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生物反应工程第1章

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1.生物反应工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化反应工程。

实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。

主要有四个部分组成：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.生物反应工程的分类：①酶促反应过程；
②细胞反应过程（单一或多种微生物细胞培养，动植物细胞培养等）；
③废水的生物处理过程
3.生物反应过程各分类的特征：
4.一般生物工程示意图：
5.生物工程与化学工程的比较：
.
6.生物反应动力学:生物反应动力学研究相关因素对反应速率的影响及其规律。

具体包括如下内容：①酶促反应动力学特点、
均相和多相系统酶促反应动力学
酶的失活动力学；
②微生物反应过程的质量与物量衡算
发酵动力学
微生物培养操作技术；
③影响动植物细胞培养的因素
动植物细胞反应及其反应动力学
7.生物反应器：地位：生物技术转化为产业、生产力的关键设备，在生物反应过程中居于中心地位。

使用高效率的生物反应器目的：提高产品的生成率，减少有关辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大
的经济效益。

注：由于生物反应的复杂性，加上外界的影响以及相关理论的不完善，目前生物反应器的形式还不能适应生物反应过程多样性的需要
8.酶分为六类：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶、连接（或合成酶）
催化共性：①降低反应活化能。

②加快反应速率。

③反应的平衡常数不改变，只能加快反应到达平衡的速度。

反应中酶的立体结构和离子价态可能发生变化，但在反应结束时，酶本身一般不消耗，
恢复到原来状态
生物催化特性：①酶具有很强的专一性：底物专一性、反应专一性、立体专一性
②催化效率高
③酶易失活，反应条件是常温、常压等温
④酶的催化活力与辅酶、辅基及金属子有关；
⑤酶活性受到浓度参数、激素的量、反馈抑制等因素的调节和控制
9.酶的调节功能：①酶不仅是生物催化剂，而且具有调节功能。

酶活力的控制是代谢调节作用的主要方式。

②酶活力的调节方式：①激素调节；②抑制剂调节；③反馈调节；④酶浓度的调节；
⑤共价修饰调节；⑥金属离子和其它小分子化合物的调节；
⑦限制性蛋白水解作用与酶活性调控
③酶还是一类多用途的催化剂，通过特殊的操作，可产生两种或更多种不同的功能的酶。

④酶的区域化和多酶复合体等都和酶的活力调节控制有密切关系
10.引起酶失活的原因：①多肽的撕裂
②酶的高级结构发生变化
③酶活性中心特定氨基酸（或其它残基）被化学修饰；
④外部环境的影响，酶活性中心出现空间障碍，使其不能与底物相结合；
确保酶活力稳定的方法：①低温，冰冻保存：化学物质或蛋白酶的侵害不易发生；
②添加一些盐类：高浓度盐类加入以后，酶的高级结构相对稳定些；
③添加底物：可以保护酶的活性中心，所以酶就稳定；
④添加有机溶剂：可以使酶分子构象的刚性增强，不容易失活；
⑤加入蛋白质：因为酶一般是蛋白质，当加入蛋白质后，蛋白酶侵害的时候，
会保护酶
⑥加入强变性剂：不是降解酶，而是使酶变性到一定程度，保留酶的一级结构，
然后去除变性剂，酶可以再生。

⑦结晶化：结晶化的酶的高级结构就容易稳定；
⑧固定化：防止或减少蛋白酶作用
⑨化学修饰：可以保护酶的活性中心，使酶的结构稳定；
11.应用范围：工业用酶、食品用酶、医药用酶
注：①酶是以活力，而不是以质量购销的②酶有不同的质量等级
③实际应用酶时需要注意，没有必要使用比工艺条件所需纯度更高的酶。

14.酶应用特点：①经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓
度较低，且为水溶液，酶学研究的目的，是探讨酶促反应的机制。

②工业上，为保证酶促反应高效率完成，常常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应需
要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时反应是在有机溶剂中进行的。

③有机底物在有机溶剂中有较大的溶解度，在有机溶剂中的酶热稳定性，和储存稳定性比在
水中有明显提高；
④在有机溶剂中，某些反应过程的热力学平衡可以向期望方向移动，可以发生水溶液中不可
能进行的反应，如脂肪酶酯交换和酯合成反应。

⑤在有机溶剂中，酶分子构象表现出比水溶液中更有刚性的特点，因而可以通过选择不同性
质的溶剂来调控酶的某些选择性。

⑥产物的分离和纯化比在水中更容易。

⑦另外酶不同于有机溶剂，因此有利于酶的回收和再利用
11.酶催化活力的定义：在一定条件下，1min能催化1µmol底物时所需要的酶量为一个国际单位（IU）。

一个kat单位定义：在最适条件下，1s催化1mol底物转化的酶量。

1kat=1mol/s=60×106 µ mol/min=6×107IU
酶的比活力：为每千克酶所具有的katal数，即katal/kg.
利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程
1.酶促反应的特征：①基于酶自身的特性，酶促反应是在常温、常压、中性范围（个别除外）条件下进行
的，与一些化学反应相比，省能，且效率较高。

②由于酶促反应的专一性，无或少有副产物生成，有利于提取操作；
③与微生物反应相比，反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制等。

不足：①酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应体系相比，在经济上并不理想。

②虽然酶促反应条件比较温和，但周期较长，易污染杂菌
③固定化酶反应体系有优于游离酶促反应体系的优点，但固定化酶并非一定就是最优
质的生物催化剂。

2.酶促反应与化学反应的主要区别：
酶促反应化学反应
①反应条件温和激烈
②反应时间较长时间短
③生物相容性好较差
④反应体积较大较小
⑤可持续性较强较差
⑥与环境友好性较强较差
3.生物化学酶促反应与工业酶促反应的异同点：
3.单底物酶促反应动力学
①米氏方程：r=(rmax*S)/(Km+S)；只适用于单底物酶促反应不存在抑制的情况。

根据酶-底物中间复合物假说，对单底物酶促反应，其反应机制可表示为：E+S↔ES→E+P
快速平衡法的三点假设：①酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完成的。

②底物浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低底物浓度[S]，底物浓
度以初始浓度计算。

③不考虑P+E→ES这个可逆反应的存在。

④[ES]在反应开始后与E及S迅速达到动态平衡
稳态法推导动力学方程的几点假设：①酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完成的。

②底物浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低底物浓度
[S]，底物浓度以初始浓度计算。

③在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+E→ES这个可逆反应的速率
极小，可以忽略不计。

④[ES]的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化
利用稳态法建立的米氏方程出现的三种情况：①当[S]<<Km时，显示出一级反应特征
②反之，当[S]>>Km时，相对[S]来说，呈零级反应特征
③当[S]接近Km时，反应体系随底物浓度而变动于零级和一级反应之间。

4.零级反应：把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应。

5.米氏常数Km的意义：①Km值代表反应速率达到Vmax/2时的底物浓度。

②Km是酶的一个特性常数，Km的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。

但
底物种类、反应温度、pH和离子强度等因素会影响Km值。

因此可以用Km值来
鉴别酶。

③Km值可以判断酶的专一性和天然底物。

④当k+2<<k-1时，Km ＝KS ，那么Km可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度
量，表示酶和底物结合的亲合力大小
米氏方程中饱和常数的倒数1/Ks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（√）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。

（√）
6.抑制：由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变性，而引起酶活力的降低或丧失，称为抑制作用。

.
7.效应物：凡能使酶分子发生别构作用的物质叫效应物，通常为小分子代谢物或辅因子。

负效应物：因别构导致酶活性降低的物质称为。

①简单酶动力学推导：主要是两种方法，即Michaelis-Menten 法和Briggs-Haldane法。

前者采用快速平衡的假设，中间产物生成速度远大于产物生成速度；后者采用稳态平衡的假设，中间复合物生成速度与产物生成速度相差不大。

（√）
②许多酶的来源均是由细胞反应过程产生。

细胞反应过程不仅仅能够提供更多的酶源，同时还可以提供我们所需的目的产物。

（√）
③酶抑制剂可分为可逆抑制与不可逆抑制两大类。

其中可逆抑制又可分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。

（√）
④竞争性抑制并不能改变酶促反应的最大反应速率。

( √)。

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生物反应工程原理

生物反应工程原理

第一章绪论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。

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。

“个别的学问knowledge of individ uation”，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。

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。

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；生物技术的特点多学科、多技术的结合多学科性:生物催化剂:建立工业生产过程: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）。

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……。

生物反应工程

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。

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第一章 绪论1.什么是生物反应工程、生化工程和生物技术？2.生化反应工程研究的主要内容是什么？3.生化反应工程的研究方法有那些？4.解释生物反应工程在生物技术中的作用？5.为什么说代谢工程是建立在生化反应工程与分子生物学基础之上的？6.何为系统生物学？7.简述生化反应工程的发展史。

8.如何理解加强“工程思维能力”的重要性。

9.为什么在当今分子生物学渗入到各生物学科领域的同时，工程思维也成为当今从事生物工程工作人员共同关注的话题？第二章生物反应工程的生物学与工程学基础1. 试说明以下每组两个术语之间的不同之处。

生物工程与生物科学、发酵工程与生物工程、速率和速度、反应速率与传质速率2. 何为准数和雷诺准数？并解释后者的物理意义3. 工程思维的具体含义是什么？4. 简述酶的催化特性与调节功能。

5. 在一个实际的生物催化过程中如何确保生物催化剂（如酶）的稳定性，并提高催化效率？6. 酶在应用过程中有哪些不同于化学催化剂和微生物作为生物催化剂的地方？7. 微生物培养过程中微生物的世代时间与倍增时间是否是同一概念。

8. 在生物工业中，微生物细胞的量一般采用干重表示，为什么？9. 为什么要固定化酶或微生物细胞？10. 进行生物催化剂（酶或微生物细胞）催化机理研究时，采用固定化酶或微生物细胞是否更有利于清楚了解催化过程机理？11. 何为生物分子工程？ 12. 在微生物培养过程中，操作工人观察到发酵罐上的压力表中的读数为0.025MPa,罐中的发酵液深度为10米，试问在罐底处的微生物细胞承受多大压力？在发酵液表面呢？ 13. 如果在2小时完成生物反应器中70m 3的装液量，请计算物料输入管的管径。

如果要求50分钟将反应液排空，请计算物料输出管的管径。

第三章 酶促反应动力学1. 简述酶促反应的特征及其与化学反应的主要区别是什么？。

2 .应用直线作图法（Lineweaver —Burk 法；Haneswoolf 法；Eadie —Hofstee 法和积分法）求取米氏方程中的动力学参数K s 和r max ，并比较由各种方法所得结果的误差大小。

生物反应及反应器原理(全)

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。