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目 录 1

1绪论 1

1.1 生物反应工程的发展过程 1

1.2 生物反应工程的主要内容 2

1.3 生物反应工程的研究方法 4

2均相酶反应动力学 6

2.1 酶反应的基本特征 6

2.1.1 酶的催化共性 6

2.1.2酶的催化特性 7

2.2 单底物酶反应动力学 7

2.2.1 M-M方程的建立 7

2.2.2 动力学特征与参数求取 10

2.2.3底物抑制动力学 14

2.2.4 产物抑制动力学 14

2.3 有抑制剂的酶反应动力学 15

2.3.1 竞争性抑制动力学 15

2.3.2 非竞争性抑制动力学 17

2.3.3反竞争性抑制动力学 18

2.3.4各种抑制的比较 19

2.4 复杂的酶反应动力学 22

2.4.1 可逆反应动力学 22

2.4.2双底物反应动力学 22

2.4.3平行反应动力学 23

2.4.4 变构酶反应动力学 24

2.5 反应条件对酶反应速率的影响 25

2.5.1 pH的影响 25

2.5.2温度的影响 26

2.6 酶的失活动力学 27

2.6.1 未反应时酶的热失活动力学 27

2.6.2反应时酶的热失活动力学 28

习题 29

3固定化酶反应过程动力学 32

3.1 固定化酶反应动力学的特征 32

3.1.1 酶的固定化方法 32

3.1.3 影响固定化酶动力学的因素 34

3.1.2 酶的固定化对其动力学特性的影响 34

3.2 外扩散限制效应 38

3.2.1 外扩散速率对酶反应速率的限制效应 38

3.2.2 外扩散限制与化学抑制同时存在的动力学 42

3.3 内扩散限制效应 45

3.3.1 载体的结构参数与微孔内的扩散 45

3.3.2颗粒内的浓度分布与有效因子 47

3.4 内外扩散同时存在时的限制效应 60

3.4.1 内外扩散同时存在时的有效因子 61

3.4.2 化学抑制和分配效应对有效因子的影响 62

3.5 扩散影响下的表观动力学参数与稳定性 63

3.5.1 扩散对反应速率与浓度关系的影响 64

3.5.2 扩散对反应速率与温度关系的影响 65

3.5.3 扩散对固定化酶失活速率的影响 66

习题 69

4细胞反应过程动力学 72

4.1 细胞反应过程计量学 72

4.1.1 细胞反应的元素衡算方程 73

4.1.2 细胞反应过程的得率系数 75

4.2 细胞生长的非结构动力学 79

4.2.1 细胞生长动力学的描述方法 79

4.2.2 无抑制的细胞生长动力学 81

4.2.3 有抑制的细胞生长动力学 85

4.2.4 细胞生长延迟期、稳定期、死亡期和细胞维持动力学 85

4.2.5 温度和pH对细胞生长速率的影响 86

4.3 底物消耗与产物生成动力学 88

4.3.1 底物消耗动力学 88

4.3.2代谢产物生成动力学 90

4.3.3 细胞反应的产热速率 92

4.4 灭菌动力学 93

4.5 细胞反应动力学参数的估算 95

4.5.1 实验反应器 96

4.5.2 动力学参数的估算 97

4.6 固定化细胞反应动力学 105

4.6.1 生物膜内的扩散限制 105

4.6.2 絮凝物内的扩散限制 107

4.7.1 分室模型 108

4.7 细胞生长的结构模型 108

4.7.2代谢模型 110

4.7.3 重组细胞生长模型 112

习题 113

5间歇式操作反应器 117

5.1 生物反应器设计概论 117

5.1.1 分类与特征 117

5.1.2基本设计方程 120

5.2 间歇式操作反应器的设计 121

5.2.1 间歇式操作的特点 121

5.2.2 反应时间的计算 121

5.3.1 反应介质的流变特性 126

5.2.3有效体积的计算 126

5.3 反应过程的流体力学 126

5.3.2 影响流变性质的因素 128

5.3.3 流体的剪切作用 129

5.4 氧的传递反应特性 134

5.4.1 气液相间氧的传递与反应 134

5.4.2 液固相间和细胞团内氧的传递 137

5.4.3 影响氧传递的因素 138

5.4.4体积传质系数的测定 141

5.5 机械搅拌反应器的结构与计算 143

5.5.1 反应器结构与操作参数 143

5.5.2搅拌功率的计算 146

5.5.3体积传质系数kLa的计算 149

5.6 反应过程的传热特性 151

5.6.1 反应过程的传热 151

5.6.2 灭菌过程的传热 154

习题 157

6连续式操作反应器 160

6.1 概述 160

6.1.1 连续操作的特点 160

6.1.2 理想流动反应器的模型方程 161

6.2.1 酶反应时的单级CSTR 163

6.2.2细胞反应时的单级CSTR 163

6.2 连续操作搅拌槽式反应器（CSTR） 163

6.2.3 带细胞循环的单级CSTR 173

6.2.4多级CSTR串联 176

6.3连续操作管式反应器（CPFR） 180

6.3.1 酶反应时的CPFR 180

6.3.2带循环的CPFR 181

6.3.3 CPFR与CSTR的选择与组合 184

6.4膜式酶反应器 188

6.4.1 膜生物反应器概述 188

6.4.2 膜式酶反应器及其操作特性 191

习题 195

7.1.1 停留时间分布的定量描述 199

7.1 停留时间分布 199

7反应器的流动模型与混合特性 199

7.1.2 停留时间分布的实验测定 201

7.1.3 停留时间分布的统计特征值 205

7.2 理想流动模型的停留时间分布 207

7.2.1 CPFR的停留时间分布 208

7.2.2 CSTR.的停留时间分布 209

7.3非理想流动模型 210

7.3.1槽列模型 211

7.3.2 轴向扩散模型 215

7.3.3组合模型 220

7.4.1 混合的分类 221

7.4流体的混合特性 221

7.4.2微观混合特性的描述 222

7.4.3微观混合对反应结果的影响 223

7.5 固定床生物反应器 225

7.5.1 固定床酶反应器 225

7.5.2 固态发酵反应器 227

习题 229

8半间歇半连续操作反应器 232

8.1概述 232

8.1.1 半间歇半连续操作的特点 232

8.1.2 半间歇半连续操作的分类 232

8.1.3 补料分批操作的适用范围 234

8.2.1 基础模型方程的建立 235

8.2 补料分批培养过程的操作模型 235

8.2.2恒速流加操作模型 237

8.2.3 恒定生长参数的流加模型 238

8.2.4 定值控制的流加模型 240

8.2.5 反复流加操作模型 242

8.3 补料分批培养过程的优化 243

8.3.1 补料速率的优化 243

8.3.2 补料方式的选择 249

8.4 反应－分离耦合过程 251

8.4.1 膜透析培养过程 252

8.4.2萃取－培养过程 254

习题 257

9动植物细胞反应器 259

9.1 动物细胞反应器 259

9.1.1 动物细胞培养过程概述 259

9.1.2微载体悬浮培养反应器 266

9.1.3 无泡搅拌反应器 269

9.1.4 中空纤维细胞培养反应器 270

9.1.5 流化床细胞培养反应器 271

9.2植物细胞与光照生物反应器 271

9.2.1植物细胞培养过程概述 271

9.2.2植物细胞反应器 273

9.2.3光照生物反应器 275

9.3.1反应器结构与传递特性 276

9.3 气升式反应器 276

9.3.2反应器模型 282

9.3.3 气升式反应器在细胞培养中的应用 284

习题 286

10生物反应器的放大 287

10.1 放大原理与准则 287

10.1.1放大原理 287

10.1.2放大准则 290

10.2经验放大法 291

10.2.1 通气速率放大 292

10.2.2搅拌功率及速率放大 293

10.3.1 机理分析——时间常数法 298

10.3缩小－放大法 298

10.3.2实验模拟 299

10.3.3 缩小－放大法在生物反应器放大中的应用 300

10.4 其他放大方法 305

10.4.1 因次分析法 305

10.4.2基础模型法 307

10.4.3 计算流体力学法 307

习题 309

部分习题参考答案 311

主要符号一览表 314

主要参考文献 320

索引 323

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