生化反应工程 微生物反应动力学

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。

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。

第六章 生物反应动力学基础（张婷婷）请对发现的文字错误及格式等进行修订，同时对我蓝色标出的要求进行补充完善。

注意此章节中公式编辑器所编辑的公式均可正常显示并编辑，所以不用更改为word 格式。

辛苦了，谢谢！孔秀琴一、底物降解速率底物降解速率即每天每公斤活性污泥能降解多少公斤的BOD 5,其单位为：d kgVSS kgBOD ⋅/5，是反映生物反应器处理能力的重要参数。

生物反应系统中，反应器容积等重要参数是根据系统的底物降解速率（污泥负荷）来确定的。

底物降解速率的函数关系式如下：Sk Sv Xdt dS s +=max（6-1） 式中： XdtdS —比降解速率，单位 d -1m a x v —最大比底物降解速率，即单位微生物量利用底物的最大速率K S —饱和常数 X —微生物浓度 S —底物浓度环境工程中，一般S 较小，当S K S ≤≤时，分母略去S ，并令2maxk k s=υ，,即可得下式：S k XdtdS2= （6-2） 上式积分可得：错误！未找到引用源。

t X t S S ⋅⋅-=2k 0e （6-3）那么已降解的底物含量为：）（tX k t S S S S ⋅⋅-∆=-=2e-100 （6-4） 式中：∆S —降解的有机底物浓度0S —初始的有机底物浓度t S —t 时刻剩余的有机底物浓度上式中，因一般生物系统活性污泥浓度x 为定值，所以可令12k X k =，同时把已降解的底物浓度用BOD t 浓度代替，初始底物浓度用BOD U 代替,，即得下式：)1(1t k u t e BOD BOD ⋅-= （6-5）即得5日生化需氧量和总需氧量之间的换算关系式：（6-6）因C o20时，23.01=k ，则可得到：u BOD BOD 68.05=环境工程中，用污泥负荷来表示有机物（底物）的降解速率，是特定工艺处理能力的度量参数。

在工程设计中，在确定生物反应器的容积及排泥量等关键数据时，污泥负荷是重要的设计参数，其值的选取直接关系到整个工程的造价。

生物反应器中微生物动力学建模研究随着科技的不断发展和进步，越来越多的高科技手段被应用在了生物工程领域中，其中生物反应器技术尤为重要。

生物反应器是一种用来培养和控制微生物生长的设备，常见于医药、环保、食品等工业领域。

设计一种高效稳定的生物反应器已经成为生物反应器领域的重要研究领域之一，而微生物动力学建模则是该领域研究的核心之一。

微生物动力学建模，是通过建立微生物数量、生长速度等多种指标的动态方程，预测微生物对反应器运行的响应，有助于控制微生物反应器中的生物过程。

微生物动力学建模中，常见的模型有质量平衡模型、传质模型、能量平衡模型等。

质量平衡模型是一种基于质量平衡原理进行微生物动力学建模的方法，在该模型中，对于任何物质，其输入量与输出量之间必须达到平衡。

传质模型则是一种基于传质动力学原理进行微生物动力学建模的方法，该模型适用于有溶质从液相向气相、液相或固相转移的情况。

能量平衡模型则是一种基于热力学原理进行微生物动力学建模的方法，该模型适用于反应器中发生热能转移的情况。

微生物动力学建模是将生物反应器和微生物进行有机结合的重要途径，它可以提高生物反应器的稳定性、控制性和效率。

因此，在生物反应器设计和运行中，微生物动力学建模有着非常广泛的应用。

第一，微生物动力学建模可以帮助预测生物反应器的稳定性和控制性。

在微生物动力学模型的基础上，可以确定反应器的运行状态，并预测反应器的变化趋势。

由此，可以优化反应器的控制策略，从而保证反应器运行的稳定性和控制性。

第二，微生物动力学建模可以帮助优化反应器的设计和运行参数。

通过建立微生物动力学模型，可以确定反应器中各种物质的传质和反应过程，从而优化反应器的设计。

此外，微生物动力学建模还可以帮助确定反应器运行参数，如温度、压力、通气量等，从而提高反应器的效率和生产能力。

第三，微生物动力学建模可以帮助解释反应器中微生物的生长规律。

微生物的生长速率、代谢和生化反应等过程，是微生物动力学建模的关键研究内容。

生化工程原理复习题及答案一、名词解释1、生化工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化工程。

2、灭菌：是指用物理或化学方法杀灭物料或设备中的一切生命物质的过程。

3、惯性冲撞机制：气流中运动的颗粒，质量，速度，具有惯性，当微粒随气流以一定的速度向着纤维垂直运动时，空气受阻改变方向，绕过纤维前进，微粒由于惯性的作用，不能及时改变方向，便冲向纤维表面，并滞留在纤维表面。

4、细胞得率：是对碳的细胞得率。

=生成细胞量某细胞含碳量或=消耗基质量某基质含碳量。

5、生物反应动力学：是研究在特定的环境条件下，微生物的生长、产物的生成、底物的消耗之间的动态关系及规律，以及环境因子对这些关系的影响。

生物反应工程：是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应过程优化和控制以及生物反应器的设计、放大与操作的学科。

6、返混：反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混。

7、细非结构模型：8、非结构模型：如果把菌体视为单组分，则环境的变化对菌体组成的影响可被忽略，在此基础上建立的模型称为非结构模型。

结构模型：在考虑细胞组成变化基础上建立的微生物生长或相关的动力学模型。

9、限制性底物：是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该营养物相对贫乏时，就可能成为限制微生物生长的因子，可以是C 源、N源、无机或有机因子。

10、绝对过滤介质：绝对过滤介质的孔隙小于细菌和孢子，当空气通过时微生物被阻留在介质的一侧。

深层过滤介质：深层过滤介质的截面孔隙大于微生物，为了达到所需的除菌效果，介质必须有一定的厚度，因此称为深层过滤介质。

11、均衡生长:在细胞的生长过程中，如果细胞内各种成分均以相同的比例增加，则称为均衡生长。

非均衡生长:细胞生长时胞内各组分增加的比例不同，称为非均衡生长。

二、问答1、试述培养基灭菌通常具有哪些措施？灭菌动力学的重要结论有哪些？答：培养基灭菌措施有：（1）使用的培养基和设备需经灭菌。

本征反应动力学：不考虑传递等工程因素时，生物反应固有的速率。

该速率除与反应本身特性有关，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂的性质有关，而与传递因素无关。

反应器（宏观）反应动力学：考虑传递因素的反应动力学。

非结构细胞反应动力学：将细胞看作是具有单一组分、均一的细胞反应体系的动力学。

别构酶：变构酶，调节酶，它是一种寡聚酶( 由多个亚基组成) ，具有别构部位和活性部位。

DC:临界稀释率，Si 为CSTR 反应器中入口处的限制性底物浓度。

当稀释率达到DC 时，出口处细胞浓度为0，反应器处于“洗出”操作状态。

返混：不同停留时间的微元流体之间的混合。

CSTS返混程度最大，CPFR 返混程度最小。

固定化酶：是一种在空间运动上受到完全约束或局部约束的酶。

呼吸商RQ：RQ＝CER/OUR；细胞每消耗1mol O 2 所产生的CO 2 的量。

Thiele 模数：φ＝表面浓度下的反应速率/内扩散速率。

表示了以固定化酶外表面的浓度为基准的反应速率与内扩散传质速率的相对大小。

可以通过φ值大小来判断内扩散阻力对催化反应的影响程度。

限制性底物：某种底物浓度的增加会影响生长速率,而其它营养组分浓度的变化对生长速率没有影响作用，这种底物称限制性底物。

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。

如因别构导致酶活性降低的物质称为负效应物。

失活：由于酶蛋白分子变性而引起的酶活力丧失的现象称为失活。

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。

可逆抑制：抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂而使酶复性，这种抑制作用是可逆的，称为可逆抑制不可逆抑制：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。

酶的非竞争性抑制:抑制剂既能与酶结合又能与ES复合物结合导致酶反应速率下降。

生物反应工程Bioreaction Engineering课程编号：A0620016学分：2学分学时：32学时先修课程：生物化学、微生物学、化工原理、物理化学适用专业：生物工程专业建议教材：《生化反应工程》（第三版），戚以政主编，化学工业出版社，2007年开课系所：生物与食品工程学院生物工程系一、课程的性质与任务课程性质：本课程为生物工程专业本科生的专业必修课。

课程任务：生化工程是一个知识和技术密集的学科，其基本内容可分为培养基灭菌与空气除菌、酶促反应动力学、微生物反应动力学、生化反应器等方面。

本课程以掌握各部分内容的基本理论为重点。

学生通过本课程的学习后应对生物反应的整个过程有所了解，并能掌握其中的相关原理。

二、课程的基本内容及要求第一章绪论1．课程教学内容（1）通过本课程的学习，使学生了解生化工程的特点、研究内容；（2）掌握生化工程工艺设计的基本原则。

2．课程的重点、难点生物技术设计的基本准则和要求；现代生物技术的特点和体现。

3．课程教学要求（1）掌握生化反应的特点；（2）了解生物工程专业的实际应用；（3）了解整门课程学习的主要内容。

第二章培养基灭菌与空气除菌1．课程教学内容（1）理解常用生化工程反应中灭菌技术的重要性和常用灭菌技术；（2）掌握工业灭菌设备的特点和应用技术特性。

2．课程的重点、难点（1）掌握常用生化工程反应中灭菌技术的原理和应用特点，实验室灭菌技术和工业灭菌技术的差异；（2）掌握灭菌效果的分析与计算。

3．课程教学要求（1）掌握分批灭菌、连续灭菌的特点；（2）理解微生物的热死灭动力学；（3）理解空气过滤设计的原理；（4）掌握典型空气除菌流程。

第三章均相酶促反应动力学1．课程教学内容（1）掌握均相酶促反应动力学特点；（2）了解有各种抑制剂存在的酶促反应动力学特点。

2．课程的重点、难点（1）掌握M-M方程的推导及应用；（2）熟悉有抑制的酶催化反应动力学。

3．课程教学要求（1）掌握典型酶促反应过程的特点及相关公式；（2）掌握影响酶催化反应速率的因素；（3）理解米氏方程动力学参数的求取；（4）理解有各种抑制剂存在情况下的酶反应特征。

生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：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。

技术产品的生产过程。

生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。

整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。

重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。

反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。

2）反应条件温和。

3）生物催化剂易失活，难以长期使用。

4）生产设备较简单、能耗较低。

5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。

6）反应机理复杂，较难检测与控制。

7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。

该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。

②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。

研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。

第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。