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
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
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
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。其中热失活最重要。酶的热失活随温度升高而失活程度加剧。物理因素有：加热、冷却、机械力 化学因素有：酸、碱、盐、溶剂、表面活性剂、重金属、蛋白酶。 酶失活过程的动力学
未反应时的失活动力学
表征方法（数学模型）：一级失活模型 注: E --具有活性的酶 D --失活的酶 kd --衰变常数 模型中：
?＝1时，底物对酶失活无影响 ?＝0时，酶完全被底物所保护 01时，底物加速酶的失活
因此，称?为底物对酶稳定性影响系数 影响固定化酶促反应的主要因素:
子构象的改变、位阻效应、微扰效应、分配效应 （可用Kp 定量描述）、扩散效应 （可定量描述） 评价酶反应器指标：转化率、产率、选择性、停留时间 均相酶反应器的分类：
批式反应器（间歇反应器）
按操作方式 连续反应器 半间歇反应器
批式反应器 将底物一次加入反应器内，在反应的过程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的
浓度随反应时间变化
连续反应器 底物等连续输入反应器，产物连续从反应器输出，反应器的任何部位的各组分均不随反
应时间变化（稳定态）
半连续反应器 在一次反应的过程中，底物分次补入
批式全混型反应器（间歇式搅拌罐反应器）（batch stirred-tank reactor ， BSTR ） 连续全混型反应器（连续式搅拌罐反应器）（continuous stirred-tank reactor ，CSTR ） 活塞流反应器（plug flow reactor ，PFR ）
全混流——流入的液体在装置内瞬间完全混合。也就是说，各组分的浓度及粒子的分散无论在什么地方都完
全相同。
完全相同，在流动方向上既没有混合也没有扩散。
非均相酶反应器
用于由固定化酶催化的非均相反应的反应器
非均相酶反应器的类型及结构设计要考虑：固定化酶更换操作难易 底物性质 反应体系粘度 PH 值范围控制等因素
非均相酶反应器有： 搅拌罐反应器
可以是：批式的BSTR （一般只适用于实验室研究，如用于工业生产，则每批反应结束都要进行固液分离）
连续式的CSTR （更适宜与工业生产，但应在出口处设置过滤器防止固定化酶颗粒的流失）
固定床反应器 是最广泛适用的固定化酶反应器。
D
E d
k →
缺点：对固定化酶颗粒的强度要求高；液相的连续流动致温度和PH 控制难。 优点：连续操作、负载力大、效率高、生产能力大等
操作：液相的流速和Re 数都采用较小值、延长停留时间将有利于达到一定的转化率 流化床反应器 流化流速范围窄，不易工业应用。
缺点：流化态要求流体流速必须提高到一定程度致停留时间不足、转化率不能足够高（克服办法：部分反应液回补再循环）
优点：1液相和固相的微环境较易控制2传热、传质性能好3不会堵塞4 能处理微小粉末状底物 5固定化酶颗粒可以做得足够小（ 可以足够高）
细胞反应工程
细胞的基本特征：
菌体成分：由80%左右的水分，以及蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素和无机物等构成。
但是 C m 对C 对H 对O 对N 上述4个细胞反应的计量方程，不足以计算a 、b 、c 、d 、e 等5个未知量，因而再寻找1个方程 如在好氧型培养时，可定义呼吸商（仪器测定）作为第5个方程；
（5）
或采用还原度平衡的方法（C=4，H=1，N=-3，O=-2，P=5，S=6）
联立1～5式，有 解得细胞反应方程的a 、b 、c 、d 、e 等5个系数 例：某以葡萄糖为底物的微生物细胞培养过程，有2/3的碳转化为细胞。其细胞培养的反应方程为
C6H12O6+a NH3+b O2=cd H2O+e CO2 葡萄糖 微生物细胞 （1）试确定计量系数a 、b 、c 、d 、e ；
a d RQ /=??
??
???
? ??=???????? ??????????? ??----00010
0010120220300100l n m e d c b a RQ
γδβα
（2）试计算其细胞对底物的得率YX / S ； （3）试计算呼吸商RQ 。
解：（1）细胞反应的方程式系数的计算
1mol 葡萄糖所含有的C 元素为72g ，根据题意1mol 葡萄糖转化为微生物细胞的C 元素为：
g 则有：转化为CO2的C 元素为： g 则： ，
对N 元素平衡，有：
对H 元素平衡，有： 对O 元素平衡，有： ，
所以：
即： （2（3度在式中 --------限制性底物浓度（g/L ） 代谢产物的生成动力学根据产物生成速率与细胞生成速率之间的关系，将其分成三种类型。
相关模型,是指产物生成与细胞生长呈相关的过程。产物是细胞能量代谢的结果。此时产物通常是基质的分解代谢产物。例如：乙醇、葡萄糖酸等。
部分相关模型,反应产物生成与基质消耗仅有间接的关系。产物是能量代谢的间接结果。在细胞生长期内，基本无产物生成。属于这类的有柠檬酸和氨基酸的生产等。
非相关模型,产物的生成与细胞的生长无直接关系。在微生物生长阶段，无产物积累，当细胞停止生长，产物却大量生成。属于这类的有青霉素等二级代谢产物的生产。 微生物反应器操作 深层培养的几种方式：
()483/272=?909
.0124.448
=?=
c 244872
=-e 1224=2=e 782.086.0==c a d c a 23.7312+=+e d c b 22.126++=?+S S []
S
? 分批式操作（batch operation ）：是指基 质一次性加入反应器内，在适宜条件下将微 生物菌种接入，反应完成后将全部反应物料 取出的操作方式
? 半分批式操作（semi-batch operation ）：又 称流加操作，是指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 照一定要求加入到反应器内，以控制限制性基 质保持一定，当反应终止时取出反应物料的操 作方式 。
? 反复分批式操作（repeated batch operation ）：
指分批操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照分批式操作方式，反复进行。
? 反复半分批式操作（repeated semi-batch operation ）：是指流加操作完成后，不全部取出反应物料，
剩余部分重新加入一定量的基质，再按照流加操作方式进行，反复进行。
? 连续式操作（continuous operation)：是指在分批式操作进行到一定阶段，一方面将基质连续不断地加
入反应器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件（如反应液体积等）不随时间变化的操作方式。
分批式培养过程的状态方程式（环境过程的状态方程式）可表示为： 基质：基质（底物）消耗速率 基质（底物）比消耗速率 菌体：dX/dt=μX 产物：产物的生成速率 产物的比生成速率
流加操作的2种方式：无反馈和有反馈各有什么特点？
前者包括定流量流加、指数流加和反馈控制流加操作等。后者分间接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操作。
连续操作有两大类型，即CSTR （continuous stirred tank reactor ）型和CPFR(continuous plug flow tulular reactor ）型。
根据达成稳定状态的方法不同，CSTR 型连续操作，大致可分为三种。一是恒化器法（chemostat ），二是恒浊器法（第三是营养物恒定法）。各有什么特点？
恒化器法是指在连续培养过程中，基质流加速度恒定，以调节微生物细胞的生长速率与恒定流量相适应的方法。
营养物恒定法是指通过流加一定成分，使培养基中的营养成分恒定的方法。实际应用中多采用恒化器法 。（注意：恒化培养的冲出现象） （恒化器法连续）
变化量=流入量+生成量-流出量
F 为反应液流入与流出速度L/h ，
V 为反应器内反应液的体积L ，
Sin 为流入液中限制性底物的浓度mol/L ， S 为反应器内和流出液中限制性底物浓度mol/L ， 其余符号同前。
D 称为稀释率：
s
s
X
S
q x
r C V V ≡=
=
s
s p p
p q Y x r q ?==
V
F D /=
物质传递
以液相浓度为基准可得下式： kL 为液膜传质系数； kG 为气膜传质系数； Ci 为气液界面上的平衡浓度； C 为反应液主流中氧的浓度； C*为与气相氧分压相平衡的氧浓度； H 为亨利常数；
KL 为以液膜为基准的总传质系数。 气液界面附近氧传递的双膜理论模型 影响物质传递的因素？ 如何提高氧的传质速率？
1
7 P/V 由
以注： 搅拌功率的放大（n ）
搅拌功率的放大实际上是n 和Di 的放大。若几何相似，则Di 一定，放大问题就只是选择搅拌转速n 的问题
（以流体雷诺数相同的原则放大）
细胞反应器中，此方法很少采用
得：
以搅拌桨叶尖速度（即剪切力）相同的原则放大
如果在小型设备中搅拌器所产生的最大剪切力已接近微生物的剪应力极限，这时就必须按搅拌器末端线速度相等来进行放大
这在利用丝状菌（霉菌、放线菌）进行的发酵过程中尤为明显，保证剪切力才利于菌丝体的分散和气泡的破裂细碎，才利于溶氧传质等维持反应正常进行的因素的达到
2Re i L L
D n ??=μρ
通常对大多数的生物发酵，搅拌叶尖线速度宜取2.5~5.0 m/s 得：
以单位体积液体消耗功率 P/V 相等的原则放大
P/V 与KLa 有密切的关系且容易测量和计算。实践表明，对于溶氧速率控制发酵反应的非牛顿发酵液，把
P/V 相等作为放大准则效果较好
早期的青霉素发酵生物反应器的放大就是根据几何相似和P/V 恒定的方法进行的，这种方法应用得非常成功 重点 得： 通风发酵设备（了解，自己看一下方面）
植物和动物细胞
植物细胞的培养操作 培养方式：
11221i i D n D n ??=2
1
12i i D D n n =
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 ↓ ?++
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
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（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。
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）
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(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 ++→++
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：
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？
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。
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。
什么是生物医学工程？ 是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学角度，在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理的科学。 生物医学工程学的研究内容？ 生物力学，生物材料学，人工器官，生物医学图像技术，生物医学电子，生物医学信号检测，生物医学信号处理，生物医学测量，物理因子的生物效应及治疗作用，生物系统的建模与控制，医用仪表仪器，中医工程，生化工程，医学信息管理控制系统。 生物力学有哪些内容？ ①以人（高等哺乳动物）的生命活动为核心的生物力学——生物力学的主体。 ②绿色植物的生物力学。 ③生物技术与生物化学工程中的流体力学问题。 ④动物的运动。 生物力学的力学基础？ ①运动和力（牛顿三定律） ②刚体力学在生物力学中的应用 ③连续介质力学基础 ④生物流体力学基础。 硬组织，软组织，血管和关节软骨的力学性质有哪些表现？ 硬组织：（1）干骨变脆（无塑性变形）； （2）骨的应变很小，0.004~0.012； （3）在比例极限以下，密质骨可以看作是胡克弹性体：应力=E*应变，E为杨氏模量。 软组织：软组织力学性质的共同性： 在生理范围内，各种软组织都有应力—应变滞后环、应力松驰和蠕变现象，因而都 是粘弹性材料，而且是高度非线性的。 软组织力学性质的区别： 在无损伤条件下的各软组织的最大应变各不相同。超出各自的应变范围，组织将屈 服而被破坏。 血管：无规律性结论。 关节软骨：关节软骨是由少量细胞，固相基质和间质液（主要是水占75%）组成的。 [亦是多孔复合材料，（胶原纤维65%+蛋白聚糖25%+糖蛋白10%）。] 在应力作用下，液体可在基质中流出或流进，因此软骨的力学性质随基质内液体 含量的多少而变化。另外，环境化学条件（液体中的离子浓度等）对关节软骨的 力学性质也有影响。 红细胞特性，功能，易变性原因？ ①红细胞的几何形状：φ5－8μm ②红细胞沉降——血沉，静息时因重力而沉降，红细胞沉降与红细胞聚集伴生。③红细胞的可变形性（1）红细胞聚集→血浆生物化学性质改变，是血液流变性质的一个重要参数；（2）红细胞可变形性是血液流变性质的另一个重要参数。 红细胞的功能：把机体组织细胞代谢活动所必需的O2输送到机体各组织和器官，同时带走代谢的产物CO2，并在肺内排出CO2，吸取O2，从而使生命活动维持。 易变性原因：结构：红细胞无细胞核，由细胞膜和细胞质（主要是血红蛋白）构成。质中的血红蛋白是晶体，且为液晶。因此，红细胞的变形主要决定于细胞膜的
《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