文档介绍：绪论
发展现代生物技术对国民经济和人们生活的重要性已经为世界各国的政治家、科学家、经济
学家、企业家及普通百姓所认识。生物技术已经在事关人类健康、能源、资源及环境等重大问题
上做出重要贡献并将在今后的岁月中发挥更大的作用。应该强调的是:几乎所有的通过生物技
术获得的产物都需要通过这样或那样的生物反应过程才能获得,生物反应过程的效率对生物技
术产物的商品化生产具有至关重要的意义。学习生物反应工程的目的就是:掌握生物反应的一
般规律,为生物技术从实验室的研究成果尽快转化为商品化生产提供可靠的设计和服务。
顾名思义,生物反应工程是一门生物学、化学和工程学的
交叉学科(图,是一门专门研究将生物或生物的一部分(如
酶、细胞或组织)作为催化剂参与反应过程的工程科学。生物
反应工程具有化学反应工程的一般规律,例如,生物反应过程
符合质量守恒和能量守恒,所有生物反应过程都由基元反应组
成,反应速率符合质量作用定律,化学反应工程中关于均相和
非均相催化反应的理论原则上都能够应用于生物反应工程。
同时,生物反应工程又具有特殊性,例如,催化生物反应的催化
剂是酶蛋白、细胞或组织,因此蛋白质、细胞或组织的性质对生
物反应具有重要的影响。特别值得指出的是:当活细胞作为催
图生物反应工程是生物学、
化剂时,催化剂的数量和性质都是不断变化的;细胞代谢产物
化学和工程学的交叉学科
的合成往往需要通过一系列的酶催化反应才能完成,受到严格
的调节和控制,而且与细胞本身的生长紧密地结合在一起。因此,生物反应工程,特别是细胞参
与的生物反应工程,与传统的化学反应工程有着很大的差别。
经过一个多世纪的研究和实践,化学反应工程已经比较成熟,建立了比较完整的化学反应理
论和数学模型,在反应器的设计和放大方面积累了丰富的经验。这主要得益于化学家和工程科
学家的学科交叉和共同努力,他们具有共同的知识背景,有类似的思维方法、研究手段和共同语
言,与应用有着密切的联系。因此从现代化学工业启动的时代开始,化学家与工程科学家就携手
从事研究和开发,将一种又一种的化工新产品迅速地推向了市场,为世界经济的发展和人民生活
水平的提高做出了重要的贡献。
与之相比,生物科学家与工程科学家之间的合作却不是那么理想。首先是两者的知识背景
存在着很大的差别,生物学家的研究对象是活的生物体,他们需要具备关于生物体的所有知识,
如生物的分类、结构、遗传、繁殖、生长、代谢等等。而工程科学家所习惯的是无生命的机器设备、
管道、仪表及描述它们的各种数学模型等,两者缺乏共同语言。其次,两者的研究方法也存在着
很大的不同,面对复杂的生物,生物学家需要有丰富的想像力,提出各种可能的假设,设计精细的
实验方法去证明这些假设的可能性,不能产生任何误差,生物学的许多伟大发现都是通过这样的
方法实现的。而工程科学家面对的都是实实在在的物体,他们关心的是提高性能和效率,有时,
为了能够描述这些对象的规律,甚至不得不提出许多理想化的简化假设,理论和实际的一些误差
往往是被允许的。此外,生物学家与工程科学家之间的合作历史也要短得多,只是在最近的半个
多世纪中,两者合作的必要性才显得越来越重要,他们之间的磨合还需要一个过程。
学习生物反应工程就是要培养既有很强的生物学和化学的背景,又具有工程知识的学科交
叉型的人才,使他们能在生物技术产业化的事业中发挥独特的作用。我们要强调的是加强生物
科学知识的学习和研究方法的训练,使他们真正掌握和理解尽可能多的生物学知识和方法,能够
参与到生物技术产品和过程开发的全过程,并在过程分析、设备和工艺设计及放大、生产管理等
方面发挥积极的作用。
生物反应工程的发展历史
必须强调指出的是:青霉素发酵过程的研究和开发促进了对生物反应工程的研究和生物化
工这一交叉学科的诞生,青霉素发酵的成功也证明了只有生物科学家与工程科学家的紧密合作
才能促使生物技术的工业化。
在青霉素工业化生产以前,大规模的液体深层发酵工业产物主要是酒精和丙酮/丁醇,它们
都属于厌氧发酵,发酵设备只是一个空的密闭容器(酒精发酵是一个微需氧过程,甚至连密闭的
都不需要),只要在其中加入经灭菌的培养基并接入相应的微生物菌种,发酵就会开始,整个过程
除了温度需要控制外,几乎不需要其他调节和控制就能顺利进行。其他传统生物技术的应用几
乎都在食品领域,一般都属于固体或半固体发酵。对这些发酵过程,似乎没有建立生物反应工程
的迫切需要。
年月英国医生发现了青霉素,这一伟大发现不但为人类与致病微生物的斗
争提供了强有力的武器,而且在青霉素的工业化过程中逐步形成了生物化工这门新兴学科。
年, 和重复了的工作并在实验室生