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
生物反应工程考试试卷（2004年4月） 班级姓名成绩 一、基本概念(8分) 返混： 酶的固定化技术： 能量生长偶联型： 有效电子转移： 二、写出下列概念的数学表达式(8分) 停留时间：稀释率： 转化率：Da准数： 外扩散效率因子：菌体得率： 产物生成比速：菌体得率常数： 三、判断题(8分) 1、竞争性抑制并不能改变酶促反应的最大反应速率。( ) 2、Da准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一准数，Da准数越大，外扩散效率越高。( )
3、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( ) 4、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内基质浓度为零。( ) 5、连续培养微生物X过程中，污染了杂菌Y，若μX>μY，则杂菌Y不能在系统中保留。( ) 四、图形题（12分） 图1为微生物生长动力学1/μ~1/S曲线，指出曲线Ⅰ、Ⅱ中哪条代表竞争性抑制，哪条代表无抑制情况。 图2为产物的Lueduking and Piret模型，指出曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表的产物类型。 图1 图2 曲线Ⅰ：曲线Ⅰ： 曲线Ⅱ：曲线Ⅱ： 曲线Ⅲ： 图3为连续培养的数学模型，请在图中标出临界稀释率D crit和最大生产强度下的稀释率D m。 图4为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制性基质？ Ⅰ Ⅱ 1/μ Ⅰ Ⅱ
图3 图4 五、简答题 （24分） 1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？ 2、影响固定化酶促反应的主要因素有哪些？ X DX
3．举例说明连续培养的应用？ 4．CSTR、PFR代表什么含义？比较CSTR型和PFR型酶反应器的性能。 六、计算题（40分） 1．以葡萄糖为限制性基质，在稀释率D = 0.08 (1/h)条件下，连续培养Candida utilis，建立了化学平衡式，结果如下，求菌体得率Y X/S。（4分）0.314C6H12O6+0.75O2+0.19NH3CH1.82N0.19O0.47 +0.90CO2 +1.18H2O
绪论 1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？ （1）原材料的预处理； （2）生物催化剂的制备； （3）生化反应器及其反应条件的选择和监控； （4）产物的分离纯化。 2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么? 定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。 主要内容：生物反应动力学和生物反应器的设计，优化和放大 3. 生物反应过程的主要特点是什么？ 1.采用生物催化剂，反应过程在常温常压下进行，可用DNA重组及原生质体融合技术制备和改造 2.采用可再生资源 3.设备简单，能耗低 4.专一性强，转化率高，制备酶成本高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制，反应液杂质较多，给提取纯化带来困难。 4. 研究方法 经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。 第1章 1. 酶作为生物催化剂具有那些催化剂的共性和其独特的催化特性？谈谈酶反应专一性的机制。 催化共性:降低反应的活化能，加快生化反应的速率；反应前后状态不变. 催化特性:高效的催化活性;高度的专一性; 酶反应需要辅因子的参与;酶的催化活性可被调控;酶易变性与失活。 机制：锁钥学说；诱导契合学说 2. 什么叫抑制剂？ 某些物质，它们并不引起酶蛋白变性，但能与酶分子上的某些必需基团（主要是指活性中心上的一些基团）发生化学反应，因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速率降低，能引起这种抑制作用的物质称为抑制剂。 3. 简单酶催化反应动力学（重点之重点） 4．酶动力学参数的求取方法(L-B法、E-H法、H-W法和积分法) L-B法: E-H法： H-W法： 积分法： S S ) (1) S c mI s m s s I I m i K C K ↓ ?++
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 ≈μmax 。 （√ ） 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： 试推导其速率方程为
生物反应工程考试试卷（2003年6月）班级姓名成绩 一、名词解释(10分) 流加式操作： 能量生长非偶联型： 返混： 搅拌器轴功率： 固定化酶： 二、请列出下列物理量的数学表达式(10分) 停留时间： 呼吸商： 稀释率： Da准数： 转化率：
三、判断题(10分) 1、单罐连续培养稳态下，D=μ。( ) 2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( ) 3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。( ) 4、Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一参数，Da 准数越大，外扩散效率越高。( ) 5．酶经固定化后，稳定性增加，活性增大。( ) 四、图形题（15分） 图1为酶促反应1/r ~1/S 曲线，指出曲线Ⅰ、Ⅱ中哪条代表竞争性抑制，哪条代表无抑制情况。图2为流体的流变学曲线，试说出每条曲线所代表的流体类型。 图1 图2 Ⅰ Ⅱ 1/r d /d
图3为连续培养的数学模型，请在图中标出临界稀释率D crit和最大生产强度下的稀释率D m。图4为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制性基质？ 图3 图4 五、简答题（25分） 1、莫诺方程与米氏方程的区别是什么？ X DX
2、CSTR、PFR代表什么含义？比较CSTR型和PFR型酶反应器的性能。 3、何谓恒化器，何谓恒浊器，二者有何区别？ 4、影响k L a的因素有哪些，如何提高k L a或N v？
5、如何进行流加培养的控制、优化？ 六、计算题（30分） 1、乙醇为基质，通风培养酵母，呼吸商RQ=0.6。反应方程为： C2H5OH+aO2+bNH3 c（CH1。75N0。15O0。5）+dCO2+ eH2O 求各系数a、b、c、d及菌体得率Y X/S。
生物反应工程考试试卷标准答案 一、名词解释(10分) 流加式操作：先将一定量基质加入反应器内，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中，反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入反应器内，以控制限制性基质浓度保持一定，当反应终止时取出反应物料的操作方式。 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。 返混：不同停留时间的物料的混合，称为返混。 搅拌器轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率是指搅拌器以既定的转速回转时，用以克服介质的阻力所需用的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率。 酶的固定化技术：是指将水溶性酶分子通过一定的方式如静电吸附、共价键等与载体结合，制成固相酶的技术。 二、请列出下列物理量的数学表达式 (10分) 停留时间：f V = τ 呼吸商：22/O CO Q Q RQ = 稀释率：V F D = Da 准数： m m N r Da = 转化率：0 0S S S t -= χ 三、判断题(10分) 1、单罐连续培养稳态下，D=μ。( √ ) 2、流加培养达到拟稳态时，D=μ。( √ ) 3、单罐连续培养，在洗出稀释率下，稳态时罐内底物浓度为零。( ) 4、Da 准数是决定固定化酶外扩散效率的唯一参数，Da 准数越大，外扩散效率越高。( ) 5．酶经固定化后，稳定性增加，活性增大。( )
四、图形题（15分） 图1为酶促反应1/r ~1/S 曲线，指出曲线Ⅰ、Ⅱ中哪条代表竞争性抑制，哪条代表无抑制情况。图2为流体的流变学曲线，试说出每条曲线所代表的流体类型。 图1 图2 图3为连续培养的数学模型，请在图中标出临界稀释率D crit 和最大生产强度下的稀释率D m 。图4为微生物生长模型，请图示说明如何判断限制性基质？ 图3 4 S crit 如图所示。 若S最新生物反应工程期末总结
L-B 法: E-H法：H-W r p 1 r p 1 K m r max r max 1 C s C s C s r K m K r max r s C s 绪论 1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？ （1）原材料的预处理； （2）生物催化剂的制备； （3）生化反应器及其反应条件的选择和监控； （4）产物的分离纯化。 2.什么是生化反应工程 , 生化反应工程的研究的主要内容是什么 ? 定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。主要内容：生物反应动力学和生物反应器的设计，优化和放大 3.生物反应过程的主要特点是什么？ 1.采用生物催化剂，反应过程在常温常压下进行，可用DNA重组及原生质体融合技术制 备和改造 2.采用可再生资源 3.设备简单，能耗低 4.专一性强，转化率高，制备酶成本高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制，反应液杂质较多，给提取纯化带来困难。 4.研究方法经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。 第1章 1.酶作为生物催化剂具有那些催化剂的共性和其独特的催化特性？谈谈酶反应专一性的机制。 催化共性: 降低反应的活化能，加快生化反应的速率；反应前后状态不变. 催化特性:高效的催化活性; 高度的专一性; 酶反应需要辅因子的参与; 酶的催化活性可被调控; 酶易变性与失活。 机制：锁钥学说；诱导契合学说 2.什么叫抑制剂？ 某些物质，它们并不引起酶蛋白变性，但能与酶分子上的某些必需基团（主要是指活性中心上的一些基团）发生化学反应，因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速率降低，能引起这种抑制作用的物质称为抑制剂。 3.简单酶催化反应动力学（重点之重点） 4．酶动力学参数的求取方法（L-B 法、 E-H法、 H-W法和积分法）
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，
所求产物生成速率为： 3ES2r k c = （1） （1）快速平衡法 1E S 1ES1k c c k c -= 1 ES1E S 1 k c c c k -= （2） 2ES12ES2k c k c -= 2 ES2ES12 k c c k -= （3） 将（2）式代入（3）式，有 12 ES2E S 12 k k c c c k k --= 代入（1）式，得 123 E S 12 k k k r c c k k --= （2）拟稳态法 ES2 2ES13ES22ES20dc k c k c k c dt -=--= （4） ES1 1E S 2ES21ES12ES10dc k c c k c k c k c dt --=+--= （5） 将（4）式与（5）式相加，得 1E S 1ES13ES20k c c k c k c ---= （6） 由（4）式，则 32 ES1ES22 k k c c k -+= 代入（6）式，解得： 12 ES2E S 131223 k k c c c k k k k k k ---=++ 代入（1）式，得： 123 E S 131223k k k r c c k k k k k k ---=++ 2-2 解 所求产物生成速率为：
3ESS 4ES r k c k c =+ （1） ES 1E S 1ES 2ES S 2ESS 3ESS 4ES 0dc k c c k c k c c k c k c k c dt --=--++-= 即 ()()1E S 124ES 23ESS 0S k c c k k c k c k k c ---++++= （2） ESS 2ES S 2ESS 3ESS 0dc k c c k c k c dt -=--= 即 2ES S ESS 23k c c c k k -=+ （3） 代入（2）式，求得： 1E S ES 14 k c c c k k -=+ （4） 代入（3）式，求得： ()() 2 12E S ESS 2314k k c c c k k k k --= ++ （5） 将式（4）和（5）代入（1）式，有 ()() 212314E S E S 231414k k k k k r c c c c k k k k k k ---=++++ 2-3 解 线性拟合方程，23.34 1.8410y x -=+?， max 0.299 mol/(L min)r =?，3m 5.5010 mol/L K -=?。计算结果与使用最小二乘法的结果完全相同。 2-4 解 由，max S0 * m S0 r c r K c = +，有 ()()max S0 * 3m 3.9810 mol/L r r c K r --= =? 由，*I m m I 1c K K K ?? =+ ??? ，有
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。
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第一章导论 一解释名词 生物下游加工过程（生物分离工程），生物加工过程 1 、生物下游加工过程（生物分离工程）：从发酵液、酶反应液或动/植物细胞培养液中将目标产物提取、浓缩、分离、纯化和成品化的过程。（ppt 第一章、课本page 1） 2、生物加工过程：一般将生物产品的生产过程叫生物加工过程，包括优良生物物种的选育、基因工程、细胞工程、生物反应工程及目标产物的分离纯化过程。（课本page 1） 二简答题 1 生物产品与普通化工产品分离过程有何不同？（生物下游加工过程特点是什么？）答：生物下游加工过程特点： <1>：发酵液组成复杂，固液分离困难——这是生物分离过程中的薄弱环节 <2>：原料中目标产物含量低，有时甚至是极微量——从酒精的1/10到抗菌素 1/100， 酶1/100万左右，成本高。 <3>：原料液中常伴有降解目标产物的杂质——各种蛋白酶降解基因工程蛋白产物， 应快速分离。 <4>：原料液中常伴有与目标产物性质非常相近的杂质——高效纯化技术进行分离。 <5>：生物产品稳定性差——严格限制操作条件，保证产物活性。 <6>：分离过程常需要多步骤操作，收率低，分离成本高——提高每一步的产物收得 率，尽可能减少操作步骤。 <7>：各批次反应液性质有所差异——分离技术具有一定的弹性。 2 生物分离工程在生物技术中的地位？ 答：生物技术的主要目标产物是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程的重要环节，而且分离工程的质量往往决定整个生物加工过程的成败，因此，生物分离纯化过程在生物技术中极为重要。 3 分离效率评价的主要标准有哪些？各有什么意义？（ppt） 答：根据分离目的的不同，评价分离效率主要有3个标准：
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
1. 在一间歇操作的搅拌反应器中进行脲酶催化尿素分解为氨和二氧化碳的反应，要求底物的转化率为0.8。底物的初始浓度为0.1mol/L，反应器中酶浓度为 =0.0266mol/L，最大反应速0.001g/L。在等温反应条件下的动力学常数为，K m 率为1.33mol/(L·s)，相应此最大反应速率的酶浓度约为5g/L。求完成反应所需的时间。如果要求其生产过程的底物处理量为1000mol/h，每个操作周期所需的辅助时间为10min，试计算反应器的有效体积。 2.某一均相酶催化反应，其动力学方程为： 若进样流量为25L/min，反应底物s在反应器出口转化率 为95%，底物初始浓度为2mol/L时。 =？(2)若采用一个CPFR反试求:(1)若采用一个CSTR反应器时，反应器体积V R 应器时，反应器体积V =？ R
3.某一均相酶反应在CPFR 中进行，其动力学方程为： 若进料流量为25L/min ；反应底物S 在反应器出口已转化了95%，底物初始浓度为2mol/L 时，所需反应器有效体积为多大？如改用CSTR ，所有条件同上，计算所需反应器有效体积为多大？ 题解： S S S C 2C 2.0r +=） （则：L 986V min)/L (46.39)]C C (C C ln K [r 1r dC V V R S 0S S 0S m max C C S S 0R S 0S ==-+=-=? ） （则：L 5.4987V min)/L (5.199)]C C (C C C K [r 1r C C V V R S 0S S S 0S m max S S 0S 0R ==-+-=-= 4. 以相同的酶和载体做成三种体积相等而形状不同的固定化酶颗粒，一种为球形；另一种为高与直径相等的圆柱体；还有一种为高与直径相等而壁厚为直径1/3的圆环体。 催化剂颗粒体积均为0.1cm3，颗粒表观密度为1.2g/cm3，所进行的酶催化反应可作为一级不可逆反应处理。 在反应条件下,反应速率常数为50cm3/（s ·g 颗粒）,催化剂微孔内的有效扩散系数为0.01cm2/s 。在该反应体系中，单位体积液相中含有的固定化酶量为20g/L 。已知液相中底物浓度为0.1mol/L ，并且可不考虑外扩散阻力和分配效应等因素的影响。 2 231063261263dCO O cH N O H bC aNH O O H C ++→++
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
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。
南京工业大学 生物反应工程 试题（A ）卷（开） 20 05--20 06学年 第 二 学期 使用班级 生0301-02 班级 学号 姓名 1、对于简单酶反应动力学方程参数的求取，不同的方法所得的结果不同，四种方法的斜率分别为L －B 法 ；H-W 法 ；E-H 法 和积分法 。 2、一个固定化在实心球表面的葡萄糖氧化酶，其动力学参数为 311max 410min r mol L ---=?和31210m K mol L --=?，现将该固定化酶放置于葡萄糖浓度 为5mol ·L -1的反应体系中，其反应受 控制，有效因子为 。 已知葡萄糖的体积传质系数为4×10-1 min 。 3、葡萄糖为碳源，NH 3为氮源进行酵母厌氧培养。培养中分析结果表明，消耗100mol 葡萄糖和12mol NH 3生成了57mol 菌体、43mol 甘油、130mol 乙醇、154molCO 2和3.6molH 2O 。此时酵母细胞的分子式为 4、采用带有外循环的CSTR 反应器与普通CSTR 反应器相比，其临界稀释率 ；反应器的稳定性 。 5、设θ为无因次时间。当反应器为活塞流反应器、θ＝0.8时，F （θ） ，E （θ） ；当反应器为全混流反应器、θ＝0.8时，F （θ） ，E （θ） 。 二、名词解释（每题2分，共10分）： 1、抑制百分数 2、梯勒模数 3、Gaden 分类 4、反应－分离耦合过程
5、停留时间分布密度函数 三、简答题（每题5分，共30分）： 1、细胞生长的Monod方程的基本假设和适用范围是什么？什么是均衡生长？ 2、反应器内流体停留时间分布函数有那些？如何采用实验方法测定停留时间分布？实验方法中的各自缺陷是什么？停留时间分布函数的统计特征值是什么？ 3、在固定化酶反应中，若存在底物抑制采用什么样反应器较为合适？若存在产物抑制，采用何种反应器较好？为什么？ 4、什么叫做“返混”？根据返混的不同可以将理想反应器分为几种？其各自特征参数值有什么特点？ 5、一般情况下微生物的间歇培养采用什么方法考察菌体的增殖情况，发酵过程分为那些阶段？如何改变迟滞期的长短？如何计算倍增时间t d？
生物反应工程期末总结 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
绪论 1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成 （1）原材料的预处理； （2）生物催化剂的制备； （3）生化反应器及其反应条件的选择和监控； （4）产物的分离纯化。 2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么 定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。 主要内容：生物反应动力学和生物反应器的设计，优化和放大 3. 生物反应过程的主要特点是什么 1.采用生物催化剂，反应过程在常温常压下进行，可用DNA重组及原生质体融合技术制备和改造 2.采用可再生资源 3.设备简单，能耗低 4.专一性强，转化率高，制备酶成本高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复杂，较难控制，反应液杂质较多，给提取纯化带来困难。 4. 研究方法 经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。 第1章 1. 酶作为生物催化剂具有那些催化剂的共性和其独特的催化特性谈谈酶反应专一性的机制。 催化共性:降低反应的活化能，加快生化反应的速率；反应前后状态不变. 催化特性:高效的催化活性;高度的专一性; 酶反应需要辅因子的参与;酶的催化活性可被调控;酶易变性与失活。 机制：锁钥学说；诱导契合学说 2. 什么叫抑制剂 某些物质，它们并不引起酶蛋白变性，但能与酶分子上的某些必需基团（主要是指活性中心上的一些基团）发生化学反应，因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速率降低，能引起这种抑制作用的物质称为抑制剂。 3. 简单酶催化反应动力学（重点之重点） 4．酶动力学参数的求取方法(L-B法、E-H法、H-W法和积分法) L-B法: E-H法：H-W法：
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。
南京工业大学 生物反应工程 试题（B ）卷（开） 20 05--20 06学年 第 二 学期 使用班级 生0301-02 班级 学号 姓名 1、相对于无抑制酶促反应方程的max r 和m K ，当存在竞争性抑制时，动力学方程中参数max r ，m K ；当存在反竞争性抑制时，动力学方程中参数 max r ，m K 。 2、某酶以游离形式进行酶促反应时所得的动力学参数为K m ＝0.05mol/L 和r max ＝10mol/(L·min)。该酶进行固定化后进行同一酶促反应，所得动力学参数为K m ’＝ 0.1mol/L 和'm ax r ＝6mol/(L· min)。当底物浓度为1mol/L 时，该固定化酶的有效因子η＝ 。 3、以乙醇为唯一碳源进行产气杆菌培养，菌体初始浓度为0.1g/L ，培养到3.2h ，菌体浓度为8.44 g/L ，如果不考虑延迟期，比生长速率一定，则倍增时间t d ＝ 。 4、同样的酶进行催化反应，在转化条件相同的情况下，若要达到相同的转化率，采用CSTR 反应器的体积 CPFR 的反应器体积。 5、对于活塞流反应器来说，所有流体粒子的停留时间 平均停留时间，而对于全混流反应器来说，有 流体粒子停留时间大于平均停留时间。 二、名词解释（每题2分，共10分）： 1、酶活回收率 2、丹克莱尔准数 3、均衡生长
4、反应－分离耦合过程 5、活塞流模型 三、简答题（每题5分，共30分）： 1、Monod方程建立的几点假设是什么？Monod方程与米氏方程主要区别是什么？ 2、酶固定化会引起酶活性和稳定性如何变化？为什么要进行酶的固定化？ 3、内扩散的梯勒模数φ代表什么意义？其值大小与什么有关？与内扩散之间的关系是什么？ 4、细胞反应产物生成动力学的Gaden分类是按照什么方法进行分类？具有分类有那些？分别写出不同分类的动力学方程？
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