• 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 Metabolic Engineering and Systems Biology的形成 与发展，给生物反应工程技术带来新的 发展机遇。
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。
经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初 始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓度较低， 且为水溶液，酶学研究的目的是探讨酶促反应的机 制。 工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要 使用高浓度的酶制剂和底物，且反应要持续较长时 间，反应体系多为非均相体系，有时反应是在有机 溶剂中进行。
2.2 均相酶促反应动力学 2.2.1 酶促反应动力学基础 可采用化学反应动力学方法建立酶促反应动力学方程。 对酶促反应 A B C D ，有：
Content内容
Bioreaction Kinetics, Bioreactors and Scale-Up of Bioprocesses
• • • • • • • Foundation of Biology and Engineering Enzyme Kinetics Biochemical Reactions Design of Fermentaton Processes Mass Transfor Scale-Up of Bioprocesses Advance of Bioreaction Engineering
步骤：（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，特别是对照出发菌株的属性进行分析;（3）设计：设 计代谢工程方案（Nielsen 2001）。
Technology
“个别的学问 knowledge of individuation”， 解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁 而变化。 • 具体的技术可以用记述的方法来表现。
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”
当前水平60000～80000U/ml(150m3)
牛津大学弗洛里 化学家钱恩（E.Chain）获得 （H.florey，1938 ～ 1939） 精制品，1940在美国产业化
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
龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元前200年， 作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早的诗集《诗经》中就提出过 采用厌氧进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花的活疫苗。
• 1857年巴斯德（Pasteur）证明 酒精发酵是由活酵母引起的。
• 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。
解之，得
CECS k 1 KS C ES k1
k 2C E 0C S r K S CS
令 则
C E 0 C E C ES
rmax k 2C E 0 rmax C S r K S CS
稳态法推导动力学方程： 几点假设： （1）CS>>CE，中间复合物ES的形成不会 降低CS。 （2）不考虑这个可逆反应。 （3）CS>>CE中间复合物ES一经分解，产 生的游离酶立即与底物结合，使中间复合 dC 物ES浓度保持衡定，即 0 。
•
Engineering
• 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一种目 标导向的活动和过程。
• 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……。
如何从生物现象中抽象出共性的内容
• 从宏观看 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： • 从微观看 转录与转译速率=（基因量、…….等) 调控速率=（表达速率、酶活力、……等）
dC A k1C A dt
dC M k1C A k 2C M dt dC P k 2C M dt
2.2.2 单底物酶促反应动力学 2.2.2.1 米氏方程 根据酶－底物中间复合物假说，对 单底物酶促反应 S P ，其反应机制可 表示为：
E S ES E P
k 1 k1 k2
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？
参考资料
国外 • 1975年日本学者合叶修一等《生物化学工程---反应动力学》 • 1979年日本学者山根恒夫《生物反应工程》 • 1985年德国学者许盖特（Schugerl）《生物反应工程》 • 1993年日本学者川濑义矩《生物反应工程基础》 • 1994（02）年丹麦学者Nielsen 等《生物反应工程原理》 国内 • 《生物反应工程原理》（1990和2003天津科技大学贾士儒） • 《生物工艺学》（1992华东理工大学俞俊棠等） • 《生化工程》（1993江南大学伦世仪） • 《生化反应动力学与反应器》（1996北京化工大学戚以政等） • 《生物反应工程》（2004戚以政等） • 《生物反应工程》 2005浙江大学岑沛林等） • 《生物反应工程》（2005清华大学邢新会译）
2. Definition of Bioreaction Engineering
• 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。
• 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。
3. Objective,Content and Method
Objective——Enhance Productivity： Rate＝product／（time×mass×energy） Example： Enzyme glucose gluconic acid r＝f（pH、temp、Si、P、DO……）
1. Elementary Knowledge
Bioreaction Engineering From Bio-appearance to Bioprocess Design
From Bioprocess Design to Systems Biology
代谢工程是一门涉及利用基因工程的手段对细 胞属性进行改造的工程，根据不同的生物过程和所 需目标，设计方案和引用的方法也不同.
5. Illustrate with Examples举例
抗生素——青霉素 • 罗伯茨（ W. Roberts ，1874)首次报道微生物的颉颃（xie hang）现象（ antagonism ）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有颉颃 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)细菌之间 • ……
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。 ……
4. The Evolution of Bioreaction Engineering
• 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。
快速平衡法推导动力学方程： 几点假设： （1）CS>>CE，中间复合物ES的形成不 会降低CS。 （2）不考虑这个可逆反应。 ES E P （3） E S ES 为快速平衡， 为整个反应的限速阶段，因此ES分解 成产物不足以破坏这个平衡。
根据假设建立动力学方程r k2C ES谢谢大家！jiashiru@
第二章
酶促反应动力学
2.1 酶促反应动力学的特点
2.1.1 酶的基本概念 2.1.2 酶的稳定性及应用特点 酶是以活力、而不是以质量购销的。 酶有不同的质量等级：工业用酶、食品用酶、医药 用酶。酶的实际应用中应注意，没有必要使用比工艺 条件所需纯度更高的酶。
ES
dt
根据以上假设，可建立如下方程组 r k 2C ES dC ES k1C E C S k 1C ES k 2C ES 0 dt C E 0 C E C ES 解之，得
k 2C E 0C S r k 1 k 2 CS k1 rmax k 2C E 0 K m k 1 k 2 k1 rmaxC S r Km CS
r rA rP kC AC B dC A rA dt dC P rP dt 式中， k：酶促反应速率常数； r：酶促反应速率； rA：以底物A的消耗速率表示的酶促反应速率； rP：以产物P的生成速率表示的酶促反应速率。