生物反应工程第二章作业
生物反应工程第二章
2-4.下面是Monod在其发表论文时提供的另一组有关在乳糖溶液中进行菌种分批培养时得到的实验数据：
试根据上述数据，按Monod方程确定其动力学参数。
平均Rx=△Cx/△t
平均Cx/Rx=Ks/μmax(1/Cs)+1/μmax
2-4.平均Cx/Rx-1/Cs关系
05
10
15
20
25
100
200
300400
500
600
1/Cs*10^3
平均C x /R x
作图可得：μmax =0.97(h^-1) Ks=36(g/h)
2-5.在有氧的条件下，杆菌以甲醇为底物进行生长，在进行分批培养时得到数据如下所示：
取线性相关的点：
处理数据得：
作图
得: (1)μmax=0.299(h^-1)
K s=0.269(g/h)
(2)Y x/s=(C xt-C x0)/(C s0-C st)=0.65
(3)t d=ln2/μmax=0.693/0.299=2.318(h)
2-6.在一连续操作的机械搅拌实验反应器中用乳糖培养大肠杆菌，该反应器体积为1L，加入乳糖的初试浓度为Cs0=160mg/L。当采用不同加料速度时，得到一下结果。
试求大肠杆菌生长的动力学参数。
解：由FC x=V R r x
μ=rx/Cx=F/V R 定义F/V R=D称为稀释度，1/D=Ks/μmax*1/Cs+1/μmax
1/Cs=μmax/Ks*(1/D)-1/Ks
经过数据处理得
作图
μmax=1.2(h^-1)
Ks=20(mg/L)
2-7.
生物反应工程实验讲义教学
连续均相管式循环反应器中的返混实验 一、实验目的 在工业生产上，对某些反应为了控制反应物的合适浓度，以便控制温度，转化率和收率，同时需使物料在反应器内有足够的停留时间，并具有一定的线速度，而将反应物的一部分返回到反应器的进口，使其与新鲜的物料混合再进入反应器进行反应，对于这种反应器循环比与返混之间的关系就需通过实验来测定，此研究是很有现实意义的。 本实验通过用管式循环反应器来研究不同循环比下的返混程度。掌握用脉冲法测停留时间分布的方法。改变不同的条件观察分析管式循环反应器中流动特征，并用多釜串联模型计算参数N 。 二、实验原理 在实际连续操作的反应器内由于各种原则，反应器内流体偏离理想流动而造成不同程度的逆向混合，称为返混。通常利用停留时间分布的测定方法来研究反应器内返混程度，但这两者不是完全对应的关系，即相同的停留时间分布可以由不同的流动情况而造成，因此不能把停留时间分布直接用于描述反应器内的流动状况。而必须借助于较切实际的流动模型，然后由停留时间分布的测定求取数学期望，方差，最后求取模型中的参数。 停留时间分布的表示方法有二种，一种称为分布函数，()F t =。 其定义是： ()1 0E F t dt =? 即流过系统的物料中停留时间小于t 的（或说成停留时间介于0—t 之间的）物料的百分率。 另一种称为分布密度E()t 。其定义即在同时进入的N 个流体粒子中其中停留时间介于t t dt +和间的流体粒子所占的分率/dN N 为E()t dt 。 E()()t F t 和之间关系 ()E()dF t t dt = 停留时间分布的测定方法是多种多样的。其中脉冲法最为简单。即当被测定的系统达到稳定后，在系统入口处瞬时注入，定量的示踪剂，同时开始在出口流体中检测示踪物的浓度变化。（本实验用电导仪来检测示踪物的浓度变化，因浓度与电导成正比关系，示踪剂为强电解质）。所以可得停留时间分布密度E()t 的关系，可求得平均停留时间τ 和停留时间分布的离散度2 t σ E()E()t t t t t τ?=?∑∑ 222E()E()t t t t t t σ τ?=-?∑∑ 同样，无因次方差为：2212θσστ =，以N 表示虚拟釜数，则21N θσ=，可以求取模型参数N 。
生物反应工程复习资料
生物反应工程原理复习资料 生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应。 生物反应工程是指将实验室的成果经放大而成为可提供工业化生产的工艺工程。 酶和酶的反应特征 酶是一种生物催化剂，具有蛋白质的一切属性；具有催化剂的所有特征；具有其特有的催化特征。 酶的来源：动物、植物和微生物 酶的分类：氧化还原酶、水解酶、裂合酶、转移酶、连接酶和异构酶 酶的性质：1）催化共性：①降低反应的活化能②加快反应速率③不能改变反应的平衡常数。 2)催化特性：①较高的催化效率 ②很强的专一性 ③温和的反应条件 易变性和失活 3）调节功能：浓度、激素、共价修饰、抑制剂、反馈调节等 固定化酶的性质 固定化酶：在一定空间呈封闭状态的酶，能够进行连续反应，反应后可以回收利用。 与游离酶的区别： 游离酶----一般一次性使用（近来借助于膜分离技术可实现反复使用） 固定化酶--能长期、连续使用（底物产物的扩散过程对反应速率有一定的影响；一般情况下稳定性有所提高；以离子键、物理吸附、疏水结合等法固定的酶在活性降低后，可添加新鲜酶溶液，使有活性的酶再次固定，“再生”活性） 固定化对酶性质的影响：底物专一性的改变 、稳定性增强 、最适pH 值和最适温度变化、动力学参数的变化 单底物均相酶反应动力学 米氏方程 快速平衡法假设：（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） 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 稳态法假设：（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）中间复合物ES 一经分解，产生的游离酶立即与底物结合，使中间复合物ES 浓度保持衡定，即 P E ES S E k k k +→+?-2 1 1 P E ES +←ES S E ?+P E ES +→P E ES +←0=dt dC ES
生物反应工程教学大纲
十堰职业技术学院 生物化工专业生物反应工程课程教学大纲 (60-70学时） 马俊林编 一、《生物反应工程》课程的性质和任务 《生物反应工程》是一门以生物学、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，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动力学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程的分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。 生物反应工程主要研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题，因此，它在生物工业中起着举足轻重的作用，生物反应工程是工业生物技术的核心。 根据生物体的不同，生物反应过程可分为酶促反应过程，细胞反应过程（包括单一微生物细胞、多种微生物细胞的混合反应、动植物细胞培养等）和废水的生物处理过程。生物反应工程的研究内容就是研究各种生物反应过程的生物反应动力学、生物反应器和生物反应过程的放大与缩小等。 生物反应工程是生物化工专业的一门主干专业课。 二、《生物反应工程》课程的基本要求 通过本课的学习，要求学生了解生物反应工程研究的目的，生物反应工程学科的形成与沿革和生物反应工程领域的拓展。理解酶促反应动力学、微生物反应动力学、动植物细胞培养动力学的特征和生物反应器中的传质过程。掌握微生物反应过程的质量和能量衡算；动植物细胞的生长模型与培养条件。熟练掌握微生物反应器的操作和生物反应器的特征、操作及设计。 三、讲课内容 1、绪论 教学内容： 生物反应工程研究的目的；生物反应工程学的形成与沿革；生物反应工程的研究内容与方法；生物反应动力学；生物反应器；生物反应过程的放大与缩小。 教学要求：
生物反应工程复习 ()
生物反应工程原理复习资料 生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应。 生物反应工程是指将实验室的成果经放大而成为可提供工业化生产的工艺工程。 酶和酶的反应特征 酶是一种生物催化剂，具有蛋白质的一切属性；具有催化剂的所有特征；具有其特有的催化特征。 酶的来源：动物、植物和微生物 酶的分类：氧化还原酶、水解酶、裂合酶、转移酶、连接酶和异构酶 酶的性质：1）催化共性：①降低反应的活化能②加快反应速率③不能改变反应的平衡常 数。 2)催化特性：①较高的催化效率 ②很强的专一性 ③温和的反应条件 易变性 和失活 3）调节功能：浓度、激素、共价修饰、抑制剂、反馈调节等 固定化酶的性质 固定化酶：在一定空间呈封闭状态的酶，能够进行连续反应，反应后可以回收利用。 与游离酶的区别： 游离酶----一般一次性使用（近来借助于膜分离技术可实现反复使用） 固定化酶--能长期、连续使用（底物产物的扩散过程对反应速率有一定的影响；一般情况下稳定性有所提高；以离子键、物理吸附、疏水结合等法固定的酶在活性降低后，可添加新鲜酶溶液，使有活性的酶再次固定，“再生”活性） 固定化对酶性质的影响：底物专一性的改变 、稳定性增强 、最适pH 值和最适温度变化、动力学参数的变化 单底物均相酶反应动力学 米氏方程 快速平衡法假设：（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） 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 稳态法假设：（1）CS>>CE ，中间复合物ES 的 形成不会降低CS （2）不考虑 双倒数法（Linewear Burk ）： 对米氏方程两侧取倒数 得 以 作图 得一直线，直线斜率为 ，截距为 根据直线斜率和截距可计算出Km 和rmax 抑制剂对酶反应的影响： 失活作用（不可逆抑制） 抑制作用（可逆抑制 ）：竞争抑制 、反竞争抑制 、非竞争抑制 、 混合型抑制 竞争抑制反应机理： 非竞争抑制反应机理： 可逆抑制各自的特点：P37 多底物均相酶反应动力学 (这里讨论：双底物双产物情况 ) 强制有序机制 S m C r K r r 111max max +=S C r 1~1Q P B A +→+P E ES +←ES S E ?+P E ES +→0=dt dC ES
生物反应工程原理
第一章生物工程导论 1.生化反应工程的概念 以生物反应动力学为基础，利用化学工程方法研究生物反应过程的一门学科。 2.生化反应工程研究对象 研究生物反应动力学反应器设计 3.生化反应特点 优点：反应条件温和设备简单同一设备进行多种反应通过改良菌种提高产量 缺点：产物浓度低，提取难度大废水中的COD和BOD较高前期准备工作量大菌种易变异，容易染杂菌 4.生化反应动力学 本征动力学：又称微观动力学，生化反应所固有的速率没有物料传递等工程因素影响。 反应器动力力学：宏观动力学，在反应器内所观察到的反应速率是总速率考虑。 5.生化工程研究中的数学模型 结构模型：由过程机理出发推导得出 半结构模型：了解一定机理结合实验数据 经验模型：对实验数据的一种关联 第二章生物反应工程的生物学与工程基础 1.因次：导出单位，也称量纲。 2.红制及基本单位 密度比容气体密度压力 第三章微生物反应计量学教材p53-64 1.反应计量学：对反应物组成及转化程度的数量化研究 2.得率系数与维持因数： 得率系数：细胞生成量与基质消耗量的比值 维持因数：单位质量细胞进行维持代谢时所消耗的基质。 3.细胞组成表达式及元素衡算方程 细胞组成表达式CH1-8O0.5N0.2 元素衡算方程CHmOn+aO2+bNH3=CCH2O3Nr+d H2O +e CO2 4.得率系数与计量系数关系 当细胞反应是细胞外产物的简单反应时，得率系数与计量系数关系如下： 5．呼吸商：二氧化碳产生速率与氧气消耗速率之比 6.实例计算 第四章均相酶反应动力学（教材P8-10,26-38） 1．酶活力表达方法及催化特性 催化特性：酶具有很强的专一性较高的催化效率反应条件温和易失活，温热，氧化失活 2.了解反应速率方程的几种形式 零级反应：反应速率与底物浓度零次方成正比 一级反应：反应速率与底物浓度一次方成正比 二级反应：反应速率与浓度二次方成正比
(完整word版)生物反应工程原理
1.微生物反应与酶促反应的主要区别？ 答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于，微生物反应是自催化反应，而酶促反应不是。此外，二者还有以下区别： （1）酶促反应由于其专一性，没有或少有副产物，有利于提取操作，对于微生物反应而言，基质不可能全部转化为目的产物，副产物的产生不可避免，给后期的提取和精制带来困难，这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一。 （2）对于微生物反应，除产生产物外，菌体自身也可是一种产物，如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时，可用于提取这些物质。 （3）与微生物反应相比，酶促反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制。 微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞因素的影响，并且微生物会发生遗传变异，因此，实际控制有一定难度。 （4）酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在经济上有时并不理想。微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行；原料多为农产品，来源丰富。 （5）微生物反应产前准备工作量大，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了生产成本，且氧的利用率不高。 （6）相对于酶反应，微生物反应废水有较高BOD值。 2. 何为连续培养的稳定状态？当时，一定是微生物连续培养的稳定状态吗？ 答：连续培养是将细胞接种于一定体积的培养基后，为了防止衰退期的出现，在细胞达最大密度之前，以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基；与此同时，含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出，以保持培养体积的恒定。 连续培养的稳定状态时，此时反应器的培养状态可以达到恒定，细胞在稳定状态下生长。在稳定状态下细胞所处的环境条件如营养物质浓度、产物浓度、pH值可保持恒定，细胞浓度以及细胞比生长速率可维持不变。稳定状态可有效的延长分批培养中的对数生长期。理论上讲，该过程可无限延续下去。细胞很少受到培养环境变化带来的生理影响，特别是生物反应器的主要营养物质葡萄糖和谷氨酰胺，维持在一个较低的水平，从而使他们的利用效率提高，有害产物积累有所减少。 当时，不一定是连续培养的稳定状态。最主要的是菌种易于退化。可以设想，处于如此长期高速繁殖下的微生物，即使其自发突变几率极低，也无法避免变异的发生，尤其发生比原生产菌株生长速率高、营养要求低和代谢产物少的负变类型。其次是易遭杂菌污染。可以想象，在长期运转中，要保持各种设备无渗漏，尤其是通气系统不出任何故障，是极其困难的。在高的稀释率下，虽然死细胞和细胞碎片及时清除，细胞活性高，最终细胞密度得到提高；可是产物却不断在稀释，因而产物浓度并未提高；尤其是细胞和产物不断的稀释，
生物反应工程(知识点参考)
名词解释 1，返混:不同停留时间的物料的混合。 2，双膜理论:作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。一种关于两个流体相在界面传质动力学的理论 3，构象改变:在分子生物学里，一个蛋白质可能为了执行新的功能而改变去形状；每一种可能的形状被称为构象，而在其之间的转变即称为构象改变。 4，分配效应:分配的马太效应（Matthew Effect），是指好的愈好，坏的愈坏，多的愈多，少的愈少的一种现象。 5，酶的固定化技术:酶固定化技术是通过物理或化学的方法将酶连接在一定的固相载体上成为固定化酶，从而发挥催化作用。固定化后的酶在保持原有催化活性的同时，又可以同一般催化剂一样能回收和反复使用，可在生产工艺上实现连续化和自动化，更适应工业化生产的需要。 6，结构模型:就是应用有向连接图来描述系统各要素间的关系，以表示一个作为要素集合体的系统的模型. 7，固定化酶:水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水的但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。在催化反应中以固相状态作用于底物。 ￥ 8，停留时间:又称寄宿时间，是指在稳定态时，某个元素或某种物质从进入某物到离开该物所度过的平均时间。 9，恒化器：一种微生物连续培养器。它以恒定的速度流出培养液，使容器中的微生物生长繁殖始终低于最快生长速度。这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。而恒浊器反映的是细胞浊度（浓度）的恒定。 10，恒浊器：一种连续培养微生物的装置。可以根据培养液中的微生物的浓度，通过光电系统观控制培养液的流速，从而使微生物高密度的以恒定的速度生长。11，生物反应工程：一个由生物反应动力学与化学反应工程结合的交叉分支学科。着重解决不同性质的生物反应在不同型式的生物反应器中以不同的操作方式操作时的优化条件 12，连续灭菌：就是将配制好的培养基在通入发酵罐时进行加热,保温，降温的灭菌过程，也称连消。 13，间歇灭菌：在100℃条件下，灭菌30分钟，间隔24小时再重复操作三次。 14，有效电子转移：是指物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移。 15，能量生长偶联型：当有大量合成菌体材料存在时，微生物生长取决于ATP的供能，这种生长就是能量生长偶联型。 16，能量生长非偶联型：在ATP的供能充分，而合成细胞的材料受限制时，这种生长就是能量生长非偶联型。 、 17，不可逆抑制：抑制剂与酶的必需基团或活性部位以共价键结合而引起酶活力丧失，不能用透析、超滤或凝胶过滤等物理方法去除抑制剂而使酶活力恢复的作用。18，流加式操作：能够任意控制反应液中基质浓度的操作方式。 19，代谢工程：通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径。 20，连续培养及稳态：又叫开放培养，是相对分批培养或密闭培养而言的。连续培养是采用有效的措施让微生物在某特定的环境中保持旺盛生长状态的培养方法. 生理学家把正常机体在神经系统和体液以及免疫系统的调控下，使得各个器官、系统的协调活动，共同维持内环境的相对稳定状态，叫做稳态。
生物反应工程习题
1-6 试根据下列实验数据确定r max、K m和K I值，并说明该酶反应是属于竞争性抑制还是属于非竞争性抑制。 1-7 某一酶反应K m=4.7×10-5mol/L，r max=22 μmol/(L·min)，c S=2×10-4 mol/L，c I=5×10-4 mol/L，K I=5×10-5 mol/L。试分别计算在竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三种情况下的反应速率和抑制程度。
1-8 Eadie测量了存在和不存在某种抑制剂情况下乙酰胆碱在某酶作用下进行水解反应的初始速率，数据如下： （1）判断该抑制作用是竞争性还是非竞争性？（2）用L-B法求在有抑制剂存在时的动力学参数。 1-10 在某种水解酶的作用下葡萄糖-6-硫酸可以分解为葡萄糖和硫酸。在一定的酶浓度下，测得M-M方程中的的参数K m=6.7×10-4 mol/L，r max=3×10-7 mol/(L·min)。对该反应，半乳糖-6-硫酸是一竞争性抑制剂。当c S0=2×10-5mol/L，c I0=1×10-5 mol/L时，测得反应速率r SI=1.5×10-9mol/(L·min)。试求K*m 和K I的值。
第二章 习题 2-1 以葡萄糖为底物进行面包酵母的培养，其反应方程式可用下式表达。 612623610322 C H O + 3O + NH C H NO () + H O + CO a b c d →酵母 试求其计量关系式中的系数a 、b 、c 和d 。 2-2 在需氧条件下，以乙醇为底物进行酵母生长的反应式可表示为： 2523 1.7040.1490.40822C H OH + O + NH CH N O + CO + H O a b c d e → 试求： （1）当RQ=0.66时，a 、b 、c 、d 和e 的值；（2）确定Y X/S 和Y X/O 值。
生物反应工程原理作业答案
简答题 1、说明动物细胞培养反应器中流体剪切力的主要来源？ P210 主要来源为：机械剪切力、气体搅拌剪切力 2、说明固定化酶反应的Φ模数的物理意义，它与那些变量与参数有关？ P103 Φ = 表面浓度下的反应速率 / 内扩散速率 = 最大反应速率的特征值 / 最大内扩散速率的特征值 一级反应：e 1V P P 1D k S V =Φ Φ1 = Φ1 (V P ，S P ，k V1，D e ) Φ与内扩散速率、反应速率、内扩散阻力、对反应速率的限制程度、有效因子η等有关，而内扩散的有效因子又和颗粒粒度、颗粒活性、孔隙率、孔径、反应温度等有关 3、哪些传递过程特性与流体流动的微观效应有关？ P223，P298 7-30，PPT P1图 4、从反应器内物料混合的角度说明反应器放大过程中传递过程特性的变化？ P235 有流体流变特性、流体剪切作用、传质特性、氧的传递、质量传递 5、说明生物反应器中对流体剪切力的估计参数有哪些？ P210 通过混合，可使反应器中物料组成与温度、pH 分布更趋于均匀，可强化反应体系的传质与传热，使细胞或颗粒保持悬浮状态 (1) 宏观混合：机械搅拌反应物流发生设备尺寸环流，物料在设备尺度上得到混合，对连续流动反应器即为返混 (2) 微观混合：物料微团尺度上的混合，反映了反应器内物料的聚集状态 6、生物反应器操作选择补料分批培养的理由有哪些？ P131，P177 (1) 积分剪切因子 I ．SF = ΔμL / Δx = 2πNd / (D -d) (2) 时均切变率 γave (3) 最小湍流漩涡长度λ 7、说明临界溶氧浓度的生理学意义？ P62，P219 补料分批操作的特点是：可调节细胞反应过程环境中营养物质的浓度，一方面可避免某些营养成分的初始浓度过高而出现底物抑制的现象；另一方面又可防止某些限制性营养成分在反应过程中被耗尽而影响细胞生长及产物形成。同时还可解除产物的反馈抑制及葡萄糖的分解阻遏效应等。故在细胞反应过程中，实施流加操作可有效对反应过程加以控制，以提高反应过程的水平。
生物反应工程课程教学改革思路
1998年教育部调整了高等学校本科专业目录，将生物 类专业进行了整合，设立了新的生物工程专业[1]。浙江大学宁波理工学院生物工程专业开设于2001年，学生主要学习生物、化学、工程等学科的基础知识，掌握生物反应的一般规律及生物产品产业化技术，毕业生一般在食品、制药、环保等生物工程相关行业就业。生物反应工程是生物工程专业的核心支撑课程，在生物工程专业教学体系中占有重要地位。生物反应工程是一门生物学、化学和工程学的交叉学科，是一门研究将生物或生物的一部分（如酶、细胞或组织）作为催化剂参与反应过程的工程科学。开设生物反应工程专业的目的就是要培养既有很强的生物学和化学背景，又具有工程知识的学科交叉型人才，使学生能在生物技术产业化的事业中发挥重要作用[2]。生物反应工程是一门工程类的学科，实践性和应用性都很强[3]，改革传统的理论教学模式，建立理论知识和实践的有机联系，对于学生掌握本课程的理论知识并运用于生产实践具有重要意义。现从教学团队建设、教学方式方法改革、实践教学环节、建设课程网站和多媒体教学、改革考核方式等方面，研究生物反应工程教学改革措施，希望能为该课程的教学改革提供一定参考。 1生物反应工程的课程设置 根据我校生物工程专业的教学计划，生物反应工程课 程安排在第6学期进行。在此之前，学生已经学习了生物化学、工业微生物学、化工原理等课程，通过这些课程的学习，学生对生物工程专业的基础知识有了初步了解，为生物反应工程课程学习打下了基础。由于生物反应工程课程本身涉及生物化学、工业微生物学、物理化学、化工原理等课程知识，有较多的公式推导和计算，并且对数学基础要求较高，学生因为难于接受而出现畏难情绪，普遍感到此课程学习难度较大[4]。为此，如何改革以往的教学模式，激发学生的学习兴趣，是摆在教师面前的一个重要课题。 2生物反应工程课程教学改革的思路2.1 教学团队建设 教学团队由5名教师组成，包括1名教授、1名副教授、 3名讲师。团队建设的目标是提高团队教师队伍的整体业务 素质，以培养骨干教师为重点，以课程为中心组成教学梯队。为此，建立团队合作机制，由教授任团队带头人，推进教学工作的传帮带，促进教学研讨和教学经验交流，提高教师 的教学水平，以利于对青年教师的培养；同时创造机会鼓励教师出国进修学习或在职攻读博士学位，不断提高教师素质。 2.2教学方法改革 改革以往“灌输式”的教学方法，而是采用“启发式”和 “讨论式”教学方法。要求学生课前预习上课内容，对遇到的问题进行思考，使学生带着问题来听课；教师针对重点、难点问题进行讲解，并提出问题让学生回答，形成教师与学生互动交流的学习氛围。此举可充分发挥学生的主体作用，调动其学习的积极性和创造性，提高学生思考问题的能力[5-6]。 2.3引入实践教学环节 采用“小组教学法”和“实例教学法”进行实践教学。将 学生分为3~4人一组，自选或指定与课程内容相关的题目，写出报告，并制作PPT 在课堂上汇报并且相互讨论，交互式教学使学生积极参与教学活动，增加学习兴趣，提高教学效果。 2.4应用多媒体教学，建设课程网站 多媒体技术信息量大、效率高，已成为课堂教学的有力 工具。利用板书和多媒体技术制作电子课件进行教学，使得教学形象、直观、生动、活泼，大大提高课堂效率，激发学生的学习兴趣。通过课程网站的建设，将教学资源上传到网络，提供给学生一个自学的平台，增强学生学习的主动性。 2.5改革考核方式 考核是整个教学工作的重要环节，不仅可以促使学生 理解和掌握课程知识，而且是检验教学效果的重要手段。课程总成绩由平时成绩、实践教学成绩和期末考试成绩3个部分组成。平时成绩包括学生的考勤、课堂回答问题、作业情况等，其中课堂回答问题在平时成绩占较大的比重，以促进学生思考问题和对理论知识的掌握。实践教学成绩主要依据学生在实践教学环节中的表现，包括报告、PPT 和课堂讨论成绩。期末考试采用卷面考试，考查学生掌握基础知识的情况和分析问题、解决问题的能力。 3参考文献 [1]江珩，陈守文，喻子牛.以微生物学为特色的生物工程专业实验教学 改革[J].微生物学通报，2006，32（2）：172-175. [2]岑沛霖，关怡新，林建平.生物反应工程[M].北京：高等教育出版社， 2005. [3]韩培培，谭之磊，贾士儒，等.生物反应工程本科实践教学活动的改革 和实践[J].科技信息，2011（35）：286. [4]曹飞，张进明，朱建良，等.本科生物反应工程课程考试方式的改革与 实践[J].化工高等教育，2011（4）：36-38，92. [5]王莅，辛峰，徐艳.互动式教学在本科生反应工程教学中的实践[J].化 工高等教育，2005（4）：64-66. [6]郑辉杰，张洪起.生物反应工程教学改革研究与实践[J].河北工业大 学成人教育学院学报，2008，23（3）：40-42. 生物反应工程课程教学改革思路 靳挺 尚龙安 胡升 武玉学 （浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100） 摘要介绍了生物反应工程的课程设置，提出了课程教学改革的思路，包括教学团队建设、教学方法改革、引入实践教学、应用多媒体教学、建设课程网站、改革考核方式等，以期为该课程的教学改革提供参考。 关键词生物反应工程；课程设置；教学改革；思路 中图分类号G642.0 文献标识码A 文章编号1007-5739（2014）05-0343-01作者简介靳挺（1972-），男，安徽阜阳人，博士，副教授，从事生物工 程专业课程教学工作。 收稿日期 2014-02-20 农村经济学 现代农业科技2014年第5期343
生物反应工程原理 一二八九章
第一章绪论 生物反应工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。其实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。 生物反应工程（Bioreactor Engineering）是一门以生物学、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，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应工程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。 一、生物反应过程应由四部分组成： 1.原材料的预处理原材料的选择，必要的物理与化学方法加工，培养基配制和灭菌 2.生物催化剂的制备菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中的纯化、固定化等 3.生物反应器及反应条件的选择与监控反应器的结构、操作方式和操作条件，反应参数的检测与控制 4.产品的分离纯化用适当的方法和手段将含量甚少的目的产物从反应液中提取出来并加以精制以达到规定的质量要求 二、生物反应过程的特点： 1.是一门综合性学科 2.采用生物催化剂 3.采用可再生资源为主要原料 4.与一般化工产品生产相比，其生产设备比较简单，能耗较低 三、生物反应过程的分类： ①酶的反应过程：采用游离或固定化酶为催化剂反应。 ②细胞反应过程：采用活细胞为催化剂时的反应过程，包括一般微生物细胞发酵反应过程、固定化细胞反应过程和动植物细胞培养过程。 ③废水的生物处理过程：利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污浊物质的过程。 四、生物工程与生物反应工程 ①生物反应工程的上游加工：最重要的生物催化剂（包括菌株、酶、及其固定化）的制备。掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性，解决大规模种子培养或固定化催化剂制备以及如何在无菌情况接种。 ②生物反应器：存在着物料的混合与流动、传质与传热等大量的化学工程问题；存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学、酶催化反应动力学、发酵液的流变学以及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性的工程技术问题；同时还包括生物反应过程的参数检测和控制。 ③生物反应工程的下游加工：对目的产物的提取与精制。这是因为一方面生物反应液中目的产物的浓度是很低的；另一方面反应液杂质常与目的产物有相似的结构，加上一些具有生物活性的产品对温度、酸碱度十分敏感，一些作为药物或食品的产品对纯度、有害物质都有极严格要求。总之，下游加工步骤多，要求严，其生产费用高。 第二章固定化酶和固定化菌体 第一节微生物酶 一、微生物酶：微生物生活细胞产生的具有催化作用和专一激活能力的蛋白质。 二、微生物酶的优越性： 1、酶的来源：动物、植物、微生物。 2、（1）微生物生长速度快，易于大量培养。 （2）通过菌种选育改进培养条件，便于人为提高产量。 （3）菌种不同，产生酶的种类有差异。
生物反应工程复习
生物反应工程原理复习资料生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应。 生物反应工程是指将实验室的成果经放大而成为可提供工业化生产的工艺工程。 酶和酶的反应特征 酶是一种生物催化剂，具有蛋白质的一切属性；具有催化剂的所有特征；具有其特有的催化特征。 酶的来源：动物、植物和微生物 酶的分类：氧化还原酶、水解酶、裂合酶、转移酶、连接酶和异构酶 酶的性质：1）催化共性：①降低反应的活化能②加快反应速率③不能改变反应的平衡常数。 2)催化特性：①较高的催化效率②很强的专一性③温和的反应条 件易变性和失活 3）调节功能：浓度、激素、共价修饰、抑制剂、反馈调节等 固定化酶的性质 固定化酶：在一定空间呈封闭状态的酶，能够进行连续反应，反应后可以回收利用。 与游离酶的区别： 游离酶----一般一次性使用（近来借助于膜分离技术可实现反复使用） 固定化酶--能长期、连续使用（底物产物的扩散过程对反应速率有一定的影响；一般情况下稳定性有所提高；以离子键、物理吸附、疏水结合等法固定的
酶在活性降低后，可添加新鲜酶溶液，使有活性的酶再次固定，“再生”活性） 固定化对酶性质的影响：底物专一性的改变 、稳定性增强 、最适pH 值和最适温度变化、动力学参数的变化 单底物均相酶反应动力学 米氏方程 快速平衡法假设：（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） 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 稳态法假设：（1）CS>>CE ，中间复合物ES 的形成不会降低CS （2）不考虑 这个可逆反双倒数法（Linewear Burk ）： 对米氏方程两侧取倒数 得 以 作图 得一直线，直线斜率为 ，截距为 根据直线斜率和截距可计算出Km 和rmax 抑制剂对酶反应的影响： 失活作用（不可逆抑制） 抑制作用（可逆抑制 ）：竞争抑制 、反竞争抑制 、非竞争抑制 、 混合型抑制 竞争抑制反应机理： S m C r K r r 11 1max max +=S C r 1~1P E ES +←ES S E ?+P E ES +→P E ES +←0=dt dC ES
生物反应工程 重点
生物反应工程重点 1.生物反应研究的内容？ A. 生物反应动力学 动力学——研究工业生产中生物反应速率问题；影响生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果。 本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力系学） B. 生物反应器 传递特性——传质、传热和动量传递 设计与放大——选型、操作方式、计算 优化与控制——优化操作与优化设计、反应参数测定与控制 2.均相酶促反应动力学 见打印（均相酶促反应动力学）ppt 3. 固定化酶催化反应过程动力学 A.本征动力学概念： 本征动力学：又称微观动力学，它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。 B.外扩散因子、内扩散因子 见打印（外扩散因子、内扩散因子）ppt C.分子扩散、努森扩散 分子扩散：气体在多孔固体中扩散，当固体的孔径较大时，分子的扩散阻力主要是由于分子间的碰撞所致，这种扩散就是通常所说的分子扩散或容积扩散。 努森扩散：气体在多孔固体中扩散时，如果孔径小于气体分子的平均自由程（约0.1um），则气体分子对孔壁的碰撞，较之气体分子间的碰撞要频繁得多，这种扩散，称为Knudsen扩散。 D.曲节因子 没找到 4.细胞反应动力学 A.细胞的生长曲线 见书86页 B.各种比速率 见书81页 C.细胞生长速率及各种比速率 Monod方程与米氏方程的区别是什么？
答：monod方程与米氏方程的区别如下表所示。 Monod方程：米氏方程： 描述微生物生长描述酶促反应 经验方程理论推导的机理 方程 方程中各项含义： μ：生长比速(h-1) μmax：最大生长比速(h-1) S: 单一限制性底物浓度(mol/L) K S:半饱和常数(mol/L) 方程中各项含义： r：反应速率(mol/L.h) r max：最大反应速率(mol/L.h) S：底物浓度(mol/L) K m：米氏常数(mol/L) 适用于单一限制性底物、不存在抑制的情况适用于单底物酶促反应不存在抑制的情况 D.得率系数 菌体得率常数： F.呼吸商 呼吸商： G.产物生成与细胞生长的相关模型 相关模型：产物的生成与细胞的生长相关，产物是细胞能量 代谢的结果，产物的生成和细胞生长同步。 部分相关模型：反应产物的生成与底物的消耗仅有间接关
生物反应工程教学大纲
《生物制品》教学大纲 课程名称：生物制品 课程类型: 选修课 总学时：36 讲课学时：36 学分：2学分 适用对象: 生物工程专业、生物技术 先修课程：生物化学、微生物、基因工程、生物反应工程、生物分离工程 一、课程的性质和任务 生物制品是学生完成了生物工程专业基础课、专业课之后的一门选修课程。生物制品是应用普通的或以基因工程、细胞工程、蛋白质工程、发酵工程等生物技术获得的微生物、细胞及各种动物和人源的组织和液体等生物材料，制备用于人类疾病的预防、治疗和诊断的药品。生物制品属于高新科技范畴，涉及的学科多而且发展迅速，是多学科、多科技的结晶，是直接接种、输注于人体的特殊药品（即生命制品），也是预防生物恐怖的重要手段。生物制品课程的培养目标是造就具有较高素质的生物制品生产、科研第一线人员。本课程的主要任务： 1．介绍与生物制品生产相关的共通性基础知识和基本技能； 2．较系统地介绍几大类生物制品的生产技术； 3．适当介绍生物制品各专业领域的最新进展及发展趋势。 二、教学基本要求 通过本课程的教学，使学生系统地掌握预防类生物制品，即疫苗，包括疫苗的基础理论、传统的细菌和病毒疫苗以及基因工程疫苗的理论和生产技术；血浆蛋白制剂的种类、应用和制备；利用现代生物技术研制的用于临床疾病治疗的各种蛋白质、多肽、核酸及抗体药物。 三、教学内容及要求 教学内容 第一篇生物制品总论 第一章生物制品概述 第一节生物制品的概念、种类和用途 第二节生物制品发展简史 第三节我国生物制品的发展 第二章生物制品的制备 第一节一般生物制品的制备方法
第二节各类生物制品的分离纯化方法 第三节基因工程制品的制备 第三章生物制品的质量管理、检定与标准化第一节生物制品的GMP管理 第二节生物制品的质量检定 第三节基因工程生物制品的质量检测与控制第四节生物制品的标准化 第四章生物制品生产中的安全防护技术2 第一节化学防护技术 第二节生物学防护技术 第三节生物制品中的废物处理 第二篇疫苗 第五章疫苗概论 第一节疫苗的历史、发展和前景 第二节疫苗的成分、性质和种类 第三节生物制品菌毒种的筛选与管理 第四节计划免疫与联合免疫 第五节免疫佐剂的发展与应用 第六节疫苗与免疫 第六章基因工程疫苗 第一节基因工程亚单位疫苗 第二节基因工程载体疫苗 第三节核酸疫苗 第四节基因缺失活疫苗 第五节蛋白工程疫苗 第六节转基因植物疫苗 第七节基因工程疫苗的优越性及其发展重点第七章细菌类疫苗 第一节概述 第二节细菌灭活疫苗 第三节细菌减毒活疫苗 第四节类毒素疫苗 第五节细菌多糖疫苗
生物反应工程习题
生物反应工程习题 1-6 试根据下列实验数据确定rmax、Km和KI值，并说明该酶反应是属于竞争性抑制还是属于非竞争性抑制。cS×10 /(mol/L) 1-7 某一酶反应Km=×10-5 mol/L，rmax=22 μmol/(L·min)，cS=2×10-4 mol/L，cI=5×10-4 mol/L，KI=5×10-5 mol/L。试分别计算在竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三种情况下的反应速率和抑制程度。4rS0 / (μmol/(L·min)) 无抑制剂28 36 43 65 74 有抑制剂，cI=×10-4 μmol/L 17 23 29 50 61 - 1 - 1-8 Eadie测量了存在和不存在某种抑制剂情况下乙酰胆碱在某酶作用下进行水解反应的初始速率，数据如下：底物浓度/ (mol/L)初始反应速率/ (mol/(L·min)) 无抑制剂有抑制剂判断该抑制作用是竞争性还是非竞争性？用L-B法求在有抑制
剂存在时的动力学参数。1-10 在某种水解酶的作用下葡萄糖-6-硫酸可以分解为葡萄糖和硫酸。在一定的酶浓度下，测得M-M方程中的的参数Km=×10-4 mol/L，rmax=3×10-7 mol/(L·min)。对该反应，半乳糖-6-硫酸是一竞争性抑制剂。当cS0=2×10-5 mol/L，cI0=1×10-5 mol/L时，测得反应速率rSI =×10-9 mol/(L·min)。试求K*m 和KI的值。- 2 - 第二章习题2-1 以葡萄糖为底物进行面包酵母的培养，其反应方程式可用下式表达。C6H12O6+ 3O2 + aNH3 ? bC6H10NO3 (酵母) + cH2O + dCO2 试求其计量关系式中的系数a、b、c和d。2-2 在需氧条件下，以乙醇为底物进行酵母生长的反应式可表示为：C2H5OH + aO2 + bNH3 ? + dCO2+ eH2O 试求：当RQ=时，a、b、c、d和e的值；确定YX/S和YX/O 值。- 3 - 2-3 通过微生物混合需氧培养以进行苯甲酸的降解反
2008-4生物反应工程A答案05级(标准 )
第 1 页 共 6 页 考试方式：闭卷 太原理工大学《生物反应工程》A 试卷答案 适用专业：05级生物工程 考试日期： 2008-4- 时间： 120 分钟 共 6页 一．名词解释（每题3分,共30分) 1. 固定化酶的位阻效应 答：是载体的遮蔽作用（如载体的空隙大小、固定化位置或方法不当）给酶的活性中心或调节中心造成空间障碍，使底物和效应物无法与酶接触等引起的。 2. 单细胞微生物的世代时间 答：细胞两次分裂之间的时间。 3. 生物需氧量 答：一般有机物可被微生物所分解，微生物分解水中有机物需消耗氧，所消耗水中溶解氧的总量称为生物需氧量，为环境监测指标。 4. Y ATP 答：消耗1摩尔ATP 所获得的干菌体克数，g/mol. 5. 微生物生长动力学的非结构模型 答：不考虑细胞结构，每个细胞之间无差别，即认为细胞为单一成分。这种理想状态下建立起来的动力学模型称为非结构模型。 6. 恒浊法 答：指预先规定细胞浓度，通过基质流量控制以适应细胞的既定浓度的方法。 7. k L a 答：体积传质系数，1/s 8. 牛顿型流体 9. 答：剪切力与切变率比值为定值或剪切力与速度梯度成正比时称为牛顿型流体。 10.临界溶氧浓度 答;指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。 11.非均衡生长
12.答：随着细胞质量的增加，菌体组成如蛋白质、RNA、DNA、细胞内含水量等的合成 速度不成比例，这种生长称为非均衡生长。 二．判断题（每题2分，共30分） 1. 米氏方程中饱和常数的倒数1/K s 可表示酶与底物亲和力的大小。它的值越大，表示酶与底物亲和力越大。（√） 2. 稳态学说中所谓的稳态是指中间复合物ES的生成速率与分解速率相等，达到动态平 衡。（√） 3. 分配效应是由于固定化载体与底物或效应物之间的的亲水性、疏水性及静电作用引起微环境和宏观环境之间物质的不等分配，改变了酶反应系统的组成平衡，从而影响反应速率的一种效应。（√） 4.固定化酶的表观速率是假定底物和产物在酶的微环境和宏观环境之间的传递是无限迅速，也就是在没有扩散阻力情况下的反应速率。（×） 5. 在酶促反应中，不同的反应时间就有不同的最佳反应温度。（√） 6. 固定化酶的分配系数Kp＞1,表示固定化酶固液界面外侧的底物浓度大于内侧的底物 浓度。（×） 7. 微生物反应是自催化反应，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁殖。（√） 8. Monod方程属于微生物生长动力学确定论的结构模型。（×） 9. 按产物生成速率与细胞生成速率之间的关系，次级代谢物的生成属于相关模型。 （×） 10. 在微生物反应器的分批操作中，与其它操作方式相比，易发生杂菌污染。（×） 11. 流加操作的优点之一是可任意控制反应器中的基质浓度。（√） 12. 连续式操作一般适用于大量产品生产的场合。（√） 13. 在单级连续培养中，一般由于[S in ]＞＞K s ，所以根据Monod方程可以认为D cri ≈μ max 。 （√） 14. 在连续培养中，如果一种杂菌进入反应器，它的比生长速率小于培养所使用菌的比 生长速率，那么杂菌可被洗出。（√） 15. 动物细胞的培养方式有悬浮培养和贴壁培养两种方式。（√） 三．推证题（每题5分，共20分）（只要每步推导正确，最后得证即可得分） 1. 利用稳态法建立非竞争性抑制动力学方程。设酶促反应机制为： 第 2 页共6 页
生物反应工程复习重点无习题
1.生物反应工程的定义:一生物反应动力学为基础,将传质过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化 原理等化学方法生物过程方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制。 2.生物反应动力学：主要研究生物反应速率和各种因素对反应速率的影响。 生物反应器的研究内容：（1）生物反应器中的传递特质即传质、传热及动量；（2）生物器的设计与放大；（3）生物反应器的优化与控制，包括优化操作与优化设计。 3.生物反应器的研究内容（1-34） (1)生物反应器中的传递特性。 (2)生物反应器的设计与放大。 (3)生物反应器的优化与控制。 3.酶促反应中竞争性抑制动力学方程 4.酶促反应中非竞争性抑制动力学方程 5.酶促反应中反竞争性抑制动力学方程 6.判断酶促反应中竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制曲线 竞争型 非竞争型 反竞争型 7.比较酶促反应中竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制Km、rmax的变化
8.双底物酶催化反应的机理有哪些？ 随机机制：两个底物S1和S2随机地与酶相结合，产物P1和P2也随机地释放出来。许多激酶类的催化机制属于此种。 顺序机制：两个底物S1和S2与酶结合形成复合物是有顺序的，酶先与底物S1结合形成ES1复合物，然后ES1再与S2结合形成具有催化活性的ES1S2。 乒乓机制：最主要的特点是底物S1和S2始终不同时与酶结合，其机理式。转氨酶 9.固定化酶的优点： (1) 可连续稳定地生产产物； (2) 反应产物地纯度高、质量好； (3) 生产的副产物少； (4) 反应的动力学常数、反应的最佳pH和反应温度可能按意愿经固定化调整；(5) 固定化酶、细胞 在使用时可以再生或回收，可反复使用； (6) 容易实现连续自动控制，节约劳动力； (7) 可大大提高酶、细胞的比生产能力 10.酶固定化的方法： （1）载体结合法：将酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶性载体上的一种固定化方法。水不溶性载体：纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等。 （2）交联法：利用双功能试剂的作用，在酶分子之间发生交联、凝聚成网状结构，构成固定化酶(细胞) （3）包埋法：将酶包埋在微细网格或半透性的聚合膜中，使酶分子不能从凝胶的网格中漏出，而小分子的底物和产物可自由通过凝胶网格。包埋法使用的载作主要有聚丙烯酰胺、卡拉胶、 琼脂糖和海藻酸钠等。 11.单克莱尔准数物理意义？（2-2，-46） Da(Damkohler准数)是C*的函数，其物理意义是最大反应速率与最大传质速率之比。 Da >> 1，CS → 0,ηout → 0过程为外扩散控制 Da << 1 CS → C,ηout → 1 过程为反应控制 12.提高固定化酶外扩散效率,应设法减小Da准数。减小Da准数的措施？ 1、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表面积，但由于粒径减小会伴随压降增加，因此应用中综合考 虑，确定合适的粒径。 2、使固定化酶表面流体处于湍流状态以增大 13.西勒准数?的物理意义：是表面反应速率与内扩散速率之比。对各类反应动力学与固定 化酶的形状，普遍化的?的定义式为: 14.提高固定化酶内扩散效率的措施？ 应设法减小?。减小?的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。 15.什么是酶的半衰期？具有活性的酶浓度降至酶的总浓度一半的时间 16.呼吸商：CO2生成速率/O2消耗速率 17.细胞得率：消耗1g基质生成细胞的克数（指干细胞重），Y x/s =生成细胞的质量/消耗基质的质量 18.理想的微生物生长模型应具备条件： （1) 要明确建立模型的目的。使用模型的目的，与其说是对微生物生长增殖的复杂现象有统一、深刻的理解，不如说是为了进行微生物反应器的设计，找到最佳操作条件和确定出反应过程的合理管理方法。 (2)明确地给出建立模型的假定条件，这样才能明确模型的适用范围 (3)希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定 (4)模型应尽可能地简单。 19.代谢产物的生成动力学的类型