生物反应工程原理
(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。
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。
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生物反应工程原理
各种微生物构成的混合培养系统； • （2）几乎全部采用连续操作； • （3）微生物所处的环境条件波动大； • （4）反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢
产物和微生物细胞本身；
④简介其他分类方法
• 按获取能量的方式分——好氧发酵酵，次级代
• 高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强 大的、活跃的技术群体，叫做高技术。高技术 凝聚着人类早期的发明和近期的创造，代表着 当代的科技文明。
• 我国正在实行的高技术：生物技术、信息技术 、新材料技术、新能源技术、海洋技术、空间 技术。
• 生物技术（工程）的研究内容：基因工程；酶 工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生 化分离工程；
生物（生化）反应过程：
从应用的观点出发可将生物技术 进行如下分类：
• 工业生物技术 • 农业生物技术 • 医药生物技术 • 环境生物技术
生物现象
Bio-appearance
• 从自然现象说起： 最初原始性的种植方式到现代化农业;
由无序到计划性……。 • 从我们每一个人，即个体说起：
由上帝创造人类到生命起源的……。 • 从现代化的生物工业生产而言：
• 工程本质上是具有价值取向的主体作用于 客体、主观思维物化为客观实体的一种目 标导向的活动和过程。
生物技术（工程） bioengineering/biotechnology ：
• 生物技术是应用自然科学及工程学的原 理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产 品或为社会服务的技术。 ——1982年国 际经济合作及发展组织
谢产物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸 发酵，维生素发酵，抗生素发酵…… • 按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种 发酵；分批发酵，半连续发酵，连续发酵；固 态发酵，液态发酵 • 反应产物或服务的性质 • 按产物所属国民经济部门
生物反应工程原理习题解答
（3）
4-3
解细胞对底物的C-mol得率系数
(1)
山梨糖对底物则为：
(2)
二氧化碳对底物则为：
(3)
由式(2)和式(3)可得：
(4)
又因为
代入式(4)，可得：
(5)
式(1)和式(5)相加，得出：
由于 ，则 。又由 ，代入上式，得到：
4-4
解
（1） 如下图所示。
（2）选取 的（ ）数据对作线性拟合，得出：
（5）
将式（4）和（5）代入（1）式，有
2-3
解
0.0288
0.0331
0.0405
0.0482
0.0475
0.0032
0.0049
0.0062
0.0080
0.0095
线性拟合方程， ， ， 。计算结果与使用最小二乘法的结果完全相同。
2-4
解
由， ，有
由， ，有
2-5
解
0.0100
0.00667
0.00500
1.79
1.33
1.18
1.00
0.781
0.719
0.549
，
，
基本不变，认为是竞争性抑制。
当 ，有
当 ，有
因此有平均值：
2-7
解
312.5
204.1
161.3
125.0
105.3
9.01
6.76
6.54
6.02
5.00
16.9
12.2
10.3
8.93
8.00
由L-B法，可得：
无抑制时， ，相关系数 ；
3-7
解
（1）
生物反应工程原理第三版课后答案(贾士儒)
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？ P103Φ = 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：e1V P P1D 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λ7、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p53-641.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 CO24.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连锁酶促反应：3.米式方程快速平衡和拟稳态三点假设4.米式方程推导5.M-M方程与B-M方程比较6.酶反应一级动力学表达式及计算7.动力学常数Km与Vm的求取8.影响酶反应速率的因素：底物浓度酶浓度产物浓度PH值温度激活剂抑制剂9.竞争性、非竞争性、和反竞争性抑制的概念及动力学表达式竞争性：抑制剂为底物类似物，酶结合位点结合阻碍底物一般可逆非竞争性：抑制剂与酶活性位点以外结合，不影响底物的结合，最终可形成三联复合物反竞争性：抑制剂不与游离酶结合，但与复合物ES结合形成三联复合物10.酶失活动力学模型及测定方法第五章固定化酶与固定化细胞（教材P15-17,39-46）1.固定化酶、细胞制备方法与特点固定化细胞：物理化学手段将细胞限制哎一定空间保持活性并连续使用2.固定化酶与游离酶区别3.评价固定化酶生物催化剂指标固定化酶活力偶联率及相对活力4.固定化酶促反应动力学本征速率及本征动力学代表酶的真实特性；固定化酶催化反应速率受扩散和传质影响；所测速率是宏观有效反应速率和游离酶不同。
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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• 以生物反应动力学为基础，将传递过程 原理、设备工程学、过程动态学及优化 原理等化学工程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。
• 生物反应工程是工业生物技术的核心。
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2、生物反应工程的基础知识
Elementary Knowledge of Bioreaction Engineering Bioreaction Engineering
• 工程本质上是具有价值取向的主体作用于 客体、主观思维物化为客观实体的一种目 标导向的活动和过程。
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生物技术（工程） bioengineering/biotechnology ：
• 生物技术是应用自然科学及工程学的原 理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产 品或为社会服务的技术。 ——1982年国 际经济合作及发展组织
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生物（生化）反应过程：
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从应用的观点出发可将生物技术 进行如下分类：
• 工业生物技术 • 农业生物技术 • 医药生物技术 • 环境生物技术
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生物现象
Bio-appearance
• 从自然现象说起： 最初原始性的种植方式到现代化农业; 由 无序到计划性……。
• 从我们每一个人，即个体说起： 由上帝创造人类到生命起源的……。
Technology
• “个别的学问 knowledge of individuation”， 解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁 而变化。
• 具体的技术可以用记述的方法来表现。
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Engineering
• 研究一般化方法的学问，具有超越时代的 持续性和普遍性，内容是抽象的。
• 抽象的方法除表现为数学的使用外，更重 要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。
• 1、生物反应工程的定义 • 2、生物反应工程的基础知识 • 3、生物反应工程的特点
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1、生物反应工程的定义 Definition of Bioreaction Engineering
• 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。
• 是以生物学、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。
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• 高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强 大的、活跃的技术群体，叫做高技术。高技术 凝聚着人类早期的发明和近期的创造，代表着 当代的科技文明。
• 我国正在实行的高技术：生物技术、信息技术 、新材料技术、新能源技术、海洋技术、空间 技术。
• 生物技术（工程）的研究内容：基因工程；酶 工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生 化分离工程；
Characteristics of Bioreaction Engineering
• 生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生 物催化剂参与反应。特点：
• 1）反应在温和的条件下进行； • 2）反应速率比化学反应过程慢很多； • 3）反应的复杂性有时难于预计。 • 共性的基本问题： • 1）反应过程的定量； • 2）动力学研究；
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二、生物反应工程学科的形成与发展 The Evolution of Bioreaction Engineering
• 史前时代，人们还不知道什么是酶或微生物时，就已利用它 们进行有用物质生产了。
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龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元前200年， 作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早的诗集《诗经》中就提出过 采用厌氧进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花的活疫苗。
• 从现代化的生物工业生产而言： 由单一需求到协调发展……。
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如何从生物现象中抽象出共性的内容
• 从宏观看 以获得生物量为目的：
生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境 因素、操作条件等）
以获得目的产物为目的：
• 从微观看 转录与转译速率=（基因量、…….等) 调控速率=（表达速率、酶活力、……等）
第一章 绪论
Chapter 1. Introduction
• 学习目的：The Objective of Study
• 1）了解生物反应工程的学科定义、特点和发展形成史； • 2）明确学习生物反应工程课程的目的与关键点； • 3）掌握学习生物反应工程的主要内容与学习方法。
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第一章 绪论
Chapter 1. Introduction
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工程思维方法 Engineering sense method
• Adaptability 生物适应性(或可行性） • Continuity 可持续性 • Fixed quantity of process 过程的量化 • Economy 经济性 • Efficiency 效率 • ……
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3、生物反应工程的特点
• 一、生物反应工程的定义与特点 • 二、生物反应工程学科的形成与发展 • 三、生物反应工程研究的目的 • 四、生物反应工程研究的内容与方法 • 五、举例 • 六、本课程参考书目及相关要求
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一、生物反应工程的定义与特点 The Definition and Characteristics of Bioreaction Engineering
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生物技术的特点
多学科、多技术的结合 生物作用剂（生物催化剂）的参与 目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这 一过程称为生物反应过程（ bioprocess)
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多学科性:
它是一门多学科、 综合性的科学技 术。立工业生产过程:
• 生物技术最后的目的是建立工业生产过程或进行 社会服务，称为生物反应过程（bioprocess）。
From Bio-appearance to Bioprocess Design
From Bioprocess Design to Systems Biology
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代谢工程是一门涉及利用基因工程的手段对细 胞属性进行改造的工程，根据不同的生物过程和所 需目标，设计方案和引用的方法也不同.
步骤：（1）合成：构建重组菌株以提高细胞特性;（2）分析：对重组 菌株进行分析，特别是对照出发菌株的属性进行分析;（3）设计：设 计代谢工程方案（Nielsen 2001）.。