生物反應工程原理（簡體書）

《生物反應工程原理》是連接生命科學基礎研究與工程應用的橋梁，在生物技術產業化過程中的作用舉足輕重。全書按照生物反應動力學及定量分析、生物反應器與生物反應過程設計、生物反應工程應用的思路組織，既考慮了教材的基礎性和系統性，又考慮了內容的先進性，使讀者盡可能全面地掌握生物反應程的基本概念、基本原理，以及近年來生物反應工程學科的最新進展。《生物反應工程原理》共分10章，每章均包含大量的實例，并附有習題，有利于學生加深對基本概念和原理的理解，鞏固各章的知識。《生物反應工程原理》可作為高等院校生物工程、生物技術專業教材。

《生物反應工程原理》是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材之一。

第1章 緒論
1.1 生物反應工程是生物技術產業化的橋梁
1.2 生物反應工程的主要研究內容
1.2.1 生物反應動力學
1.2.2 生物反應器及相關技術
1.2.3 生物反應過程的放大
1.3 生物反應工程的發展趨勢
1.3.1 從微觀角度揭示細胞內反應過程規律
1.3.2 在基礎生物學研究中發揮重要作用
1.3.3 揭示重組微生物與動、植物細胞等新型催化劑的生物過程規律

第2章 ?反應動力學
2.1 ?的基本特征
2.1.1 ?的作用體現為可降低反應活化能
2.1.2 中間復合物學說
2.1.3 ?催化反應特性
2.1.4 ?活力
2.1.5 ?作用高效率的機制
2.2 均相?反應動力學
2.2.1 簡單的?反應動力學
2.2.2 多底物?反應動力學
2.2.3 有抑制劑的?反應動力學
2.2.4 激活劑對?促反應速度的影響
2.2.5 固定化?反應動力學
2.3 固定化?的性質
2.3.1 ?的固定化方法
2.3.2 固定化對?性質的影響
2.3.3 影響固定化?促反應的主要因素
2.3.4 ?固定化的效率評價
2.3.5 固定化?促反應過程分析
2.4 ?的失活動力學
2.4.1 未反應時的熱失活動力學
2.4.2 反應時?的熱失活動力學
2.4.3 失活動力學研究實例
2.5 非水相?催化反應
2.5.1 非水相?的特點
2.5.2 ?非水相催化的幾種類型
2.5.3 有機介質對?性質的影響
2.5.4 有機介質?催化反應的優點
2.5.5 有機介質中?催化反應的條件及其控制
2.5.6 非水介質中?催化反應在有機合成中的應用
2.6 輔助因子工程
2.6.1 ?的輔助因子及其作用
2.6.2 輔助因子的再生策略
2.7 ?反應工程應用

第3章 微生物反應質能平衡與計量
3.1 物質平衡
3.1.1 黑箱模型
3.1.2 元素平衡方程
3.2 微生物反應的呼吸商和還原度
3.3 微生物反應的得率系數
3.3.1 微生物反應的菌體得率
3.3.2 微生物反應的代謝產物得率
3.4 微生物反應的質量衡算
3.4.1 碳源衡算
3.4.2 碳元素衡算
3.4.3 氧衡算
3.5 微生物反應的能量代謝與計量
3.5.1 生物能學與熱力學基礎
3.5.2 微生物反應熱的計量
3.5.3 以總有效能量為基準的菌體得率

第4章 代謝網絡及其分析、設計基礎
4.1 代謝途徑與代謝網絡
4.1.1 代謝途徑及調控原理
4.1.2 代謝網絡的構建
4.2 代謝通量分析
4.2.1 代謝通量分析的基本理論
4.2.2 定系統的代謝通量
4.2.3 超定系統的代謝通量
4.2.4 不定系統的代謝通量——線性規劃
4.3 代謝控制分析
4.3.1 代謝控制分析的一些概念
4.3.2 代謝控制分析的基本理論
4.3.3 通量控制系數的確定
4.4 代謝網絡結構分析
4.4.1 代謝網絡的結構分析簡介
4.4.2 單一分支點處通量分布的控制
4.4.3 反應分組
4.5 代謝途徑優化
4.5.1 ?反應動力學
4.5.2 冪函數近似法
4.5.3 s系統方法
4.5.4 s系統的靈敏度分析
4.5.5 代謝途徑的s系統優化方法
4.6 代謝工程的應用
4.6.1 代謝通量分析的應用
4.6.2 代謝控制分析在微生物代謝工程中的應用——釀酒酵母發酵葡萄糖生產乙醇的代謝優化
4.6.3 代謝分析在動、植物細胞代謝中的應用——哺乳動物細胞培養的代謝通量分析

第5章 微生物反應動力學
5.1 細胞反應過程動力學模型
5.2 微生物生長非結構模型
5.2.1 細胞生長過程的速率與比速率
5.2.2 微生物生長動力學
5.2.3 多底物培養動力學模型
5.2.4 產物合成動力學
5.2.5 底物消耗動力學
5.3 微生物生長結構模型簡介
5.3.1 分室模型
5.3.2 控制模型
5.3.3 形態結構模型
5.3.4 遺傳結構模型
5.4 固態發酵微生物反應動力學
5.4.1 固態發酵微生物的特點
5.4.2 固態發酵菌體生長模型
5.4.3 固態發酵基質消耗模型
5.5 微生物致死和過濾動力學
5.5.1 高溫滅菌動力學
5.5.2 過濾除菌動力學

第6章 生物反應過程的傳遞
6.1 生物反應體系的流變學
6.1.1 生物反應體系的流變學性質
6.1.2 影響流變性質的因素
6.1.3 流體性質對生化過程的影響
6.2 生物反應體系中的流體流動模型
6.2.1 理想反應器的流動模型.
6.2.2 非理想反應器的流動模型
6.3 生物反應器中的攪拌與混合
6.3.1 混合的基本理論
6.3.2 宏觀流體與微觀流體
6.3.3 生物反應器中混合時間的測定
6.3.4 體系均一性對生物反應的影響
6.4 剪切應力對生物反應的影響
6.4.1 剪切應力的概念
6.4.2 剪切作用對生物過程的影響
6.4.3 低剪切反應器的設計
6.5 氣-液傳質動力學與氧的傳遞
6.5.1 氣-液傳質
6.5.2 攝氧率
6.5.3 體積傳質系數
6.5.4 有關傳質系數的關聯
6.5.5 界面面積的測定
6.6 熱量傳遞
6.6.1 傳熱原理
6.6.2 穩態傳熱
6.6.3 生化反應過程的傳熱

第7章 生物反應器工程
7.1 生物反應器的概念、分類與設計基礎
7.1.1 生物反應器的概念
7.1.2 生物反應器的分類
7.1.3 生物反應器的設計基礎
7.2 機械攪拌式生物反應器
7.2.1 結構特點及操作
7.2.2 攪拌功率的計算
7.2.3 機械攪拌式生物反應器的應用
7.3 氣升式生物反應器
7.3.1 氣升式生物反應器的結構特點及操作
7.3.2 氣升式生物反應器的應用
7.4 膜生物反應器
7.4.1 膜生物反應器的結構特點及操作
7.4.2 膜生物反應器的應用
7.5 管式生物反應器
7.5.1 管式生物反應器的結構特點及操作
7.5.2 管式生物反應器的應用
7.6 生物傳感器及過程控制
7.6.1 生物反應過程的重要相關參數
7.6.2 典型生物傳感器
7.6.3 生物反應過程控制
7.7 生物反應器的放大
7.7..1 放大對細胞代謝的影響
7.7.2 放大過程的重要步驟
7.7.3 放大原則與經驗放大方法

第8章 發酵過程設計
8.1 生物過程設計基礎與選擇原則
8.2 分批反應過程
8.2.1 分批反應過程曲線
8.2.2 分批反應過程優化
8.3 連續反應過程
8.3.1 連續過程的動力學特點
8.3.2 連續反應過程的動力學響應(過程參數變化對平衡的影響)
8.3.3 細胞回流連續過程
8.3.4 連續反應過程的優化
8.3.5 連續反應過程的應用
8.4 流加反應過程
8.4.1 流加過程動力學
8.4.2 流加過程控制技術
8.5 廢水生物處理工藝
8.5.1 sbr生物反應過程
8.5.2 uasb生物反應過程

第9章 重組微生物反應工程.
9.1 重組微生物的構建——基因工程與代謝工程
9.2 重組微生物的反應動力學基礎
9.2.1 重組微生物的發酵特點
9.2.2 重組微生物的質粒穩定性問題
9.2.3 影響質粒載體穩定性的因素
9.2.4 質粒丟失動力學
9.2.5 解決質粒不穩定性問題的策略
9.3 重組蛋白的高表達
9.3.1 異源蛋白在重組微生物中高表達的基本策略
9.3.2 異源蛋白在酵母中的重組表達
9.4 利用重組微生物生產細胞代謝產物
9.4.1 重組微生物生產細胞代謝產物的形式
9.4.2 利用重組大腸桿菌生產可生物降解材料
9.4.3 利用重組微生物生產透明質酸
9.4.4 利用重組大腸桿菌生產胰島素
9.4.5 利用重組釀酒酵母生產生物乙醇
9.5 抗逆性重組微生物的構建與應用
9.5.1 重組?和重組細胞的抗逆性
9.5.2 重組?的抗逆性改造研究
9.5.3 重組細胞的抗逆性改造研究
9.6 重組微生物培養過程中的關鍵問題
9.7 重組微生物的綜合評價

第10章 動、植物細胞反應工程
10.1 動、植物細胞工程概論
10.1.1 動、植物細胞概述
10.1.2 動、植物細胞工程的地位及主要技術組成
10.1.3 動、植物細胞工程的應用
10.2 動物細胞反應原理
10.2.1 細胞分類和細胞系
10.2.2 細胞的壞死與凋亡
10.2.3 動物細胞生長動力學
10.2.4 動物細胞培養工藝
10.2.5 哺乳動物外源蛋白質表達宿主細胞改造
10.3 動物細胞反應過程關鍵技術
10.3.1 培養基
10.3.2 細胞培養的基本條件和常規操作
10.3.3 細胞培養生物反應器
10.4 動物細胞培養技術的應用
10.4.1 細胞生物學基礎研究
10.4.2 細胞作為毒性實驗及安全性實驗的工具
10.4.3 細胞培養在病毒學及病毒疫苗生產中的應用
10.4.4 細胞工程學研究手段的建立及應用
10.4.5 遺傳疾病的產前檢查
10.4.6 細胞培養藥物測試
10.5 植物細胞反應原理
10.5.1 培養體系的流變學特性
10.5.2 植物細胞培養體系的混合
10.5.3 剪切應力對懸浮培養細胞的影響
10.5.4 植物細胞培養動力學
10.6 植物細胞反應過程關鍵技術
10.6.1 細胞固定化
10.6.2 植物細胞培養反應器
10.6.3 植物細胞培養規模的放大
10.7 植物細胞培養技術的應用
10.7.1 食品添加劑相關產品
10.7.2 利用植物細胞培養進行植物無性系快速繁殖
10.7.3 在藥物生產方面的應用
10.7.4 利用植物細胞生物轉化
10.7.5 其他
10.7.6 植物細胞培養技術應用前景

宿主細胞的選擇還應該根據具體的表達目的進行具體分析。有些情況下，基因遺傳信息尚不完全清楚的野生宿主具有良好的生產特性，也往往成為基因工程操作的優選對象。
另外，為了解決受體細胞內的蛋白?對外源蛋白的降解問題，可以選用專門構建的蛋白?缺陷型受體細胞，以高效表達各種不穩定的重組異源蛋白。另外，乙酸的大量積累會嚴重抑制菌體生長和目的基因的表達，因此，有研究人員專門構建了乙酸合成阻斷型菌株，以減少或消除乙酸的產生。再有，為了促進宿主細胞在貧氧條件下的生長特性以及目的產物的生產，還可以將透明顫菌血紅蛋白（VHh）基因等插入到宿主菌的染色體，構建具有良好生長特性的受體細胞。
2.確定理想的基因一個優選的異源蛋白表達策略，針對不同的受體細胞，還必須考慮基因本身的來源特征。首先，編碼合成的蛋白?具有高活性的外源基因，是克隆表達的首選。其次，針對不同的受體細胞，外源基因在該宿主中表達時的稀有密碼子數量不能太多。另外，基因的GC含量過高，也經常會影響最終的表達效果。隨著分子生物學技術的發展，根據外源蛋白的氨基酸序列和不同宿主的密碼子偏愛性，對外源基因進行從頭設計與基因合成，消除或減少基因中的稀有密碼子、降低GC含量等基因工程手段已經日益成熟。
3.確定理想的表達載體外源基因的表達主要依賴于基因的復制、轉錄和翻譯過程。在確定理想的受體細胞和外源基因之後，表達載體的選擇、設計與重組構建是外源基因高效表達的關鍵。理想的表達載體，應考慮如下幾個方面的要素。