生化反应工程论文
酶法和微藻对CO2的固定和转化
学院生命科学与技术学院
姓名张小霞
学号2014201091
任课老师陈必强冯巍
酶法和微藻对CO2的固定和转化
生命科学与技术学院张小霞2014201091
摘要：CO2是导致温室效应的主要气体，固定和转化CO2已成为近几年研究的重点。目前，CO2的固定方法有物理法、化学法和生物法，生物法主要指酶法和微藻固定CO2，由于其反应条件温和且绿色无污染，并且微藻固定CO2同时还能产生其他高附加值产品如生物柴油，这也提高了微藻的综合利用，成为最环保、最有发展前景的方法。本文论述了生物法固定CO2技术存在的困难及可能解决的方法，为其发展提供参考。
关键词：二氧化碳；酶法固定CO2；微藻；菌种选育；基因工程
CO2是碳和含碳化合物的最终氧化产物，在地球上储量极为丰富，在大气中的含量约为0.03%～0.04%，总量约为2.75×1012 t。随着工业化进程的加快，人类大量使用煤和石油等化石燃料，CO2的排放量急剧攀升[1]，严重影响生态平衡，并导致了温室效应以及一系列与人类生活环境紧密相关的生态问题，严重地威胁着人类的生存环境。因此，CO2的固定和再利用一直是备受关注和亟待解决的问题。CO2作为未来碳源，既可弥补因石油、天然气的大量消耗而引起的“碳源危机”，又可有效地缓解温室效应问题。所以，世界各国对CO2开发、利用、转化、固定的高度重视，使得CO2的研究开发工作近年来取得了迅猛的发展。依据现行技术的特性分类，大致可分为物理CO2固定法、化学CO2固定法和生物CO2固定法三大类。本文主要论述使用生物法即酶法和微藻对CO2进行固定和转化。
1 生物CO2固定法简介
生物CO2固定法是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循环中起决定作用，利用此法来进行CO2固定和减排，符合自然界循环和节省能源的理想方式。香山科学会议第279次学术讨论会与会专家认为，生物固碳是最安全有效、经济的固碳工程。能利用该法进行固碳的主要是植物、光合细菌以及藻类。微藻具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、处理效率高、可调控以及易与其他工程技术集成等优点，且可获得高效、立体、高密度的培养技术，同时固碳后产生
大量的藻体具有很好的利用价值，因此具有高度的工业化潜力。故微藻CO2固定有望成为一种具有相当可行性和经济价值的CO2固定方法。从持续发展的角度来看，生物CO2固定技术，尤其是微藻减排CO2技术，更具环保、经济、彻底、符合自然界循环的独特优势，为人类解决能源、环境问题提供了一条全新而有效的固碳模式，受到国内外研究者的高度重视。
2 酶法固定CO2
微生物法固定CO2 实质上是微生物中的某些酶在生物体内一系列的催化反应。早在1984 年就有人提出酶法还原CO2，即以酶为催化剂通过一连串酶促反应，将CO2转化为有用物质。比如转化CO2生成甲酸、甲醇，或其它一些有机酸，完成物质的代谢过程，并生成生物体内的代谢产物（如草酰乙酸、α—酮戊二酸、异柠檬酸等）。目前研究还原CO2较多的是多酶体系，包括三种脱氢酶：甲酸脱氢酶（FDH）、甲醛脱氢酶（FADH）、甲醇脱氢酶（MDH）。多酶系统固定CO2是向该系统中供给逆反应进行方向的物质，使得CO2被还原。
2.1 酶法固定CO2合成甲醇
生物体内的酶催化反应大多是连续的，通过多酶连续催化可以得到不同的产物。在体外，多酶体系用于固定CO2的研究也很多。1999 年，Obert 等[2]将甲酸脱氢酶（FateDH）、甲醛脱氢酶（FaldDH）和醇脱氢酶（ADH）同时固定于硅胶基质中，以NADH 作为每个酶催化还原的终端电子供体将CO2转化为甲醇，甲醇得率达到了91.2%，反应体系如图1所示。自此，甲醇一直是CO2催化转化的一个研究方向。
Bilal 等[3]提出了辅因子循环的策略，将CO2生成甲醇的顺序反应与谷氨酸脱氨生成α—酮戊二酸的反应相偶联：催化CO2生成甲醇的3个脱氢酶（FateDH、FaldDH 及ADH）均以NADH 为辅酶，在催化过程中不断将NADH 转化为NAD+；而谷氨酸生成α—酮戊二酸的过程不断消耗NAD+生成NADH，由此，在反应过程中实现了辅因子的循环再生。将还原CO2生成甲醇的三酶体系与谷氨酸脱氢酶（GDH）共固定，并将辅酶NADH 共价结合到微粒上，构建固定化的多酶体系，该固定化体系表现出良好的稳定性和可重复性。重复利用11 次之后仍保留超过80%的活力，基于辅因子数量的甲醇累积得率达到127%。图 2
所示为带有辅因子循环的多酶反应体系。
图1 CO2到甲醇转化过程示意图
图2 带有NADH原位再生的CO2到甲醇的转化体系
2.2 酶法转化CO2为丙酮酸、乳酸等高附加值产品
Miyazaki 等[4]报道了一种新的酶合成方法，以丙酮酸脱羧酶为催化剂，硫胺素焦磷酸为辅酶，在高pH 值缓冲液条件下，以CO2和乙醛为底物实现了由CO2到丙酮酸的转化。此后又采用此法实现了CO2到乳酸的酶法合成[5]。
图3 从CO2和乙醇合成L-乳酸的酶反应路线
3微藻减排二氧化碳的研究进展
近些年国内外对微藻固定C02技术的研究主要从3个方面开展：（1）筛选和培育高效、耐高C02浓度及抗污染的藻种（2）结合其他领域新技术，开发新型高效光生物反应器和工艺过程；（3）在固碳的过程中利用微藻本身代谢特点，同时生产高价值生物燃料或高附加值有用物质。
3.1 耐高浓度CO2的微藻筛选
岳丽宏等[6]在青岛某温泉中分离得到一株可耐高浓度CO2的绿藻，命名为KX-2 藻，通过在培养基中通入不同浓度的CO2研究其CO2耐受性，发现在CO2浓度为60%～80%时KX-2 藻仍能缓慢生长，当CO2体积分数为15%时，生长最好。Chang等[7]在中国台湾200多种微藻中筛选出1种单细胞绿藻Chlorella sp. NTU-H15，发现该藻能在60% CO2的环境中生长，当CO2体积分数为5%时，固碳速率最大。夏金兰等[8]采用原生质体-紫外诱变技术，以55℃高温培养为选择压力，从内蒙古筛选得到Chlorella sorokiniana CS-01，将该藻用于固定烟道气中的CO2，发现烟道气中高浓度的CO2气体有效地促进了藻细胞的生长，生长周期缩短2天。显然，高浓度CO2对该藻的生长起到了积极作用。表1总结了部分耐受高CO2浓度的藻种，可见，耐高浓度CO2的微藻以绿藻和蓝藻为主，尤其是绿藻中的小球藻。同时，也可以结合基因工程改造方法，改良微藻体内的代谢酶系或者引入外源代谢途径，可以提高微藻的固碳效率。
表1 部分耐受高CO2浓度菌种类型
藻类藻种耐受CO2体积分数/%
绿藻月牙藻（Selenastrum KX-2）60～80
小球藻NTU-H15（Chlorella sp. NTU-H15）60
小球藻（Chlorella sorokiniana CS-01）>13
小球藻ZY-1（Chlorella sp. ZY-1）70
小球藻（Chlorella kessleri）18
斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）18 蓝藻嗜热蓝藻（Chlorogleopsis sp.） 5
螺旋藻（Spirulina sp.）18
3.2 纯CO2条件下小球藻固定CO2的影响
采用静态吸收方式，研究纯CO2通入对普通小球藻的生长特性、固定CO2效率以及藻液pH变异的影响，研究[9]表明：（1）通入纯CO2抑制了小球藻的生长，小球藻需要较长时间才能适应培养条件，使其生长延滞期显著延长，因此，采用普通小球藻固定高浓度CO2时，可以通过提高接种量，以缩短培养周期；（2）小球藻固定CO2速率可分为2个过程，第1～14 天为第 1 阶段，对应藻细胞生长的延滞期，第14～16 天为第 2 阶段，对应藻细胞生长的指数期、稳定期和衰退期。2个阶段中，固定CO2速率变化趋势都是先增大后降低，第1阶段即延滞期的峰值由CO2溶解于培养液造成，即物理固碳过程，第2阶段的峰值由藻细胞指数生长造成，即生物固碳过程。因此，可通过缩短延滞期，使小球藻提前进入生物固碳过程；（3）向培养液中通入纯CO2后，经过光照阶段的吸收利用，藻液pH 值很快（4 d）下降到7.0 以下，并且藻液pH 值变化速率明显高于后续培养时间。随后藻液在每日光照结束时的pH 值基本稳定在7.5 左右，但是其变化速率却逐渐降低。这表明，在培养前期，培养液pH 值的监测密度必须比后期要高，以及时调控培养液pH适宜微藻生长。由于CO2吸收方式对微藻培养的影响也较大，并且微藻生长受到温度的影响，再加上CO2浓度渐增还是固定也会进一步影响固碳效率，需要深入研究上述影响才能进一步揭示微藻固碳效应机制，从而为微藻培养过程中环境调控技术提供数据支持。
3.3 微藻固碳机制
微藻大多数是专性光合自养生物，利用无机碳通过光合作用转化为生物质，其光合作用强度大大超过同等质量的植物的代谢总量。它从溶于水中的无机碳中获取碳源，如CO2、H2CO3、HCO3-及CO32-等型态，各型态所占比例因pH不同而异，但不是每种无机碳型态都能被微藻所固定转化。C02是微藻可利用的型态，HCO3-的利用与藻种类别和环境条件有关，而H2CO3和CO32-型态微藻无法利用。许多研究者为了探索外界环境中的无机碳是如何进入细胞内的奥秘，提出了不同的无机碳转运模型。邱保胜等对蓝藻的C02浓缩机制(CCM)进行了归纳综述，指出了HCO3-、CO2的转运模式以及Na+、羧体对CO2固定的影响[10]。可以看出，不同种微藻碳转移途径都有差异，各种模型也未能完整地揭示藻类CCM 机制，这还需进一步探索。
3.4 新型光反应器的开发
光生物反应器是微藻的培养系统，其优化设计可以提高藻密度及CO2固定效率。它一般可以分为敞开式和封闭式反应器两大类[11]。敞开式反应器成本低，而且易于放大的优势使其适用于微藻的低成本、大规模培养。但是敞开式反应器仍存在很多问题，例如较低的产率、藻种易污染及操作条件不稳定等。封闭式反应器相较于敞开式培养系统有明显优势，具体表现在培养效率高、不易受污染、培养环境易于控制等方面，主要分为管道式、垂直柱式和平板式反应器。要使选育得到的优良藻种在实际应用中获得很高的CO2固定效果，其合理的工艺工程条件也是必不可少的。要做到微藻高密度培养、高效率的CO2固定效果，这依赖于高效光生物反应器的设计。光生物反应器优化设计主要依赖于3个参数：比表面积、气液传质效率和光源设计。这3个方面直接决定了微藻CO2固定效率的高低，也是实现工业化的关键。
岳丽宏[12]设计了3种密闭式光生物反应器：圆锥形螺旋盘管式光生物反应器、圆柱形螺旋盘管式光生物反应器及平板式光生物反应器，这3种气升式光反应器都具有比较大的表面积，有助于提高CO2的固定效率。Cheng等[13]将中空纤维膜组件与光生物反应器串联，增大了气液接触面积，大大改善了藻液与气相之间的混合和传质效果，使气泡在藻液中的停留时间从原来的2s增加20s，同时将微藻固定CO2的效率提高了5倍。布罗德等[14]发明了一种包含旋转振荡光源（导光设备和LED）的光生物反应器，分布于培养液中的光源可进行任意的旋转振荡运动以实现光源空间分布近似均匀，而且可通过强度和振荡调节以达到适合培养液及其密度的光输入，从而提高光利用效率。Kao等[15]设计了一个带有气体循环开关装置的户外光反应器，利用Chlorella sp. MM-2从脱硫沼气中捕获并固定CO2，在阴天和晴天的CO2捕获效率分别达到70%和80%。光生物反应器内的混合效果不仅影响培养液中藻细胞和营养物质的分布、温度及pH 值的控制、CO2和O2传递等，更影响微藻细胞的受光特性。林晨等[16]采用CFD模型对一种新型多节隔板-平板式光生物反应器在不同通气量下的流场分布进行了模拟并与PIV（particle image veloeimetry）测量结果进行比较，结果表明CFD模型可用于光生物反应器流场的模拟。理论分析表明，三节隔板-平板式光生物反应器为最佳选择，并通过Isochrysis galbana 3011培养实验对此进行了验证。诸发
超等采用CFD技术对敞开式跑道池光生物反应器流场进行了研究，考察了导流板结构、跑道池底部进气孔长度和宽度方向间距对流场的影响规律，为优化光反应器的设计提供了理论依据。
3.5 对微藻的综合利用
微藻在固定CO2的同时会产生大量的藻体，如不对藻体加以综合利用必然会带来污染。如开发合适的综合利用途径不仅可以避免二次污染，还可降低过程成本。将微藻固定CO2与高附加值产品的生产相耦合一直是该领域的研究热点。利用微藻生产生物柴油及生物制氢的技术已日趋成熟，而微藻生产其它生物燃料（烃类、醇类等）、多不饱和脂肪酸及其它化学品的研究也越来越多。此外，也可结合微藻本身价值，利用现代高新技术，将其转化为生物柴油等高价值液体燃料，或生产有用物质如类脂和蛋白质，或作为提取高附加值药物原料等。
4 总结
CO2固定与有用物质生产相偶联是酶法固定CO2的宗旨，目前，用于固定CO2的多酶体系数量有限，且所用辅酶因子价格较高，因此建立新的反应体系以扩展其应用领域并降低生产成本是今后研究的主要课题，在进一步拓展生物催化转化CO2的应用领域时，如何有效地构建和利用包括辅因子循环在内的多酶体系是一个很关键的问题，需要提出新的思路，并进行深入的基础研究。
微藻固定CO2的分子作用机制的研究还不是很透彻，有待于进一步深入，为微藻的基因工程改造提供支持。藻类的基因工程改造仍处于研究初期，而且只针对单个基因进行改造效果不大，一般需要对多个基因进行操作，但由于微藻细胞生物技术手段的不成熟，在藻细胞中进行多个基因的共同操纵存在困难。目前，针对微藻各个代谢途径中关键基因的作用及其表达调控的研究正在开展[17-18]，将为目的性地改造微藻提供理论依据。此外，新型光反应器的研发和放大对于提高固碳效率也十分重要，探索各传递现象在规模放大中变化规律、提炼培养液气液传质及流动特性对微藻生长的影响机制是光反应器放大的基础[19]，CFD模拟与微藻培养实验相结合的方法来优化反应器的设计是未来发展的主要方向。藻越来越多地应用于烟道气中CO2的固定、废水的处理以及高附加值产品的生产。如果能和其他高新技术相结合，将微藻CO2固定技术、微藻废水的处理以及微藻
高附加值产品的生产这3种技术进行集成，则可为人类解决能源、健康、环境等问题提供了一条全新、经济而有效的固碳模式。
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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
化学反应工程试题 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】
化学反应工程原理 一、选择题 1、气相反应CO + 3H 2CH 4 + H 2O 进料时无惰性气体，CO 与2H 以1∶2摩尔 比进料，则膨胀因子CO δ=__A_。 A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2 、一级连串反应A S P 在间歇式反应器中，则目的产物P 的最大 浓度=max ,P C ___A____。 A. 122)(210K K K A K K C - B. 22/1120]1)/[(+K K C A C. 1 22)(120K K K A K K C - D. 22/1210 ]1)/[(+K K C A 3、串联反应A → P （目的）→R + S ，目的产物P 与副产物S 的选择性 P S =__C_。 A. A A P P n n n n --00 B. 00A P P n n n - C. 00 S S P P n n n n -- D. 00 R R P P n n n n -- 4、全混流反应器的容积效率η=时，该反应的反应级数n___B__。 A. ＜0 B. =0 C. ≥0 D. ＞0 5 、对于单一反应组分的平行反应A P(主) S(副)，其瞬间收率P ?随A C 增大 而单调下降，则最适合的反应器为____B__。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器
C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 6、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用 ____A___。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器 C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 7 、一级不可逆液相反应A 2R ，30/30.2m kmol C A =， 出口转化率 7.0=A x ，每批操作时间h t t 06.20=+，装置的生产能力为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_C_3m 。 A. B. C. D. 8、在间歇反应器中进行等温一级反应A → B ，s l mol C r A A ?=-/01.0，当 l mol C A /10=时，求反应至l mol C A /01.0=所需时间t=____B___秒。 A. 400 B. 460 C. 500 D. 560 9、一级连串反应A → P → S 在全混流釜式反应器中进行，使目的产物P 浓度最 大时的最优空时=opt τ_____D__。 A. 1212)/ln(K K K K - B. 1221) /ln(K K K K - C. 2112)/ln(K K K K D. 211K K 10、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间0t 不包括下列哪一项 ____B___。 A. 加料时间 B. 反应时间 C. 物料冷却时间 D. 清洗釜所用时间 11、全混流反应器中有___B__个稳定的定常态操作点。
化学反应工程考试总结 一、填空题： 1.所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础，其中“三传”是指质 量传递、热量传递和动量传递，“一反”是指反应动力学。 2.各种操作因素对于复杂反应的影响虽然各不相同，但通常温度升 高有利于活化能高的反应的选择性，反应物浓度升高有利于反应级数大的反应的选择性。 3.测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输 入方法为脉冲示踪法和阶跃示踪法。 4.在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速度方程式的 两种最主要的方法为积分法和微分法。 5.多级混合模型的唯一模型参数为串联的全混区的个数N ，轴 向扩散模型的唯一模型参数为Pe（或Ez / uL）。 6.工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是活性、选择性和稳 定性。 7.平推流反应器的E函数表达式为 , () 0, t t E t t t ?∞= ? =? ≠ ?? ，其无 因次方差2θσ= 0 ，而全混流反应器的无因次方差2θσ＝ 1 。 8.某反应速率常数的单位为m3 / (mol hr )，该反应为 2 级 反应。 9.对于反应22 A B R +→，各物质反应速率之间的关系为 (-r A)：(-r B)：r R＝ 1：2：2 。
10.平推流反应器和全混流反应器中平推流更适合于目的产 物是中间产物的串联反应。 →+，则其反应速率表达式不能确11.某反应的计量方程为A R S 定。 12.物质A按一级不可逆反应在一间歇反应器中分解，在67℃时转化 50％需要30 min, 而在80 ℃时达到同样的转化率仅需20秒，该反应的活化能为 3.46×105 (J / mol ) 。 13.反应级数不可能（可能/不可能）大于3。 14.对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应 器时主要考虑反应器的大小；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是目的产物的收率； 15.完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度均一， 并且等于（大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。 二.单项选择 10.(2) B 1、气相反应CO + 3H2CH4 + H2O进料时无惰性气体，CO与2H以1∶2 δ=__A_。 摩尔比进料，则膨胀因子CO A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2、一级连串反应A S P在间歇式反应器中，则目的产物P C___A____。 的最大浓度= max ,P
《化学反应工程》试题库 一、填空题 1. 质量传递 、 热量传递 、 动量传递 和化学反应 称为三传一反. 2. 物料衡算和能量衡算的一般表达式为 输入-输出=累积 。 3. 着眼组分A 转化率x A 的定义式为 x A =(n A0-n A )/n A0 。 4. 总反应级数不可能大于 3 。 5. 反应速率-r A =kC A C B 的单位为kmol/(m 3·h)，速率常数k 的因次为 m 3/(kmol ·h ) 。 6. 反应速率-r A =kC A 的单位为kmol/kg ·h ，速率常数k 的因次为 m 3/kg ·h 。 7. 反应速率2 /1A A kC r =-的单位为mol/L ·s ，速率常数k 的因次为 (mol)1/2·L -1/2·s 。 8. 反应速率常数k 与温度T 的关系为2.1010000 ln +- =T k ， 其活化能为 83.14kJ/mol 。 9. 某反应在500K 时的反应速率常数k 是400K 时的103倍，则600K 时的反应速率常数k 时是400K 时的 105 倍。 10. 某反应在450℃时的反应速率是400℃时的10倍，则该反应的活化能为（设浓度不变） 186.3kJ/mol 。 11. 非等分子反应2SO 2+O 2==2SO 3的膨胀因子2SO δ等于 -0.5 。 12. 非等分子反应N 2+3H 2==2NH 3的膨胀因子2H δ等于 –2/3 。 13. 反应N 2+3H 2==2NH 3中（2N r -）= 1/3 （2H r -）= 1/2 3NH r 14. 在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为C A0，转化率为x A ，当反应器体积增大到n 倍时，反应物A 的出口浓度为 C A0(1-x A )n ，转化率为 1-(1-x A )n 。 15. 在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为C A0，转化率为x A ，当反应器体积增大到n 倍时，反应物A 的出口浓度为 A A x n x )1(11-+-，转化率为A A x n nx )1(1-+。 16. 反应活化能E 越 大 ，反应速率对温度越敏感。 17. 对于特定的活化能，温度越低温度对反应速率的影响越 大 。 18. 某平行反应主副产物分别为P 和S ，选择性S P 的定义为 (n P -n P0)/ (n S -n S0) 。 19. 某反应目的产物和着眼组分分别为P 和A 其收率ΦP 的定义为 (n P -n P0)/ (n A0-n A ) 。 20. 均相自催化反应其反应速率的主要特征是随时间非单调变化，存在最大的反应速率 。 21. 根据反应机理推导反应动力学常采用的方法有 速率控制步骤 、 拟平衡态 。 22. 对于连续操作系统，定常态操作是指 温度及各组分浓度不随时间变化 。 23. 返混的定义： 不同停留时间流体微团间的混合 。
1补料分批培养主要应用在哪些情况中？ ①生长非偶联型产物的生产②高密度培养③产物合成受代谢物阻遏控制④利用营养缺陷型菌株合成产物⑤补料分批培养还适用于底物对微生物具有抑制作用等情况。⑥此外，如果产物黏度过高或水分蒸发过大使传质受到影响时，可以补加水分降低发酵液黏度或浓度。 2比较理想酶反应器CSTR型与CPFR型的性能？ 答： A停留时间的比较： 在相同的工艺条件下进行同一反应，达到相同转化率时，两者所需的停留时间不同，CSTR型的比CPFR型反应器的要长，也就是前者所需的反应器体积比后者大。另外，以对两反应器的体积比作图可知，随反应级数的增加，反应器的体积比急剧增加。 B酶需求量的比较： 对一级动力学： 转化率越高，CSTR中所需酶的相对量也就越大。另外，比值还依赖于反应级数，一级反应时其比值最大，0级反应时其比值最小。 C酶的稳定性：0级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区别。但如果反应从0级增至一级，那么，两种反应器转化率下降的差别就变得明显。CPFR产量的下降要比CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏感。但是，如上所述，在某些场合，操作条件相同，要得到同样的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的量。 D反应器中的浓度分布： CSTR与CPFR中的底物浓度分布。由图可知，在CPFR中，虽然出口端浓度较低，但在进口端，底物浓度较高；CSTR中底物总处于低浓度范围。如果酶促反应速率与底物的浓度成正比，那么对于CSTR而言，由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产能力也低。
3试着分析目前连续式操作难以大规模应用的原因？ 连续培养的工业生产应用的受限原因（连续培养的应用主要集中在研究领域）。 (1)杂菌污染问题。因连续培养以长期、稳定连续运转为前提，在整个培养过程中，必需不断地供给无菌的新鲜培养基，好氧发酵时，必需同时供给大量的无菌空气，这两种供给的过程中极易带来杂菌的污染，长期保持连续培养的无菌状态非常困难。 (2)变异问题。因工业化生产所用菌株大都是通过人工诱变处理的高度变异株，在长期的连续培养过程中容易使回复突变菌株逐渐积累，最后取得生长优势。 (3)成本问题，为降低成本,其一要使原料以最大的转化率和最大的产率转化为产物；是使发酵终了液中含有尽可能高的产物浓度，以缩小产物分离提取系统的规模和操作的费用。一些发酵过程其产物的分离提取费用约占生产总成本的40%以上；而对于大多数抗生素和精细化学品的发酵生产，其本身就是一个高成本分离过程的生产过程。而在连续培养过程中，流出的发酵液中产物浓度一般比分批培养、流加培养的低，结果加重了分离提取的负荷，在生产成本上没有竞争力。 4简述动植物细胞培养的特点难点，并与微生物细胞培养相比较 动植物细胞培养： 是一项将动植物的组织、器官或细胞在适当的培养基上进行无菌培养的技术。 动物细胞培养的特性 许多基因产物不能在原核细胞内表达，它们需要经过真核细胞所特有的翻译后修饰，以及正确的切割、折叠后，才能形成与自然分子一样的功能和抗原性。这就使动物细胞一跃成为一种重要的宿主细胞，用以生成各种各样的生物制品。动物细胞体外培养具有明显的表达产物的优点，为传统微生物发酵所无法取代。
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化学反应过程 简答填空名词解释 1.任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料预处理，化学反应过程和产物 的后处理三个组成部分，而化学反应过程是整个化工生产的核心。 2.工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：1，由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；2，由化学反应的热效应产生的传热过程； 3，多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。 3.化学反应和反应器的分类：1.按反应系统设计的相态分类分为：○1均相反应， 包括气相均相反应和液相均相反应；○2非均相反应，包括气-固相、气-液相、液-固相、气-液-固相反应。2.按操作方式分类分为：间歇操作，连续操作和半连续操作。3.按反应器型式来分类分为：管式反应器，槽式反应器和塔式反应器。4.按传热条件分为：等温反应器，绝热反应器和非等温绝热反应器。化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。 4.反应速率：单位反应体系内反应程度随时间的变化率。 5.反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式。 6.半衰期：反应转化率从0变成50%所需时间称为该反应的半衰期。 7.建立动力学方程的方法有：积分法、微分法、最小方差分析法。 8.反应器开发的三个任务：○1根据化学反应动力学特性来选择合适的反应器型 式；○2结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操作条件；○3根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行评价。 9.反应器设计计算所涉及的基础方程式就是动力学方程式、物料衡算方程式和热 量衡算方程式。
XX研究生课程考试试卷 （ XXXX 学年第 1 学期） 考试科目： 生物反应工程 （A卷） 考试班级： XXXXX 考试形式： 开 （开/闭卷） 考试时间： 120 分钟 考试人数： 命题人签名： 系分管领导签名： 1、请列出下列物理量的数学表达式 (5’) 停留时间 \ 呼吸商 \ 稀释率 \Da准数 \转化率 2、判断题(5’) 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。( ) 3、简答题 (每题10’) 1．实验测得分配系数KP 分别为（a） KP > 1，（2） KP = 1，（3）KP < 1，试从概念上说明载体颗粒与反应液之间的固液界面处底物浓度的变化情况。 2.CSTR、PFR代表什么含义？比较CSTR型和PFR型酶反应器的性能。 3.莫诺方程与米氏方程的区别是什么？ 4、计算题(每题20’) 1.在甘露醇中培养大肠杆菌，其动力学方程为 g/(L·min)，已知cso =6 g/L, Yx/s=0.1。试求： (1)当甘露醇溶液以1L/min的流量进入体积为5L的连续操作搅拌槽式反应器（CSTR）中进行反应时，其反应器内细胞的浓度及其生长速率为多少? (2)如果要求大肠杆菌在CSTR内的生长速率达到最大，最佳的加料速率应为多少？大肠杆菌的生长速率为多大？
2.假设通过实验测定，反应底物十六烷烃中有2/3的碳转化为细胞中的碳。 计算下述反应的计量系数 (1) C16H34+aO2+bNH3→c(C4.4H7.3O0.86N1.2)+dH2O+eCO2 (2) 计算上述反应的得率系数Y X/S(g干细胞/g底物)和Y X/O(g干细胞/g 氧) 5、文献阅读归纳(20’) 用100-200字简述所附文献提及课题研究和发展情况。
化学反应工程原理 一、选择题 1、气相反应 CO+3H2 CH4+H2O 进料时无惰性气体， CO 与H 2以1∶2摩尔比进料，则膨胀因子 CO =__A_。 A.-2 B.-1 C.1 D.2 K 1 P K 2 S 在间歇式反应器中，则 目的产物 P 的最大浓度CP,max 2、一级连串反应 A ___A____ 。 K 1 K 2 CA0 K K 2 C A0 ) K 2K 1 C A0( 2 ) K 2K 1 C A0( [(K 2/K 1) 1/ 2 1] 2 K [(K 1/K 2) 1/2 1] 2 A . K 2 B. C. 1 D . 3、串联反应A →P （目的）→R+S ，目的产物P 与副产物S 的选择 性SP =__C_。 nP nP0 nP nP0 nP nP0 n P n P0 A. n A0 n A B. nA0 C.n S n S0 D. n R n R0 4、全混流反应器的容积效率η=1.0时，该反应的 反应级数n___B__。 A . ＜0 B.=0 C. ≥ 0 D . ＞0 P(主) A 5、对于单一反应组分的平行反应 S(副) ，其瞬间收率 P 随CA 增大而单调下降，则最适合的反 应器为 ____B__ 。 A . 平推流反应器 B. 全混流反应器 C.多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流 反应器 6、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用 ____A___ 。 A . 平推流反应器 B. 全混流反应器 C.循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流 反应器 7、一级不可逆液相反应 A 2R ，C A02.30kmol/m 3 ，出口转化率xA 0.7 ，每批操作时间 t t 0 2.06h ，装置的生产能力为 50000kg 产物R/天，MR =60，则反应器的体积V 为_C_m 3 。 A.19.6 B.20. 2 C.22 .2 D.23.4 8、在间歇反应器中进行等温一级反应 A →B ， rA0.01CAmol/l s ，当CA0 1mol/l 时，求反应至
填空题 1理想的酶反应器主要有两种：CPFR和CSTR 2养的传递有串联模型和并联模型（不好这样说） 3KLa中a大小取决于所设计的空气分布器，空气流动速率，反应器的体积和空气泡的直径等且空气泡的直径越小，越有利于传递 4的物理意义是最大反应速率和最大传质速率之比。Da准数越小，固定化酶表面浓度[S]s越是接近主题浓度[S],辨明最大传质速率越是大于最大反应速率，为反应控制。Da准数越小，越好。 5内部扩散与催化反应是同时进行的，二者相互影响，外扩散通常是先于反应。 6影响固定化酶促反应的蛀牙因素是：分子构象的改变，位阻效应，微扰效应，分配效应和扩散效应 7有效电子数：当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的摩尔系数的4倍称为基质的有效电子数若碳源为葡萄糖，其完全燃烧是每摩尔葡萄糖需要 6mol，所以有效电子数是24，氧化一个有效电子伴随着焓值变化109.0KJ.即 8通过对细胞和环境之间能量的交换关系的研究，为培养基中（组分）的选择提供参考 9影响酶催化反应的环境因素有（温度），（pH），浓度等。影响酶催化反应的浓度因素有（底物浓度）和（效应物浓度）。影响酶催化反应的最基本的因素是（浓度）。 10反应器放大的目的是使产品的（质优）和（成本低效益好）；必须使菌体在大中小型反应器中所处的外界环境（相同）。 11若要消除外扩散限制效应，最常用的方法是（）；若是要消除内扩散限制效应，最常用的方法是（）。 12影响机械通气搅拌发酵过程中体系溶氧系数的因素有（操作变量），（培养液的理化性质），（反应器的结构）。 13根据Garden模型，如果产物和细胞的速率-时间曲线的变化趋势同步，则该产物的生成模型是（）。 15对米氏方程的讨论 当CS<
2007～2008学年第一学期期末考试试卷 A 卷 课程名称：_生物化学(二) __ 课程代码：_MED130067 ____ 开课院系：生物化学与分子生物学_考试形式： 闭卷 姓 名： 学 号： 专 业： 一、单选题：（每题1分，共50分） 1、第二信使的化学本质是： A ．糖蛋白 B ．RNA C ．DNA D ．脂蛋白 E ．小分子物质 2、蛋白质合成的终止信号由： Ａ．ｔＲＮＡ识别 Ｂ．转肽酶识别 Ｃ．延长因子识别 Ｄ．起始因子识别 Ｅ．以上都不能识别 3、核糖体循环中，不包括的过程有： Ａ．识别 Ｂ．转位 Ｃ．延长 Ｄ．进位 Ｅ．转肽 4、信号肽： （ 装 订 线 内 不 要 答 题 ）
Ａ．处于肽链Ｎ-末端Ｂ．处于肽链Ｃ-末端 Ｃ．处于肽链中段Ｄ．游离于胞浆 Ｅ．处于所有的分泌性蛋白分子上 5、操纵基因是： Ａ．诱导物结合部位Ｂ．σ因子结合部位 Ｃ．辅阻抑物结合部位Ｄ．ＤＤＲＰ结合部位 Ｅ．阻抑蛋白结合部位 6、通常既不见于ＲＮＡ，也不见于ＤＮＡ的含氮碱基是： Ａ．腺嘌呤Ｂ．黄嘌呤 Ｃ．鸟嘌呤Ｄ．胸腺嘧啶 Ｅ．尿嘧啶 7、诱导剂能诱导结构基因转录，其机理是： Ａ．诱导剂能与阻遏蛋白结合Ｂ．诱导剂能与操纵基因结合Ｃ．诱导剂能与结构基因结合Ｄ．诱导剂能与调节基因结合Ｅ．诱导剂能与辅阻抑物结合 8、在ＲＮＡ分子中ψ表示： Ａ．假腺苷Ｂ．假黄苷 Ｃ．假胸苷Ｄ．假尿苷 Ｅ．假胞苷 9、真核细胞核小体是： Ａ．染色质的基本结构单位Ｂ．细胞的核心颗粒 Ｃ．组蛋白和酸性蛋白复合体Ｄ．染色单体 Ｅ．染色体
10、氯霉素对原核细胞的生化效应是： Ａ．引起多肽的早期释放Ｂ．引起ｍＲＮＡ错读 Ｃ．抑制３０Ｓ核糖体亚基活性Ｄ．使ＤＮＡ解链 Ｅ．抑制５０Ｓ核糖体亚基活性 11、ＲＮＡ是： Ａ．核糖核苷酸Ｂ．脱氧核糖核酸 Ｃ．脱氧核糖核苷酸Ｄ．核糖核酸 Ｅ．核糖核蛋白体 12、下列有关核酸水解的不正确描述是： Ａ．ＤＮＡ和ＲＮＡ的磷酸二酯键不易被酸水解 Ｂ．ＤＮＡ嘌呤的Ｎ－糖苷键在中等酸度溶液中较不稳定 Ｃ．在碱性溶液中ＤＮＡ分子不如ＲＮＡ分子稳定 Ｄ．有一些核酸酶特异性低，既能水解ＤＮＡ又能水解ＲＮＡ Ｅ．有些核酸酶有特异性，只作用于核糖核酸或脱氧核糖核酸 13、关于ＤＮＡ变性后特点的描述，哪点是不对的 Ａ．氢键断裂，双链分开Ｂ．粘度下降 Ｃ．对紫外光的吸收增加Ｄ．碱基相互聚合 Ｅ．变性是可逆的 14、Ｘ和Ｙ两种核酸提取物，经紫外光检测，提取物Ｘ的Ａ260／Ａ280＝２，提取物Ｙ的Ａ260／Ａ280＝１，结果表明： Ａ．提取物Ｘ的纯度高于提取物ＹＢ．提取物Ｙ的纯度高于提取物ＸＣ．提取物Ｘ和Ｙ的纯度都低Ｄ．提取物Ｘ和Ｙ的纯度都高 Ｅ．不能表明二者的纯度
（1）微生物的热阻：微生物对热的抵抗力称为热阻。是指微生物在某一特 定条件(主要是温度和加热方式)下的致死时间。表征不同微生物对热抵抗能力强弱的指标。 （2）有效电子数：1摩尔碳源完全氧化时，所需的氧的摩尔数的4倍，称 为该基质的有效电子数。 （3）k L a ：以(C *-C)为推动力的体积溶氧系数(h -1) （4）混合：指的是相同停留时间、不同空间位置的物料之间的一种以达到 均匀状态为目的过程。 （5）停留时间：指反应物料从进入反应器时算起，至离开反应器时为止所 经历的时间。） （6）写出定义式： 细胞生长得率Yx/s=生成细胞的质量（干重）/消耗底物的质量 选择性 1.何为生化工程，生化工程的研究内容有哪些？ 生化工程全称是生物化学工程（Biochemical Engineering)，是为生物技术服务的化学工程。它是利用化学工程原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科，是生物化学与工程学相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学这一实践技术，以生物体细胞（包括微生物细胞、动物细胞、植物细胞）作为研究的主角、生物化学作为理论基础，从动态、定量、微观的角度，广泛而深刻地揭示了生物工业的过程。所以生化工程是化学工程的一个分支，也是生物工程的一个重要组成部分。 具体的研究内容： ① 原料预处理：即底物（酶催化反应中的作用物）或培养基(发酵过程中的底物及营养物，也称营养基质)的制备过程，包括原料的物理、化学加工和灭菌过程。 ②生物催化剂的制备：生物催化剂是指游离或固定化的活细胞或酶，微生物是最常用的活细胞催化剂，酶催化剂则从细胞中提取出来。 ③生物反应的主体设备：即生物反应器，凡反应中采用整体微生物细胞时，反应器则称发酵罐；凡采用酶催化剂时，则称为酶反应器。另还有适用于动植物细胞大量培养的装置。 ④生物化工产品的分离和精制：这一部分常称下游加工，是生化分离工程 ()S S a P S sp p -=
2009级生物化学（A 级难度） 名词解释：3分*8个=24分 1.蛋白质性质（英语形式） 2. Isozyme (同工酶) 3. oncogene（癌基因) 4. Biotransformation（生物转化） 5. 呼吸链 6. 第二信使 7. S-D序列 8. 转录空泡 简答题： （暂时没有） ------------------------------------------------------------------------- 2010级生物化学（A 级难度） 名词解释： 1. glycolysis （糖酵解） 2. DNA denaturation (DNA变性) 3. operon （操纵子） 4. G protein（G蛋白） 5. 脂肪动员 6. 结合胆汁酸 7. 半保留复制
8. 联合脱氨基 简答题：6分*6个=36分 1、请写出3个蛋白质的理化性质，并说明实际应用。 2、酶的活性调节方式有哪些？请具体说明其中一个。 3、磷酸戊糖途径的生理意义？ 4、遗传密码子的有什么特点？ 5、何为基因组文库和cDNA文库？并说明它们的区别？ 6、什么是生物转化和生物氧化？它们有什么区别？ ---------------------------------------------------------------------- 2011级生物化学（C 级难度） 名词解释：3分*8个=24分 1.蛋白质等电点 2.核酸杂交 3.酶的活性中心 4.脂肪动员 5.不对称转录 6.生物转化 7.酮体 8.操纵子 问答题： 1.尿素合成的部位、关键酶、生理意义、两个N来源？
1.化学反应工程是一门研究______________的科学。 2.化学反应速率式为β α B A C A C C K r =-，如用浓度表示的速率常数为C K ，用压力表示的速率常数 P K ，则C K =_______P K 。 3. 平行反应 A P(主) S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。 4.对于反应级数n ＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。 5.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。 6.若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为_______。 7.流体的混合程度常用_______、_______来描述。 8.催化剂在使用过程中，可能因晶体结构变化、融合等导致表面积减少造成的_______失活，也可能由于化学物质造成的中毒或物料发生分解而造成的_______失活。 9.对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当微孔孔径在约_______时，分子与孔壁的碰撞为扩散阻力的主要因素。 10.绝热床反应器由于没有径向床壁传热，一般可以当作平推流处理，只考虑流体流动方向上有温度和浓度的变化，因此一般可用_______模型来计算。 11.对于可逆的放热反应，存在着使反应速率最大的最优温度opt T 和平衡温度eq T ，二者的关系为______________。 12.描述流化床的气泡两相模型，以0U 的气速进入床层的气体中，一部分在乳相中以起始流化 速度mf U 通过，而其余部分_______则全部以气泡的形式通过。 13.描述流化床的数学模型，对于气、乳两相的流动模式一般认为_______相为平推流，而对_______相则有种种不同的流型。 14.多相反应过程是指同时存在_______相态的反应系统所进行的反应过程。 II.1.一级连串反应A → P → S 在全混流釜式反应器中进行，使目的产物P 浓度最大时的最优 空时 = opt τ_______。 A. 1212)/ln(K K K K - B. 1221) /ln(K K K K - C. 2 112)/ln(K K K K D. 211K K 2.全混流反应器的容积效率η小于1.0时，且随着A χ的增大而减小，此时该反应的反应级数n_______。 A. ＜0 B. =0 C. ≥0 D. ＞0 3.当反应级数n_______时，微观流体具有比宏观流体高的出口转化率。 A. =0 B. =1 C. ＞1 D. ＜1 4.轴向分散模型的物料衡算方程的初始条件和边界条件与_______无关。 A. 示踪剂的种类 B. 示踪剂的输入方式 C. 管内的流动状态 D. 检测位置 5.对于气-液相反应几乎全部在液相中进行的极慢反应，为提高反应速率，应选用_______装置。A. 填料塔 B. 喷洒塔 C. 鼓泡塔 D. 搅拌釜 6.催化剂在使用过程中会逐渐失活，其失活速率式为d m i d C k dt d ψψ =- ，当平行失活对反应物有强内扩散阻力时，d 为_______。
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，
生物化学试题1 姓名 一.名词解释（20分，每个2分） 1.增色效应.2 酮体3必需脂肪酸 4. 腐败作用 5 Bohr效应6 外显子7 HPRT 8 Ribozyme 9 蛋白质盐析10 ssDNA 二填空题（10分，每空1分） 1 . 一分子十四碳长链脂酰辅酶CoA可经次?-氧化生成个乙酰CoA。 2. α螺旋、β折叠结构模型是由美国科学家等提出。 3.参与转氨作用的a-酮酸有，和。 4. 在凝胶过滤法中，先被洗脱，后被洗脱. 5 生物体中最主要的己糖是。 6. 酶的纯度用表示。 三是非题（20分，每题1分） 1 .生物体中的脂肪酸均是偶数碳原子脂肪酸。2?.磷脂的磷酸基及胆碱亲水，其余部分亲脂。3..除甘氨酸外，其余19种氨基酸有旋光活性，均为L-型氨基酸。4?.两酸基一氨基的氨基酸等电点偏酸。5?目前蛋白质测序的主要原理是Edman反应。6?强酸水解蛋白质时色氨酸被破坏。7?目前氨基酸定量分析原理是茚三酮反应。8?氨基酸分离常采用阳离子交换层析。9..mRNA中的密码子和tRNA中的反密码子是平行配对的。10?利福平抑制生物RNA 聚合酶活性。11?蔗糖分子中的糖苷键为α,a（1→2）糖苷键。1 2 基因工程技术的创建是由于发现了限制性内切酶1 3 人小便中嘌呤代谢的最终产物主要是尿酸。1 4 绿色植物光反应的主要产物是还原型辅酶II。1 5 抗霉素A抑制电子从Cytb到CytC1传递。1 6 光反应的产物首先是3-磷酸甘油醛和NADPH+H+。1 7 DNA的半保留复制是1958年Monod和Jacob 首先证明的。1 8 环状DNA复制是单起点，大多为双向复制。1 9 动物不能合成亚油酸和亚麻酸。20 酶的本质是蛋白质。 四. 选择题（30分，每个1分） 从中选择最合适的一个答案 1 5-氟尿嘧啶是哪种碱基的类似物 A．A，B.U，C.C，D.G，E.T 2.DNA上某段碱基顺序为5‘-ATCGGC-3’它的互补序列是 A.5‘-ATCGGC-3’， B.5‘-TAGCCG-3’ C.5‘-GCCGAT-3’， D.5‘-UAGCCG-3’ E.5‘-GCCGAU-3’ 3. 糖的无氧酵解是指 A.氧化葡萄糖生成CO2和H2O的途径， B.从葡萄糖合成糖原的途径， C.生成NADPH+H+的糖代谢途径， D. 由甘油合成葡萄糖的途径， E. 在缺氧的情况下，由葡萄糖生成乳酸的途径 4. 转录过程不包括 A.RNA聚合酶识别DNA上的特殊位点， B. 在RNA引物上开始核苷酸片段的合成， C.RNA聚合酶与DNA结合， D. RNA链逐渐延伸， E. 转录终止 5. 电子传递链的组成成分不包括 A.NAD+， B.FMN， C. FAD， D. FeS， E. CoA 6. 下列哪一种物质是体内氨的储存及运输形式 A.谷氨酸， B. 酪氨酸， C. 谷氨酰胺， D. 谷胱甘肽， E. 天冬氨酸 7. 腺苷蛋氨酸的主要作用是
生化反应工程考试大纲 生物反应过程动力学和生物反应器是生物反应工程的核心内容。生物反应过程动力学则包括酶催化反应动力学、细胞反应过程动力学和固定化生物催化反应过程动力学；生物反应器则包括理想生物反应器操作模型、工业生物反应器传的传递特性、混合特性和反应器的设计和放大。 一、酶催化反应过程动力学 M－M方程的动力学特征：速率与酶浓度、底物浓度的关系、动力学参数的含义及求法； 可逆抑制的酶催化反应动力学：竞争，非竞争和反竞争三种可逆抑制的动力学特点、表示方法及如何区分； 不可逆抑制动力学的特点； 底物抑制与活化（变构酶催化）的动力学特点和其主要参数； 酶失活动力学的主要特征。 二、细胞生长及反应动力学 细胞得率系数、最大得率系数和呼吸商得概念和求法； 描述细胞生长的黑箱模型、结构模型和非结构模型的概念； Monod模型的动力学特征，μ、μmax和Ks的物理意义； 细胞不同生长阶段时μ的变化； 产物生成动力学的三种分类及其动力学特点； 底物消耗动力学的描述方法，Y X/S 与Y G 的关系； 三、固定化生物催化反应过程动力学 弄清空间效应、分配效应、扩散效应（包括外扩散和内扩散）、本征反应动力学和表观反应动力学的概念； 描述外扩散影响的无量纲数Da的物理意义以及用Da值判断反应过程的控制步骤；消除外扩散影响的方法； 描述内扩散影响的主要参数De、ф和η的定义，一级反应时ф1、η1的求法，用ф值大小判断反应的控制步骤；内扩散的消除方法； 表观梯勒模数Ф的定义；对一级M－M反应时Ф值的表示，用Ф值判断反应
控制步骤； 对一级反应，内外扩散同时存在时Bi、Da和ф1之间的关系，总有效因子的求法； 在扩散影响下的表观反应级数、表观化能和表观稳定性与其本征值有何变化及其变化原因。 四、生物反应器的操作模型 分批式、连续式和半分批式（流加操作）各自有何操作特点，流加操作对细胞反应有何特殊意义； 对BSTR，反应时间和辅助时间、反应时间的确定、反应器有效体积的确定； 对单级CSTR，D与τm的关系，D、Dopt、Dc和Cx、Cs、DCx的定义式及求的确定； 法，τm与V R 对循环的单级CSTR，R和β的定义，D与μ的关系； 对CPFR，模型的特征，τp的求法，CPFR与CSTR的比较，CPFR与CSTR相串联的特征； 对流加操作，其操作过程中主要特征、恒速流加与指数流加各有何特点； 反应－分离相耦合对细胞反应的意义。 五、生物反应器的传递与混合特性 牛顿型流体与非牛顿型流体的主要差别； 氧在细胞反应中的传递阻力如何确定，大多情况下氧的传递阻力是什么； 细胞反应中供氧速率与耗氧速率的关系，即OTR与OUR的关系，Col、Col*、Colc之区别，Kla的动态测定法； 混合程度与混合尺度、宏观混合与微观混合，宏观流体与微观流体，混合过程主要机理； 2的意义，CSTR和CPFR的宏观混合特宏观混合模型：E(t)、F(t)、E和σ t 征参数值；多重串联模型的模型参数； 微观混合的混合程度和混合时间的概念。 六、生物反应器的设计和放大 生物反应器具备的主要特点；
米氏方程 快速平衡法推导 132 k K k E S ES P E ??→+??→+←?? r=k3[ES] （3） k1[E][S]=k2[ES] （1） [E0]=[E] + [ES] （2） A 整理（1）可得：设k2/k1=K S [ES]= [E][S]/ K S B 由（3）得[ES]=r/k2，故r/k3=[ E][S]/ K S 即r= k2[E][S]/ K S C 由（2）得[E]=[ E0] -[ES], [E]= [ E0]- [ES]代入r= k2[E][S]/ K S 得 r =k2（[ E0]- [ES]）[S]/ K s D 把r max =k2[E0] 以及r=k2[ES]代入得： r =r max [S]- r[S]/ K S 整理r=r max [S]/( Ks+[S]) 稳态法推导 1913年Michaelis 和Menten 提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程。V=V max [S]/( Km+[S]) 稳态法推导[S]：底物浓度 V ：不同[S]时的反应速度 Vmax ：最大反应速度 Ｋm ：米氏常数 132k K k E S ES P E ??→+??→+←?? 稳态时ES 浓度不变 反应速度V=k3[ES] （3） ES 的生成速度=消耗速度k1[E][S]=k2[ES] + k3[ES] （1） E 的质量平衡方程[E]=[Et] - [ES] （2） A 整理（1）可得：（k2+k3）[ES]=k1[E][S] 故[ES]=k1[E][S]/(k2+k3);另设置（k2+k3）/k1=Km 则[ES]=[E][S]/ Km B 由（3）得[ES]=v0/k3，故v0/k3= E][S]/ Km 即v0= k3[E][S]/ Km C 由（2）得[Ef]=[ Et]- [ES], 而[Ef]可视为[E],故： [E]= [ Et]- [ES]代入v0= k3[E][S]/ Km 得 V 0 =k3（[ Et]- [ES]）[S]/ Km= (k3[ Et] [S]-k3[ ES] [S])/ Km D 把（3）V=k3[ES] 以及Vmax=k3[Et]代入得： V 0=( V max [S]- V 0[S])/ Km V 0 Km= V max [S]- V 0[S] V 0 Km+ V 0[S]= V max [S] 整理得到米氏方程V=V max [S]/( Km+[S]) 1 Zymomonas mobilis 细胞在CSRT 中进行培养，V R =60m 3,加料中含有12g/L 葡萄糖，已知Y X/S =0.06,Y P/X =7.7,μmax =0.3h -1,m s =2.2h -1.q p =3.4h -1。试求：（1）稳态下，CSRT 中基质浓度是1.5g/L 时，所需要的流量是多少？（2）在上述流量下其细胞浓度是多少？（3）在（1）流量下，产物乙醇浓度是多少？ （1）在稳态是，μ=D 。由于产物是乙醇，为能量代谢相关产物，其动力学方程可以表示为q p = Y P/X μ=Y P/X D 因此D= q p /Y P/X =3.4/7.7=0.44h -1 （2）此时的细胞浓度是C x =Y X/S (C s0- C s )=0.06×(12-1.5)=0.63g/L （3）产物乙醇浓度：C p = Y P/X C x =7.7×0.63=4.85 g/L 2某微生物在甘露醇中的生长符合下述动力学：r X =1.5C x C s /(3.0+C s )(g/m 3h)式中C s 代表的是甘露醇的浓度；C x 代表的是微生物的浓度。已知每生长1g 微生物要消耗10 g 甘露醇，今在一体积为5m 3的 CSTR 中进行上述反应，并已知V 0=1m 3/h C s0=6g/m 3 C x0=0.试求反应器出口中微生物浓度是多少？若将CSTR 体积改为0.75m 3,其他条件不变，此时会产生何种变化？若是在最佳条件下进行反应，其出口浓度为多少？