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⽣物反应⼯程重点⽣物反应⼯程重点1.⽣物反应研究的内容？A. ⽣物反应动⼒学动⼒学——研究⼯业⽣产中⽣物反应速率问题；影响⽣物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果。
本征动⼒学（微观动⼒学）反应器动⼒学（宏观动⼒系学）B. ⽣物反应器传递特性——传质、传热和动量传递设计与放⼤——选型、操作⽅式、计算优化与控制——优化操作与优化设计、反应参数测定与控制2.均相酶促反应动⼒学见打印（均相酶促反应动⼒学）ppt3. 固定化酶催化反应过程动⼒学A.本征动⼒学概念：本征动⼒学：⼜称微观动⼒学，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。
B.外扩散因⼦、内扩散因⼦见打印（外扩散因⼦、内扩散因⼦）pptC.分⼦扩散、努森扩散分⼦扩散：⽓体在多孔固体中扩散，当固体的孔径较⼤时，分⼦的扩散阻⼒主要是由于分⼦间的碰撞所致，这种扩散就是通常所说的分⼦扩散或容积扩散。
努森扩散：⽓体在多孔固体中扩散时，如果孔径⼩于⽓体分⼦的平均⾃由程（约0.1um），则⽓体分⼦对孔壁的碰撞，较之⽓体分⼦间的碰撞要频繁得多，这种扩散，称为Knudsen扩散。
D.曲节因⼦没找到4.细胞反应动⼒学A.细胞的⽣长曲线见书86页B.各种⽐速率见书81页C.细胞⽣长速率及各种⽐速率Monod⽅程与⽶⽒⽅程的区别是什么？答：monod⽅程与⽶⽒⽅程的区别如下表所⽰。
Monod⽅程：⽶⽒⽅程：描述微⽣物⽣长描述酶促反应经验⽅程理论推导的机理⽅程⽅程中各项含义：µ：⽣长⽐速(h-1)µmax：最⼤⽣长⽐速(h-1)S: 单⼀限制性底物浓度(mol/L)K S:半饱和常数(mol/L)⽅程中各项含义：r：反应速率(mol/L.h)r max：最⼤反应速率(mol/L.h)S：底物浓度(mol/L)K m：⽶⽒常数(mol/L)适⽤于单⼀限制性底物、不存在抑制的情况适⽤于单底物酶促反应不存在抑制的情况D.得率系数菌体得率常数：F.呼吸商呼吸商：G.产物⽣成与细胞⽣长的相关模型相关模型：产物的⽣成与细胞的⽣长相关，产物是细胞能量代谢的结果，产物的⽣成和细胞⽣长同步。
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？ P103Φ = 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：e1V P P1D 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λ7、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。
生化反应工程1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？答：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：建立生物反应过程动力学和生物反应器的设计，优化和放大。
3. 生化反应工程研究方法.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。
.在建立生物反应过程数学模型时，常按下述几个步骤进行： （1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究； （3）过程分离原理；4）数学模型的建立。
理想的模型建立通常要考虑的因素1.要明确建立模型的目的2.明确地给出建立模型的假定条件3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定4.模型应尽可能简单。
第1章 酶催化反应动力学1.有高效的催化活性2.有高度的专一性3.酶反应常需要辅因子的参与4.具有温和的反应条件5.酶的催化活性可被调控6.酶易变性与失活酶反应专一性机制：锁钥学说，诱导契合学说，过渡态学说。
什么叫抑制剂？任何能直接作用于酶并降低酶催化反应速率的物质称为酶的抑制剂1.M-M 方程的建立： E + S 11k k - [E 2k −−→E + P （1）快速平衡假设：2[],p ES r k C =11[],E S ES k C C kC -=[],EO E ES C C C =+得2m axE O S SP S SS S k C C rC r K C K C ==++（2）拟稳态假设：11[]2[]0E S ES ES k C C kC k C ---=得2m axEO S SP m Sm S k C C rC r K C K C ==++2. M-M 方程参数的确定：m ax20E rk C =，mK（1）微分法：* L-B 法 ：m axm ax111m SSK r rC r =+* E-H 法：m axss mSr r rK C =- H-W 法：m axm axSm S sC K C r rr=+E-C-B 法：m ax1m sSrK r C =+（2）积分作图法：m ax0m()lnSO S S S C r t C C KC =-+一级反应时，m axmlnSOSC rt K C = 零级反应时，max 0()S S r t C C =-3.有抑制的酶催化反应动力学----由方程推机理，抑制方式（1）竞争性抑制：E + S 11k k - [ES 2k −−→E + PE + I 33k k -−−−→←−−−[EI] 得m ax *SSI Smr C r KC =+，I *m IC 1+)K K mK=（（2）非竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，E + I 33k k -−−−→←−−−[EI]， [ES] + I 4-4k k −−−→←−−−[SEI] , [EI] + S 5-5k k −−→←−− [SEI] 得 *max s m I SSr C r K C =+，I *m ax m ax I C /1+)K r r =（ （3）反竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，[ES] + I 33k k -−−−→←−−−[SEI] 得m axI m IC 1+)K SSI S rC r K C =+（（4）底物抑制：E + S 11k k - [ES2k −−→E + P ，[ES] + S 33k k - [SES]得m axm 1+)SSS s S SIrC r C K C K =+（，,m axS C =4.双底物酶催化反应（了解）：S 1 + S 2 P 1 +P 2(1)随机机制：E + S 1 11k k - [ES 1]， E + S 2 2-2k k −−−→←−−−[ES 2]， [ES 1] +S 2 12k [ES 1S 2], [ES 2] +S 1 21k [ES 1S 2],[ES 1S 2]K−−→E +P 1+P 2 (2)乒乓机制: E + S 1 11k k - [ES 1]−−→ P 1 +E’,E’ + S 2 2-2k k −−−→←−−−[E’2] −−→ E +P 2(3)顺序机制：E + S 1 11k k - [ES 1]，[ES 1] +S 2 2k −−−→←−−−[ES 1S 2]，[ES 1S 2]3k −−→ E +P 1+P 2 5.酶的失活动力学：E adrk k −−→←−−E i()[]d r E O k k E a r d d rC tC k k ek k -+=++， 若为不可逆失活，Kr=0，0dK Ea E tC C e-=,K d =1/t d =ln2/t 1/2，K d 为衰变常数，t 1/2为半衰期第2章 细胞反应过程计量学1. 呼吸商：在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量的比 。
2013四川大学生物反应工程练习题及部分解答化工学院一、动力学基础1.为什么pH值会影响酶反应的速度？解释温度对酶反应的影响。
答：pH----酶分子上有许多酸性和碱性的氨基酸侧链基团，如果酶要表现活性，则这些基团必须有一定的解离形式。
随着pH的变化，这些基团可处在不同的解离状态，而具有催化活性的离子基团仅是其中的一种特定的解离形式，因而随着pH的变化，具有催化活性的这种特殊的离子基团在总酶量中所占的比例就会不同，使酶所具有的催化能力也不同，最终影响酶反应的速度。
温度----酶大部分是由蛋白质组成的，而酶在起作用时一般需要一个结合位点和催化位点，这些位点的性能高低与酶本身结构有关，而酶的结构又受到温度的影响。
在较低温度范围内，反应活性随温度的升高而升高；当温度超过酶所允许的生理温度以上时，则随着温度的提高，酶的热变性失活速率会加快，导致酶的活性下降，故酶催化反应速率亦随温度的升高而降低。
*影响酶反应速率的因素：1）内部因素：酶的结构特定，底物的结构特性；2）外部因素：各种物质的浓度（如酶的浓度、底物的浓度、抑制剂的浓度等）和操作条件（如温度、压力、离子强度、pH等）。
2.固定化酶外扩散的有效因子主要受哪些因素的影响？3.什么叫细胞的倍增时间？它与细胞生长速度有何关系？答：分批培养时，在指数生长期内，细胞浓度增加一倍所需的时间。
倍增时间t=ln2/µmax ，为定值。
（个人认为与细胞生长速度无关）4.请解释什么是酶的半衰期。
答：在一不含底物、产物、抑制剂或调节剂的完全封闭体系，活性酶经过一不可逆的结构变化或化学变化而成为一无活性状态，当活性酶浓度变为初始活性酶浓度一半时所需的时间，称为酶的半衰期。
5.什么叫固体催化剂颗粒的临界半径和最大颗粒半径？答：对仅有内扩散限制的球形生物催化剂的零级反应，有临界半径Rc ：无底物的最大核半径（在r<Rc 处无底物存在，也无反应发生）。
有最大颗粒半径Rmax ：（当r ＝0时，CS ＝0对应的最大颗粒半径，即Rc ＝0）。
第3章 固定化酶催化反应过程动力学一、基本内容：酶的固定化是为了解决游离酶分子在催化反应过程中不易回收、稳定性差、操作成本太高而采用的一种方法。
酶固定化后必然会对其催化反应动力学有一定的影响。
因此，本章主要分析来阐明固定化酶与游离酶催化反应动力学的区别，并对重要的扩散效应进行了详尽的研究。
1、固定化酶是通过物理或化学方法，将游离酶转变成为在一定空间内其运动受到完全约束、或受到局部约束的一种不溶于水，但仍具有活性的酶。
主要优点有：易于分离、可反复使用、增加稳定性、提高机械强度、便于生产连续化和自动化、降低酶催化反应操作成本等。
2、酶的固定化方法有：吸附法、包埋法、共价法、交联法。
每种固定化方法均有利有弊，要根据实际情况进行选择。
3、影响固定化酶动力学的因素有：空间效应（包括构象效应和位阻效应）、分配效应（包括亲水效应、疏水效应和静电效应）和扩散效应（包括外扩散效应和内扩散效应）。
不同因素对酶动力学影响结果见下图：游离酶固定化酶改变的本征速率和动力学参数固有速率和动力学参数宏观速率和动力学参数本征速率和动力学参数空间效应分配效应扩散效应4、固定化酶催化反应外扩散效应。
固定化酶与溶液中底物反应过程包括三步：（1）底物从液相主体扩散到固定化酶表面；（2）底物在固定化酶表面进行反应；（3）产物从固定化酶表面扩散到液相主体。
其中酶催化反应速率可由M －M 方程表示max SiSi m S r C R K C =+0()S Si i；底物由液相扩散到催化剂表面速率可表示为Sd L R k a C C =−。
在稳态时，应存在Si Sd R R =，即max 0()SiL S Si m S r C k a C C K C −=+i。
5、固定化酶催化反应外扩散效应影响下反应速率的求解。
主要包括两个方面：由表面浓度C Si 求解和由有效因子E η求解。
（1）表面浓度C Si 求解。
由式max max00max 0002()10Si SiL S Si S Si m Si L m SiSi m S S S L S SS S Sr C r C k a C C C C K C k a K C C K r C K C C k aC C C C K C K C −=⇒−=++−⇒+引入＝，＝，定义Da=可得：＝Da +（＋Da-1）＝S K −Da-1当a>0时，取“＋”号，当a<0时，取“-”号。
生物催化反应的分子动力学模拟生物催化反应是指在生物体内或体外，通过酶的催化作用，促进化学反应的进行。
酶是一种生物催化剂，具有高催化效率、高选择性和高稳定性等优势。
然而，酶催化反应的机理和动力学过程仍然存在很多未知和争议。
为了深入研究酶催化反应，探索其分子机制和优化应用，分子动力学模拟成为了重要的研究手段。
分子动力学模拟是一种基于分子力学原理的计算方法，通过模拟系统中分子的运动轨迹和相互作用，预测和分析分子的结构和性质，并模拟时间和空间尺度上的动态变化。
在生物催化反应的研究中，分子动力学模拟可以模拟酶催化反应的细节过程，如底物的结合、解离和转化，催化水解和合成反应等，为揭示酶催化反应机理和优化酶催化反应提供了有力的工具。
分子动力学模拟通常从分子模型的建立开始。
对于酶催化反应而言，需要先构建酶分子的三维结构模型，并确定催化反应中所涉及到的重要氨基酸残基和底物分子。
常用的方法包括晶体学、核磁共振等结构科学技术和蛋白质工程技术等。
在结构模型的基础上，通过分子力学原理优化电荷分布、键长、角度等参数，以得到更准确和可靠的分子模型。
得到分子模型后，接下来就是模拟运动过程。
分子动力学模拟使用牛顿运动方程描述分子的运动，分子之间的相互作用力则依据分子间相互作用力原理确定。
模拟过程中需要依照给定的初始结构、体系温度、压强和所需模拟的时间等因素，利用计算机程序求解数值解并得到分子的运动轨迹、能量变化等数据。
通过模拟得到的数据，可以计算出各个过程中各个分子的能量和状态，以及运动所需要的时间和空间尺度等信息，进而深入分析和揭示酶催化反应的动力学机制。
分子动力学模拟在生物催化反应中的应用非常广泛。
例如，研究人员利用分子动力学模拟揭示了蛋白酶的自溶解机制，并通过模拟酶和透过羟基草酸分子间的相互作用来探究腺苷酸酰化酶的催化机制等。
同时，也有研究者利用分子动力学模拟优化酶催化反应的条件，如PH值、温度和底物结构等因素，以提高催化效率和选择性，并为新型酶催化反应的开发提供指导。
