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目录 1

第一章 绪论 1

1.1 生物反应工程的发展历史 2

1.2 生物反应工程的范畴 3

1.2.1 酶催化反应动力学 3

1.2.2 高产细胞株的获得和保持 4

1.2.3 细胞生长和代谢产物合成动力学 5

1.2.5 生物反应器和操作模式 6

1.2.4 传质对生物反应的影响 6

1.3 生物反应工程的应用 7

1.3.1 酶催化反应工程的应用 7

1.3.2 细胞培养工程的应用 7

1.4 生物反应工程的展望 8

第二章 酶催化反应动力学 10

2.1 酶的来源、分类、命名及特征 10

2.2 一种或两种底物反应时单酶催化动力学 14

2.2.1 Michaelis-Menten动力学 15

2.2.3 King和Altman的推导 16

2.2.2 Briggs-Haldane对Michaelis-Menten公式的改进 16

2.2.4 可逆反应动力学、双底物反应及辅因子活化 18

2.3 基元反应速率常数的确定 20

2.3.1 预稳态方法 21

2.3.2 松弛方法 22

2.4 酶催化反应的抑制 23

2.4.1 底物的活化和抑制作用 23

2.4.2 可逆抑制 24

2.4.3 不可逆抑制 29

2.5.1 溶液pH对酶催化反应动力学的影响 30

2.5 影响酶活性的其他因素 30

2.5.2 温度对酶活性的影响 32

2.5.3 其他影响酶活性的因素 34

2.6 酶失活机理和酶失活动力学 35

2.7 多底物酶催化反应动力学 37

2.7.1 多底物反应的反应机理 37

2.7.2 多底物酶催化反应的稳态动力学 38

2.8 变构酶 39

2.8.1 配基同蛋白质的结合 40

2.8.2 Monod-Changeux-Wyman（MCW）模型 42

2.8.3 Koshland-Némethy-Filmer（KNF）模型 44

2.9 多相体系中的酶反应 44

练习题 47

第三章 应用酶催化及酶催化反应器 51

3.1 水解酶的应用 51

3.1.1 淀粉和纤维素的水解 52

3.1.2 蛋白水解酶 55

3.1.4 混合酶、果胶酶及其他水解酶的应用 57

3.1.3 酯酶及其应用 57

3.2 酶的其他用途 58

3.2.1 酶在医药中的应用 58

3.2.2 酶在工业中的应用 59

3.3 酶催化在手性化合物拆分和合成中的应用 60

3.3.1 手性化合物的拆分 60

3.3.2 手性合成 62

3.4 酶的固定化 64

3.4.1 包埋法 65

3.4.3 共价键法 66

3.4.2 吸附法 66

3.4.4 共价交联法 68

3.5 固定化酶反应动力学 69

3.5.1 固定化酶单一粒子的总反应速率 70

3.5.2 球形粒子内的扩散-反应方程 72

3.5.3 同时存在膜扩散阻力和粒内传质阻力时的有效因子 78

3.5.4 表面固定化酶的反应速率 80

3.6 固定化酶的活性和失活 81

3.6.1 固定化时真实酶活性保持率 81

3.6.2 固定化酶的失活速率 82

3.6.3 pH的影响 83

3.7 酶反应器 84

3.7.1 酶反应器设计原则 85

3.7.2 均相酶催化反应器 86

3.7.3 非均相酶反应器 88

3.8 酶电极和蛋白质芯片 93

3.8.1 酶电极 93

3.8.2 蛋白质芯片 97

练习题 99

第四章 细胞生物学基础 102

4.1 细胞的基本知识 103

4.1.1 细胞的概念 103

4.1.2 微生物细胞的基本性质 104

4.1.3 微生物细胞的分类和应用 107

4.1.4 微生物细胞的结构和功能 110

4.2 细胞的增殖及调控 112

4.2.1 细胞周期 112

4.2.2 细胞周期各时相的动态变化 113

4.2.3 细胞周期的调控 114

4.2.4 细胞的分化与凋亡 115

练习题 118

第五章 细胞代谢的计量关系和能学 120

5.1 热力学基础 120

5.1.1 热力学概念 120

5.1.2 自由能 124

5.2 代谢反应对：ATP和NAD 126

5.2.1 ATP-ADP对与其他高能化合物 127

5.2.2 NAD+-NADH对与氧化还原反应 129

5.2.3 ATP和NAD的耦联 131

5.3 代谢的组织和调节 132

5.3.1 代谢的网络组织 132

5.3.2 代谢调节的类型 133

5.4 碳源的分解代谢 137

5.4.1 Embden-Meyerhof-Parnes（EMP）途径 137

5.4.2 呼吸 138

5.5 光合成 139

5.6 生物合成 140

5.6.1 小分子生物合成 141

5.6.2 大分子生物合成 141

5.7 跨膜传递 142

5.7.1 被动和促进扩散 143

5.7.2 主动传递 144

5.8 微生物的代谢产物 145

5.8.1 初级代谢产物 146

5.8.2 次级代谢产物 147

5.9.1 细胞的元素衡算方程 148

5.9 细胞增长和产物生成的计量关系 148

5.9.2 细胞生长的得率系数 151

5.9.3 生长得率和代谢产物产率的理论估计 155

5.9.4 细胞生长的反应热及其产率系数 156

练习题 159

第六章 细胞生长动力学 161

6.1 细胞生长及其环境要求 161

6.1.1 细胞生长的特点 161

6.1.2 环境对细胞生长的影响 162

6.2 细胞生长动力学模型的分类和特点 166

6.2.1 结构模型和非结构模型 167

6.2.2 分立模型与非分立模型 168

6.2.3 随机性模型和模糊模型 168

6.3 非结构动力学模型 168

6.3.1 Monod模型 168

6.3.2 其他非结构模型 170

6.3.3 多底物模型 171

6.3.4 细胞生长的底物抑制 172

6.3.5 丝状微生物的生长模型 173

6.4 理想间歇培养中细胞生长、底物消耗和产物生成动力学 174

6.4.1 间歇培养时细胞的生长周期 174

6.4.2 细胞生长与底物消耗 175

6.4.3 维持能和内源代谢 177

6.4.4 产物生成和产物抑制 178

6.4.5 考虑细胞死亡的间歇培养动力学 179

6.5 细胞连续培养过程动力学 180

6.5.1 连续搅拌罐反应器（CSTR） 180

6.5.2 间歇反应器和恒化器细胞生产能力的比较 183

6.5.3 内源代谢和维持能对恒化器动力学行为的影响 184

6.5.4 恒化器中的产物生成动力学 185

6.5.5 理想的平推流反应器（PFR） 186

6.6 流加培养 187

6.7 结构模型和分立模型初步 190

6.7.1 最简单的结构模型——两室模型 191

6.7.2 最简单的分立模型 193

练习题 195

第七章 生物反应器中的传递过程 199

7.1 细胞反应体系中的气-液传质 201

7.1.1 气体在水中的溶解和传质 202

7.1.2 细胞代谢中的氧消耗速率 207

7.2 氧传递速率系数的测定 208

7.2.1 亚硫酸盐法测定kLa 208

7.2.2 溶氧电极法测定kLa 209

7.3 自由上升或下降气泡的传质 211

7.3.1 气泡和气泡簇的传质系数 212

7.3.2 气液界面面积与气含率的估算 213

7.4 强制对流传质 215

7.5 通气搅拌罐中总括传质系数kLa和输入功率的估算 216

7.5.1 通气搅拌罐中总括传质系数的估算 216

7.5.2 通气搅拌罐中输入功率的估算 217

7.6 其他影响kLa的因素 219

7.6.1 离子强度 219

7.6.2 表面活性剂 219

7.6.3 细胞浓度 220

7.6.4 细胞培养过程中kLa值的变化 220

7.7 生物反应器的放大 221

7.6.5 细胞培养过程中氧传递的强化 221

7.7.1 单位体积的输入功率 222

7.7.2 体积氧传递系数 222

7.7.3 通气量 223

7.7.4 放大时要考虑的其他因素 223

7.7.5 生物反应器的缩小（scale-down） 224

7.8 生物反应器的热量传递和加热灭菌 224

7.8.1 热量传递 224

7.8.2 加热灭菌 228

练习题 230

第八章 生物反应器 232

8.1 生物反应器的分类和结构特点 232

8.1.1 根据生物催化剂分类 232

8.1.2 根据底物加入方式分类 233

8.1.3 根据流体流动或混合状况分类 233

8.1.4 根据反应器结构特征及动力输入方式分类 234

8.2 通气搅拌罐生物反应器设计与分析 237

8.2.1 通气搅拌罐的结构特征 237

8.2.2 机械搅拌系统 239

8.2.3 通气系统 240

8.2.4 温度控制系统 240

8.2.5 消泡系统 241

8.2.6 pH和溶氧测量与控制系统 241

8.3 鼓泡塔和气升式反应器设计和分析 242

8.3.1 鼓泡塔反应器 242

8.3.2 气升式生物反应器 242

8.4.1 固定床反应器 244

8.4 固定化细胞生物反应器 244

8.4.2 涓流床生物反应器 246

8.4.3 流化床反应器 247

8.5 非理想生物反应器的流动模型和微观混合特性 248

8.5.1 非理想生物反应器的流动模型 248

8.5.2 非理想生物反应器的微观混合特性 252

练习题 253

第九章 基因重组细胞培养工程 254

9.1 基因工程工具酶 257

9.1.1 限制性内切酶 258

9.1.2 连接酶 259

9.1.3 其他基因工程的工具酶 259

9.2 宿主细胞选择 260

9.3 获得目的基因 261

9.3.1 PCR法 262

9.3.2 获得原核生物目的基因 263

9.3.3 真核生物目的基因的获得 265

9.4.1 用于原核生物宿主的载体 266

9.4 基因工程载体 266

9.4.2 用于真核生物宿主的载体 269

9.4.3 用于植物宿主的载体 271

9.4.4 用于动物宿主的载体 273

9.4.5 基因工程载体的设计 273

9.4.6 质粒设计对目的基因表达的影响 275

9.4.7 目的基因的高效分泌型表达 276

9.5 目的基因与载体DNA的连接 277

9.5.1 黏性末端DNA片段的连接 277

9.5.2 非互补黏性末端或平端DNA片段的连接 277

9.6.1 转化 279

9.6 目的基因导入宿主细胞 279

9.6.2 转导 280

9.6.3 显微注射 280

9.6.4 高压电穿孔法 280

9.6.5 多聚物介导法 281

9.6.6 粒子轰击法 281

9.7 重组体的筛选 281

9.7.1 利用抗生素抗性基因筛选 282

9.7.2 营养缺陷互补法筛选 282

9.7.5 通过酶活性筛选 283

9.7.3 核酸杂交法筛选 283

9.7.4 通过免疫反应筛选 283

9.8 目的基因的高效表达 284

9.8.1 宿主细胞培养基设计和培养条件优化 284

9.8.2 利用细胞培养工程手段提高基因表达水平 285

9.8.3 提高基因工程菌的质粒稳定性 285

9.8.4 重组菌的高密度培养 287

9.8.5 减少乙酸等抑制性副产物的形成 288

9.9.1 代谢工程 290

9.9 代谢工程、DNA重排和基因组重排 290

9.9.2 DNA重排和基因组重排 291

9.10 基因工程的应用与发展前景 291

练习题 293

第十章 动物细胞培养工程 295

10.1 哺乳动物细胞培养的特征 295

10.2 建立哺乳动物细胞株 297

10.2.1 组织细胞分离法 297

10.2.2 杂交瘤细胞株的建立方法 298

10.2.3 常用的哺乳动物细胞株 299

10.3 哺乳动物细胞培养基设计 300

10.3.1 哺乳动物细胞培养基的基本要求 300

10.3.2 无血清培养基设计 301

10.4 哺乳动物细胞培养方法和反应器 302

10.4.1 哺乳动物细胞的贴壁培养 302

10.4.2 贴壁生长哺乳动物细胞的微载体培养技术 303

10.4.3 哺乳动物细胞的悬浮培养 304

10.5.2 哺乳动物细胞培养过程的动力学 307

10.5.1 哺乳动物细胞培养过程的传质 307

10.5 哺乳动物细胞培养过程的传质和反应动力学 307

10.6 哺乳动物细胞培养的产物 308

10.6.1 单克隆抗体 309

10.6.2 免疫调节剂 309

10.6.3 病毒疫苗 309

10.6.4 生长激素 309

10.7 干细胞技术 310

10.7.1 干细胞分类 310

10.6.5 酶 310

10.7.2 干细胞的分离与培养 311

10.7.3 干细胞研究进展 312

10.7.4 干细胞的应用前景和障碍 314

10.8 组织工程 315

10.8.1 组织工程概述 315

10.8.2 组织工程的构建 316

10.8.3 组织工程的展望 318

练习题 319

11.1 植物细胞培养的细胞生理特性 321

第十一章 植物细胞培养工程 321

11.2 植物细胞株的建立与培养 323

11.2.1 愈伤组织的诱导与培养 323

11.2.2 植物细胞培养的基本条件 324

11.3 植物细胞培养的生物反应器和工艺 326

11.3.1 植物细胞培养的生物反应器 326

11.3.2 植物细胞培养工艺 329

11.4 植物细胞培养的应用 331

11.4.1 利用植物细胞培养进行药物生产 332

11.4.2 利用植物细胞培养生产天然色素 334

11.5 植物细胞培养的发展趋势 335

11.5.1 建立和选择高产植物细胞系 335

11.5.2 植物组织化培养 335

11.5.3 固定化细胞技术 336

11.5.4 产物促进释放技术 336

11.5.5 产物合成与分离耦合过程 336

练习题 336

主要参考书目 338

主要学术期刊 339

索引 341