察视角

Bio-appearance生物现象

• 从自然现象说起：最初原始性的种植方式到现代化农业; 由无序到计划性……。
• 从我们每一个人，即个体说起：由上帝创造人类到生命起源的……。
• 从现代化的生物工业生产而言：由单一需求到协调发展……。

第9页：生物现象的宏观与微观抽象

从生物现象中抽象共性内容的两个层面：

宏观层面

以获得生物量为目的：生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境因素、操作条件等）；以获得目的产物为目的时同理。

微观层面

转录与转译速率＝f（基因量等）；调控速率＝f（表达速率、酶活力等）。

第10页：生物反应工程的定义

生物反应工程

是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。

学科基础

是以生物学、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。

第11页：生产能力与反应速率表达式

本课程的目的——提高生产能力（Enhance Productivity）。

Rate

Rate＝product／（time×mass×energy）

• Example：Enzyme 催化 glucose 生成 gluconic acid（葡萄糖酸）
• r＝f（pH、temp、Si、P、DO……）

第12页：课程主要内容

Content 课程主要内容

• Foundation of Biology and Engineering 生物学与工程学基础
• Enzyme Kinetics 酶动力学
• Biochemical Reactions 生化反应
• Design of Fermentation Processes 发酵过程设计
• Mass Transfer 传质
• Scale-Up of Bioprocesses 生物过程放大
• Advance of Bioreaction Engineering 生物反应工程进展

三条主线：Bioreaction Kinetics（生物反应动力学）、Bioreactors（生物反应器）与 Scale-Up of Bioprocesses（生物过程放大）。

第13页：学习方法与注意事项

Method (or要注意的事项)

• 注重归纳各类生物反应的内在规律。
• 注重基本理论所包含的“工程含义”。
• 注重从多层次考察生物反应过程。
• 注重生物反应过程的评价标准。……

第14页：

第15页：生物反应工程的史前应用

4. The Evolution of BioreactionEngineering

• 史前时代，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。

第16页：古代生物技术的应用史实

我国古代与早期生物技术应用的主要史实：

• 龙山文化（距今 4000～4200 年）已有酒具出现
• 公元前 200 年，制作豆腐、酱油和酿醋
• 《诗经》中最早提出采用厌氧进行亚麻浸渍处理
• 公元 10 年有了天花的活疫苗

第17页：巴斯德与酒精发酵

• 1857年巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由活酵母引起的。

第18页：生物化学工程与生物反应工程的形成

• 20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。
• 20世纪后期（1970～80年）生物反应工程学科的形成。英国学者阿特金逊（1971）首次提出生化反应工程……。
• 20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断融合、发展。

第19页：后基因组时代的新机遇

• 2000年后人类基因组计划的完成，后基因组计划的进行，特别是MetabolicEngineeringandSystemsBiology的形成与发展，给生物反应工程技术带来新的发展机遇。

第20页：分子生物学面临的挑战

• 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最小单位是细胞，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。细胞之间的相互影响与细胞内部反应的相互作用必然涉及影响强弱和时间的长短问题，而这必要需要一些工程学方法来解决，因此，也就给生物反应工程技术带来新的机遇与挑战。分子生物学面临的挑战！？

第21页：青霉素发现前的颉颃现象研究

抗生素举例——青霉素发现前关于微生物颉颃（antagonism）现象的研究：

• 罗伯茨（W. Roberts，1874）：首次报道微生物颉颃现象，灰绿青霉生长旺盛的液体会使人工感染细菌困难
• 廷德尔（J. Tyndall，1876）：青霉菌与细菌液体培养中存在颉颃现象
• 巴斯德和朱伯特（J. F. Joubert，1877）：用炭疽芽孢杆菌培养物感染动物
• 巴比斯和科尼尔（V. Babes & A. V. Cornil，1885）：观察到细菌之间的颉颃现象

第22页：弗莱明发现青霉素

弗莱明（1928）发现青霉素并将青霉素培养物的滤液中所含抗细菌的物质称为“青霉素”

第23页：青霉素的产业化与发酵水平

青霉素从实验室发现到产业化的关键节点：

• 1938～1939 年：牛津大学弗洛里（H. Florey）开展青霉素的系统研究
• 化学家钱恩（E. Chain）获得精制品
• 1940 年在美国实现产业化
• 当前发酵水平：60000～80000 U/ml（150 m³）

第24页：链霉素的发现

微生物学家和生物化学家赛尔曼

• 阿勃拉罕姆瓦克斯曼发现链霉素“痨病”有克星

第25页：

第26页：第一章小结

6. Summarize小结

• 生物技术作为解决当今人类健康、能源、环境和可持续发展的高新技术已是人们的共识。而从生物技术理论到有价值的生物技术产品离不开工程技术。
• 在传统的经验性酿造过程进入到对生物反应过程进行定量解析或理论分析时代，离不开生物反应工程方面的理论作为支撑。
• 并且，在分子生物学飞跃发展的今天,也越来越显得重要。所以，通过生物反应过程课程的学习，使生物工程专业学生对这一领域的发展有清楚的了解，为下一步学习、掌握基本理论知识打好基础。

第27页：第一章复习题

7. Problem复习题

• 解释生物反应工程在生物技术中的作用？
• 为什么说代谢工程是建立在分子生物学和生物反应工程原理基础之上的？
• 为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？

第28页：国内外参考书目

国内外参考书目：下表列出本课程主要教材与专著。

第29页：致谢与联系方式

谢谢大家！jiashiru@tust.edu.cn