课程名称：生化反应工程                                           课程代码：3283
第一部分  课程性质与自考本科目标
一、 课程性质与特点
    《生化反应工程》是高等教育自学考试生物技术（生物制药方向）专业的一门专业课，是在完成生物化学、微生物学、物理化学和化工原理等课程后开设的必修课程之一。本课程的学习对全面掌握生物技术进行生化工程的研究开发起着重要的作用。
    本课程重点论述了生化反应过程动力学和生化反应器两个方面。前者着重论述了均相酶催化反应、固定化酶催化反应和细胞反应过程的基本动力学规律，并重点探讨了传递因素对反应动力学的影响及处理方法；对于生化反应器的设计和分析，则重点讨论了三种理想反应器，并适当介绍了对非理想流动反应器的处理方法。通过学习可以使学生对于生化反应工程有较系统的认识，达到熟悉并掌握该课程的基本任务、内容、研究对象和研究方法。
    本大纲是根据国家教育部制定的高等教育自学考试生物技术专业本科生培养目标编写的，立足于培养高素质人才，适应生物制药专业的培养方向。本大纲叙述的内容尽可能简明，便于自学。
二、 课程目标与基本要求
本课程的目标和任务是使学生通过本课程的自学和辅导考试，进行有关生化反应工程的基础理论、基本知识的考察和训练，并了解现代生化反应的进展，为今后的学习和工作打下坚实的基础。
课程基本要求如下：
1、了解生化反应工程的特点、任务、研究的对象及研究的内容和方法。
2、掌握均相酶催化反应、固定化酶催化反应动力学的规律和动力学方程、传递因素对反应动力学的影响及其处理方法。
3、掌握细胞反应过程计量学、细胞反应过程动力学的规律及动力学方程。
4、了解生化反应器的种类、基本设计方程和动物细胞培养反应器的种类。掌握三种理想生化反应器、半间歇半连续反应器的设计式和相关的计算。
5、学习生化反应器的流动模型与放大，了解停留时间的定量描述和理想流动模型。掌握停留时间分布密度、分布密度函数及统计特征值的计算，熟悉三种非理想流动模型及相应的计算。
三、 与本专业其他课程的关系
本课程在生物制药专业的教学计划中被列为专业课，在生物化学、微生物学、物理化学和化工原理课程与生物制药工程等学科之间有着承前启后的相互联系作用，本课程的学习对全面掌握生物技术专业各学科的知识起着重要作用。
第二部分  考核内容与考核目标
第一章        绪论 (一般)
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解生化工程与生化反应工程。
二、考核知识点与考核目标
       识记：了解生化反应过程的任务、特点、反应器的类型、研究的对象及研究的内容和方法。

第二章 均相酶催化反应动力学
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解均相酶催化反应的特点、影响酶催化反应速率的因素。掌握简单酶催化反应、有抑制的酶催化反应和复杂的酶催化反应动力学方程的建立及方程中各参数的求取。
二、考核知识点与考核目标
（一）酶催化反应的基本特征（一般）
识记：了解酶催化的共性与四大特性，酶的催化效率的3种表示方法。
（二）简单的酶催化反应动力学（重点）
识记：了解推导酶催化反应动力学三点假设、“平衡”假设、“拟稳态”假设和酶的转化数的概念。
理解：米氏方程的推导过程、方程中各参数的定义。
应用：能根据酶催化反应机理推导出米氏方程，能通过实验数据求取方程中各参数。
（三）有抑制的酶催化反应动力学（重点）
    识记：了解抑制剂的概念及抑制作用的两大分类。
      理解：各种有抑制的酶催化反应动力学的特点、各种有抑制的酶催化反应速率与底物浓度的关系。
     应用：能根据各种有抑制的酶催化反应机理推导出动力学方程，及方程中各参数的求取。
（四）复杂的酶催化反应动力学（次重点）
    识记：多底物酶、变构酶催化反应动力学的特点、模型
      理解：双底物酶反应系统中复合物形成的三种最简单的情况、变构酶的概念及各自动力学方程的形式。
（五）影响酶催化反应速率的因素（一般）
    识记：了解影响酶催化反应速率的两个主要因素：pH值和温度。

第三章 固定化酶催化反应过程动力学
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解固定化酶催化反应过程的特征、影响固定化酶催化反应动力学的因素，掌握外扩散、内扩散限制效应及内、外有效因子。
二、考核知识点与考核目标
（一）固定化酶催化的动力学特征（一般）
识记：了解酶的固定化对酶的活性、稳定性的影响及影响固定化酶催化反应动力学的因素。
（二）外扩散限制效应（重点）
    识记：了解固定化酶与液相反应物相接触的反应步骤。
      理解：掌握外扩散传质速率、无因次准数（丹克莱尔数）的定义式和物理意义、外扩散有效因子 的定义式。
应用：熟悉对不同反应级数的不可逆反应的外扩散有效因子的计算。
（三）内扩散限制效应（重点）
识记：了解液体在微孔内的2种扩散机理和微孔内反应组分的浓度分布方程。
      理解：掌握5种载体结构参数的定义，有效扩散系数De、梯勒模数 及内扩散有效因子的定义式和物理意义。
       应用：熟悉不同形状载体上内扩散有效因子和内扩散存在下的酶催化反应速率的计算。
（四）内外扩散同时存在时时的限制效应（一般）
识记：了解内外扩散同时存在的总有效因子的定义、化学抑制和分配效应对有效因子的影响。
理解：Bior准数的定义和物理意义。表观梯勒模数与总有效因子的关系。
   
第四章  细胞反应过程动力学
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解细胞反应过程的特征和计量学，掌握细胞生长、基质消耗与产物生成动力学及细胞反应动力学参数的估算。
二、考核知识点与考核目标
（一）细胞反应过程计量学（次重点）
  识记：了解细胞反应过程的3个主要特征。
     理解：掌握细胞的分子式、呼吸商和细胞得率的定义及元素衡算方程。
    应用：应用衡算方程进行计算并熟悉计算细胞反应过程的得率系数。
（二）细胞生长的非结构动力学（重点）
   识记：了解细胞生长动力学模型的简化、简化的内容、反应速率的定义及温度和pH值对细胞生长动力学的影响。
     理解：掌握绝对速率、比速率概念及细胞生长过程的五个阶段。
       应用：熟悉运用分批培养时、有抑制和无抑制的细胞生长动力学方程进行计算。
（三）基质消耗与产物生长动力学（重点） 
    识记：了解维持代谢的基质消耗和代谢产物生成的动力学描述及细胞反应中的产热速率。
    理解：掌握各速率方程的定义式、基质最大比消耗、摄氧率等概念。
    应用：熟练应用各速率方程进行计算。
（四）细胞死亡动力学（一般） 
    识记：了解细胞死亡的原因及受热死亡的模型。
（五）细胞反应动力学参数的估算（次重点）
    识记：了解微分反应器和积分反应器的特点、作用。
    理解：掌握常用于动力学参数估算的两种方法（微分法、积分法）和最小二乘法。
    应用：熟练应用上述方法计算细胞反应动力学方程中各参数 。
（六）固定化细胞反应动力学（一般） 
    识记：了解细胞固定化的方法。
    理解：掌握生物膜内的扩散限制和絮凝物内的扩散限制的有效因子的计算式。                                                                                                                                                                                                    

第五章  生化反应器的设计与分析
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解生化反应器的分类、操作形式和基本设计方程、半间歇半连续操作反应器和动物细胞培养反应器。掌握间歇反应器(BSTR)、连续操作的搅拌槽式反应器（CSTR）、连续操作的管式反应器(CPFR)的有关计算。
二、考核知识点与考核目标
（一）生化反应器设计概论（一般）
识记：了解生化反应器的种类、操作形式及设计的基本方程。
（二）间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）(重点)
识记：间歇反应器的特点、反应时间、反应所需时间、反应有效体积的概念。
理解：掌握在间歇反应器中进行酶催化反应、细胞反应时反应时间和反应有效体积的计算公式及过程最优化。
应用：能熟练进行间歇反应器有关的计算。
（三）连续操作搅拌槽式反应器（CSTR）（重点）
      识记：了解连续操作搅拌槽式反应器的特点，单级CSTR、带有细胞循环的单级CS和多级CSTR串联反应器的特征。
      理解：掌握集中参数模型、“返混”、空时 、稀释率D、比生长速率、循环比等概念和各种反应器的设计方程。
应用：熟练应用反应器的设计方程进行相关的计算。
（四）连续操作的管式反应器（CPFR）（重点）
    识记：了解活塞流模型的假设、酶催化反应时的CPFR及带有循环的CPFR的特征。
         理解：掌握各种活塞流反应器的设计式，各种生化反应过程中CSTR与CPFR的性能比较。
      应用：能应用上述反应器的计算式进行相关的计算。
（五）半间歇半连续操作的生化反应器（次重点）
  识记：了解半间歇半连续操作反应器的特点。
      理解：掌握流加操作和反应-分离耦合两种反应器的数学模型和几种耦合的过程。
（六）动物细胞培养反应器（一般）
    识记：了解动物细胞培养的特点、笼式通风搅拌反应器、贴壁培养反应器、微载体悬浮培养反应器和植物细胞培养反应器。

第六章 生化反应器的流动模型与放大
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解非理想流动模型的特点、停留时间分布的概念、测试方法和函数的统计特征值、理想流动模型和三种非理想流动模型。
二、考核知识点与考核目标
（一）停留时间分布（重点）
 识记：了解停留时间分布的概念、停留时间分布的定量描述和测试方法（阶跃法、脉冲法）。
     理解：掌握描述停留时间分布的几个量（停留时间分布密度、停留时间分布函数、无因次时间）和统计特征值（数学期望、方差）的定义式。
    应用：熟悉运用实验数据进行停留时间分布的计算。
（二）生化反应器的理想流动模型（次重点）
  识记：了解两种理想流动模型的模型假设和模型的特征。
    理解：掌握两种理想流动模型的数学模型。
    应用：运用理想流动的数学模型进行计算。
（三）生化反应器的非理想流动模型（重点）
识记：了解实际流动状况偏离理想流动的原因和3种非理想流动模型。
   理解：掌握3种模型（槽列模型、一维扩散模型、组合模型）的物理和数学模型及模型参数。
    应用：熟练应用上述模型进行相关的计算。
（四）非理想流动对细胞反应过程的影响（一般）
     识记：了解非理想流动对连续灭菌过程、鼓泡塔反应器内细胞生长、气升式反应器内细胞生长的影响。
理解：掌握非理想流动对3种反应过程影响的数学表达式。
（五）生化反应器的放大（一般）
识记：了解生化反应器放大的四种方法。
应用：掌握四种放大方法的具体应用。
第三部分  有关说明与实施要求
一、考核目标的能力层次表述
本大纲在考核目标中按着“识记”、“理解”、“应用”等三个能力层次规定考生应达到的能力层次要求，各能力层次为递进等级关系，后者必须建立在前者的基础上，其含义是：
识记：能知道有关的名词、概念、知识的含义，并能正确认识和表达。
理解：在了解的基础上，能全面把握基本概念、基本原理、基本方法与技能，并把握上述内容的区别和联系。
应用：在理解的基础上，能运用基本概念、基本原理、基本方法与技能 ，分析和解决有关的理论和实际问题，并能够运用多个知识点进行综合分析，解决问题。

二、教材
   《生化反应动力学与反应器》，戚以政、汪叔雄编著，化学工业出版社，1999。

三、自学方法指导
1、在开始学习指定教材每一章之前，应先阅读大纲中有关这一章考核知识点及对知识点的能力层次要求和考核目标，使阅读材料时有的放矢。
2、阅读材料时，要仔细阅读，逐句推敲，深刻理解基本概念、基本理论，牢固把握基本方法与技能。
3、自学过程坚持做好读书笔记，做到有归纳、有总结、有理解。自学过程中除了勤于思考外，还要勤于提问，勤于请教，勿死记硬背，生搬硬套，急于求成。要注意所学内容纵向和横行的联系。

四、对社会助学的要求
1、应熟知考试大纲对课程提出的目标总要求和各章应掌握的知识点。
2、应熟知各知识点要求达到的能力层次，并深刻体会与理解各知识点的考核目标。
3、辅导时应注意指导考生加强本学科研究方法的训练，加强考生自学能力、观察和思维理解能力、分析解决问题能力及创新意识的培养。
4、辅导时应以考试大纲为准，指导教材为基础，避免随意超纲。
5、辅导时协助考生理解知识点的能力层次，不可将试题难易与能力层次直接挂钩。
6、辅导时应突出重点，对学生要启发引导，不可让学生死记硬背。
7、辅导时应要求学生刻苦学习，钻研教材，独立思考，勤于提问。
8、助学学时：本课程共4学分，建议总学时72学时，课时分配如下：
章  次 内  容 学  时
第一章 绪论 2
第二章 均相酶催化反应动力学 14
第三章 固定化酶催化反应过程动力学 14
第四章 细胞反应过程动力学 12
第五章 生化反应器的设计与分析 18
第六章 生化反应器的流动模型与放大 12
合  计 72
     
五、关于命题考试的若干规定
1、大纲各章所提到的考核内容和考核目的都是考试内容，试题覆盖到章，适当突出重点，试题内容不出纲。
2、试卷中试题比例一般为识记占20%，理解占35%，应用占45%。
3、反映不同难易度的试题分数比例一般为易占20%、较易占30%、较难占30%、难占20%。
4、每份试卷中各类考核点所占的比例约为重点占65%、次重点占25%，一般占10%。
5、试题类型一般为：填空、名词解释、单项选择、简答题和计算题。
6、试卷采用闭卷笔试，考试时间为150分钟，采用百分制评分，60分为及格。

六、题型示例
（一）填空
      酶催化效率的3种表示方法为             、              和             。
（二）名词解释
 “拟稳态”假设
 停留时间分布
（三）单项选题
用无因次时间 表示全混流反应器的停留时间分布函数为 ，当 =0.8时，
  F（0.8）=          。
  A．0.25        B．0.5         C．0.75        D．0.551
（四）简答题
 简述活塞流流动模型。
（五）计算题
在一间歇操作的反应器内进行一均相的无抑制的酶催化反应，已经测得该酶催化反应的动力学参数为k+2=1min-1,Km=2mol/L ,加入酶的初始浓度CE0=1mol/L。加入反应底物的初始浓度为2mol/L。
试求  要求每1h生产某产品1000mol，反应底物的转化率为0.8，并且每一操作周期内所需要的辅助时间为10min。此时所需的反应器有效体积VR为多少？