生物反应工程复习资料
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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 +→+⇔-211P E ES +←ES S E ⇔+P E ES +→P E ES +←0=dt dC ES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：Sm C r K r r 111max max +=S C r 1~1max r K m max1r PE ES S E k k k +→+⇔-211EI I E I K ⇔+P E ES S E k k k +→+⇔-211EII E IK ⇔+ESI I ES IK ⇔+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 顺序机制 西-钱氏机制 双底物双产物反应机制： 随即有序机制乒乓机制注意在工业级反应中， 反应速度一般是由改变所用酶浓度和（或）反应时间，而不是改变底物浓度来控制的，并且要测定的最重要参数是可测的转化率，而不是反应速度酶失活的因素有哪些？酶会由于种种因素发生失活。
生物反应工程重点
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）ppt3. 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）pptC.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。
生物反应工程原理总复习
（5-89) （5-90)
KS D PX = DYX / S (CS0 − ) µ max − D
当PX为最大时，相应的稀释率称为最佳稀释率DOPt：
DOPt
⎡ KS = µ max ⎢1 − K S + CS0 ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎥ ⎦
（5-92)
反应器中细胞浓度为
C X ,OPt = YX / Y CS0 + K S − K S (CS0 + K S )
1 dnp rp = v dt
rp = k + 2 ⋅ C[ES]
rp , max = k +2 ⋅ CE 0
Km = k
− 1
+ k
+ 1
+ 2
k
k = Ks + k
+ 2 + 1
2.3 有抑制的酶催化反应动力学
不可逆抑制：如果抑制剂与酶的基团成共价结合，则 此时不能用物理方法去掉抑制剂。此类抑制可使酶永 久性地失活。例如：重金属离子对酶的抑制作用。 可逆抑制： 可用诸如透析等物理方法把抑制剂去掉而 恢复酶的活性，此时酶与抑制剂的结合存在着解离平 衡的关系。包括：竞争性抑制，非竞争性抑制，反竞 争性抑制，混合型抑制，底物抑制和产物抑制。
τ
P
=
∫
C
s
s0
C
dC S rs
5.4.4 CPFR与CSTR的性能比较
本章中所讨论的生化反应器的浓度·时间(c－t)、 浓度—空间(C—z)分布曲线如图5—26所示。
（1）酶催化反应过程 （2）细胞反应过程
1/rs
τm
CX0 CX1
τp
Cx，opt
CX2
生物反应工程
⽣物反应⼯程第⼀章1、⽣物反应⼯程定义：⽣物反应⼯程是⼀门以研究⽣物反应过程中带有共性的⼯程技术问题的学科2、⽣物反应⼯程研究的内容：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，进⾏⽣物反应过程分析与开发，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。
第⼆章：1、根据酶所催化的反应类型可以将酶分为六⼤类2、酶的不同形式：单体酶(monomeric enzyme) 寡聚酶(oligomeric enzyme) 多酶体系(multienzyme system) 多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)3、辅酶 (coenzyme):与酶蛋⽩结合疏松，可⽤透析或超滤的⽅法除去。
辅基(prosthetic group):与酶蛋⽩结合紧密，不能⽤透析或超滤的⽅法除去。
4、酶的活性中⼼：或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。
5、酶促反应的特异性相对和绝对酶的特异性：⼀种酶仅作⽤于⼀种或⼀类化合物，或⼀定的化学键，催化⼀定的化学反应并⽣成⼀定的产物。
酶的这种选择性称为酶的特异性或专⼀性。
绝对：酶只作⽤于特定结构的底物，进⾏⼀种专⼀的反应，⽣成⼀种特定结构的产物相对：酶作⽤于⼀类化合物或⼀种化学键。
6、酶促反应的机理，两个学说（⼀）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进⽽相互结合。
（⼆）锁钥学说：特指对酶反应机制的⼀种描述。
底物与酶结合形成复合体，酶上的结合部位(即活性部位)在结构上与底物互补以致底物与酶吻合，正如钥匙和锁吻合⼀样。
7、⽶⽒⽅程及意义：⽅程：v=Vmax×[S]/（Km+[S])，当 = 1/2 Vm，Km = [S]意义：Km 可以近似地代表E与S的亲和⼒Km越⼩，代表E与S亲和⼒越⼤8、抑制的类型概念：抑制剂与酶活性中⼼必需基团共价结合，不能⽤透析、超滤等物理⽅法将其除去分类：可逆性抑制（竞争性抑制作⽤、⾮竞争性抑制作⽤、反竞争性抑制作⽤）不可逆抑制（专⼀性抑制[巯基酶抑制剂，丝氨酸酶抑制剂]、⾮专⼀性抑制剂）9、动⼒学特点第三章：1、酶在⾷品⽅⾯的应⽤级举例⽣物技术在⾷品⼯业中应⽤的代表就是酶的应⽤，⽬前已经有⼏⼗种酶成功⽤于⾷品⼯业。
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。
生物反应工程原理复习题答案
生物反应工程原理复习题答案一、选择题1. 生物反应器的基本类型包括：A. 搅拌槽式B. 填充床式C. 流化床式D. 所有以上选项2. 微生物生长的四个阶段包括：A. 滞后期B. 对数生长期C. 稳定期D. 衰减期E. 所有以上选项3. 以下哪个不是生物反应器操作模式？A. 批式操作B. 连续操作C. 半连续操作D. 周期性操作二、填空题1. 生物反应器的设计通常需要考虑_________、_________和_________三个主要因素。
2. 在生物反应器中，_________是用来描述微生物生长速率的参数。
3. 微生物的代谢途径可以分为_________代谢和_________代谢。
三、简答题1. 简述批式操作和连续操作的区别。
2. 描述生物反应器中氧气传递的重要性及其影响因素。
四、计算题1. 假设一个生物反应器的体积为1000升，其中微生物的浓度为5克/升。
如果微生物的比生长速率为0.2/小时，计算1小时内生物量的增长量。
2. 给定一个流化床生物反应器，其气体流量为1000升/分钟，气体中氧气的体积分数为21%。
如果反应器的体积为5立方米，计算在30分钟内氧气的总传递量。
五、论述题1. 论述生物反应器中混合和传质的重要性，并举例说明如何优化这些过程。
2. 分析在工业生产中，为什么需要对生物反应器进行规模放大，并讨论规模放大过程中可能遇到的挑战。
六、案例分析题1. 某制药公司使用生物反应器生产抗生素。
在生产过程中，他们发现微生物的生长速率突然下降。
请分析可能的原因，并提出解决方案。
2. 一个废水处理厂使用活性污泥法处理工业废水。
请根据活性污泥法的原理，分析废水处理过程中可能出现的问题，并提出改进措施。
七、实验设计题1. 设计一个实验来评估不同搅拌速度对微生物生长速率的影响。
2. 设计一个实验来测定生物反应器中氧气的溶解度。
八、结束语通过本复习题的练习，希望能够帮助学生更好地理解和掌握生物反应工程的原理，为进一步的学习和研究打下坚实的基础。
生物反应工程共38页
以上海交大为例，生物技术专业旨在培养具有扎实的现代生命科学理论基础和
熟练的操作技能与工程基础知识、掌握计算机以及外语的高级专业人才。研究方向为生
物大分子的结构与功能、基因分子生物学、人类与动物分子遗传学、微生物代谢与调控
以及植物基因工程等。
该专业主要学习与基因工程、蛋白质工程等相关的基础理论和操作技能。主要课程有： 普通生物学、生物化学、神经生物学、微生物学、微生物原理、基因工程原理与方法、 细胞工程、生化工程、酶与酶工程、发酵工程、计算机在生命科学中的应用、生命科学 信息与情报、生命科学基础讲座等。
物和微生物细胞本身；
1.2生物工程
1.2. 1生物工程的定义 人们以现代生命科学为基础，结合先进的
工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按 照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为 人类生产出所需产品或达到某种目的。
1.2.2. 生物工程的分类：
基因工程(Gene engineering) 细胞工程(Cell engineering) 酶工程(Enzyme engineering) 发酵工程(Fermentation engineering) 蛋白质工程(Protein engineering)
抗生素——青霉素
罗伯茨（W. Roberts，1874)首次报道微生物的颉 颃（xie hang）现象（antagonism）灰绿青霉生 长旺盛的液体会使人工感染细菌困难
廷德尔（J.Tyndall,1876）青霉菌与细菌液体培养 中有颉颃现象
巴斯德和朱伯特（J.F.Joubert，1877)用炭疽芽孢 杆菌培养物感染动物
以清华大学为例，生物科学与技术系是培养在生物科技领域从事科学研究、教学和
应用开发工作的高水平人才的专门系科。现设有生物科学和生物技术两个本科专业，为 了拓宽人才培养口径，招生时按生物科学一个专业招生。虽然分为两个专业，但课程安 排和教学内容上并没有什么区别，只是在写毕业论文时各有侧重。生物科学专业主要涉 及生物化学、分子生物学、生物物理学、结构生物学和细胞发育生物学等学科领域。生 物技术专业主要包括生物芯片技术、微生物发酵工程、藻类技术、细胞工程及酶工程和 生态环境工程。
生物反应工程原理总复习
扩散效应 传质机理仅为
常数 扩散系数视为
5、底物分配系数是1。
6、固定化酶颗粒处于稳态之下。
7、底物和产物的浓度仅沿r方向而变化。 数学模型简化
第四章 细胞反应过程动力学
4.1 细胞反应的主要特征
1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。
生物反应工程的研究方法
用数学模型方法进行研究： 机理模型：或称结构模型，从过程机理出发推导得到的。 半经验模型：对过程机理有一定了解基础上结合经验数据 得到 经验模型：在完全不了解或不考虑过程机理的情况下，仅 根据一定条件下的实验数据进行的数学关联。
2.1.1 酶的催化共性
它能降低反应的活化能，加快生化反应的速率；但它不能 改变反应的平衡常数，而只能加快反应达到平衡的速率。 酶在反应过程中，其立体结构和离子价态可以发生某种变 化，但在反应结束时，一般酶本身不消耗，并恢复到原来状 态。
2.2 简单的酶催化反应动力学
1、什么是简单的酶催化反应动力学 2、活性中间复合物学说 3、简单的酶催化反应机理 4、推导方程的假设条件 5、“平衡”假设、“拟稳态”假设 6、米氏方程的参数及其物理意义
k +1 + E+S ⎯2 ES ⎯ k⎯→ E + P k −1
1 dns rs = − v dt
4.3.2 分批培养时细胞生长动力学
1、生长历程 2、Monod方程
目前，常使用确定论的 非结构模型是 Monod 方程 µ max ⋅C S µ＝ ( 3 − 34 ) K S + CS
第五章 生化反应器的设计与分析
间歇操作搅拌槽式反应器 Batch Stir Tank Reactor (BSTR) 连续操作的搅拌槽式反应器 Continuous Stir Tank Reactor (CSTR) 连续操作的管式反应器 continuous plug Flow Reactor (CPFR)
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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 +→+⇔-211P E ES +←ES S E ⇔+P E ES +→P E ES +←0=dt dC ES
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：
S
m
C
r
K
r
r
1
1
1
max
max
+
=
S
C
r
1
~
1
max
r
K
m
max
1
r
P
E
ES
S
E
k
k
k
+
→
+⇔
-
2
1
1
EI
I
E I
K
⇔
+
P
E
ES
S
E
k
k
k
+
→
+⇔
-
2
1
1
EI
I
E I
K
⇔
+
ESI
I
ES I
K
⇔
+。