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生物反应工程原理总复习

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(完整word版)生物反应工程原理

(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。

生物反应工程复习资料

生物反应工程复习资料

生物反应工程复习资料(总7页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除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P E ES +←ES S E ⇔+P E ES +→0=dtdC ES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。

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。

生物反应工程原理复习题答案

生物反应工程原理复习题答案

生物反应工程原理复习题答案一、选择题1. 生物反应器的基本类型包括：A. 搅拌槽式B. 填充床式C. 流化床式D. 所有以上选项2. 微生物生长的四个阶段包括：A. 滞后期B. 对数生长期C. 稳定期D. 衰减期E. 所有以上选项3. 以下哪个不是生物反应器操作模式？A. 批式操作B. 连续操作C. 半连续操作D. 周期性操作二、填空题1. 生物反应器的设计通常需要考虑_________、_________和_________三个主要因素。

2. 在生物反应器中，_________是用来描述微生物生长速率的参数。

3. 微生物的代谢途径可以分为_________代谢和_________代谢。

三、简答题1. 简述批式操作和连续操作的区别。

2. 描述生物反应器中氧气传递的重要性及其影响因素。

四、计算题1. 假设一个生物反应器的体积为1000升，其中微生物的浓度为5克/升。

如果微生物的比生长速率为0.2/小时，计算1小时内生物量的增长量。

2. 给定一个流化床生物反应器，其气体流量为1000升/分钟，气体中氧气的体积分数为21%。

如果反应器的体积为5立方米，计算在30分钟内氧气的总传递量。

五、论述题1. 论述生物反应器中混合和传质的重要性，并举例说明如何优化这些过程。

2. 分析在工业生产中，为什么需要对生物反应器进行规模放大，并讨论规模放大过程中可能遇到的挑战。

六、案例分析题1. 某制药公司使用生物反应器生产抗生素。

在生产过程中，他们发现微生物的生长速率突然下降。

请分析可能的原因，并提出解决方案。

2. 一个废水处理厂使用活性污泥法处理工业废水。

请根据活性污泥法的原理，分析废水处理过程中可能出现的问题，并提出改进措施。

七、实验设计题1. 设计一个实验来评估不同搅拌速度对微生物生长速率的影响。

2. 设计一个实验来测定生物反应器中氧气的溶解度。

八、结束语通过本复习题的练习，希望能够帮助学生更好地理解和掌握生物反应工程的原理，为进一步的学习和研究打下坚实的基础。

生物反应工程原理

生物反应工程原理
• 特点： • （1）由细菌等菌类、原生动物、微小后生动物等
各种微生物构成的混合培养系统； • （2）几乎全部采用连续操作； • （3）微生物所处的环境条件波动大； • （4）反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢
产物和微生物细胞本身；
④简介其他分类方法
• 按获取能量的方式分——好氧发酵酵，次级代
• 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（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……。 • 从我们每一个人，即个体说起：
由上帝创造人类到生命起源的……。 • 从现代化的生物工业生产而言：
• 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
谢产物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸 发酵，维生素发酵，抗生素发酵…… • 按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种 发酵；分批发酵，半连续发酵，连续发酵；固 态发酵，液态发酵 • 反应产物或服务的性质 • 按产物所属国民经济部门

生物反应工程原理

生物反应工程原理

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。

生物反应工程试题及答案

生物反应工程试题及答案试题一：生物反应工程概述在生物反应工程中，我们利用生物体的代谢能力来合成化合物、转化物质或产生能量。

以下是对生物反应工程的一些基本概念的题目，请选择正确答案。

1. 生物反应工程是利用（）的能力实现生产和转化化合物的过程。

a) 生物体b) 化学物质c) 物理装置d) 电子设备2. 生物反应工程最主要的应用领域是（）。

a) 药物生产b) 石油化工c) 电子制造d) 金属冶炼3. 生物反应工程最重要的一项技术是（），通过它，可以以较低的能耗和环境影响生产大量化合物。

a) 化学合成b) 高压工艺c) 傅里叶变换d) 发酵4. 生物反应工程所处理的化工过程是（）。

a) 纯物理过程b) 纯化学反应c) 物理和化学相结合的过程d) 电子和光学相结合的过程5. 生物反应工程中，所使用的生物体通常是（）。

a) 细胞b) 分子c) 元素d) 蛋白质答案：1. a) 生物体2. a) 药物生产3. d) 发酵4. c) 物理和化学相结合的过程5. a) 细胞试题二：生物反应器设计生物反应器是生物反应工程中最关键的设备之一。

以下是关于生物反应器设计的问题，请回答问题并填写正确答案。

1. 生物反应器设计的目的是（）。

2. 生物反应器的主要组成部分包括（）3. 生物反应器的操作条件包括（）4. 生物反应器的分类方式有（）5. 生物反应器的性能评价指标有（）答案：1. 实现生物过程的控制和优化2. 反应器本体、搅拌装置、进料和排出装置、温度和pH控制装置等3. 温度、pH值、压力、氧气含量、营养物质浓度等4. 根据不同的特点和应用，可以分类为批式反应器、连续流动反应器、循环流化床反应器等5. 反应物转化率、产物收率、反应速率、混合程度等试题三：生物反应工程中的微生物应用微生物在生物反应工程中起着至关重要的作用。

请根据问题选择正确答案。

1. 微生物在生物反应中的作用是（）。

2. 哪种微生物常用于生物反应生产中的蛋白质？3. 哪种微生物常用于生物反应生产中的酒精？4. 哪种微生物常用于生物反应生产中的纤维素酶？5. 微生物工程常用的培养基包括（）。

生物反应工程复习重点(无习题)

1.生物反应工程的定义:一生物反应动力学为基础,将传质过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学方法生物过程方面的知识相结合，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。

2.生物反应动力学：主要研究生物反应速率和各种因素对反应速率的影响。

生物反应器的研究内容：（1）生物反应器中的传递特质即传质、传热及动量；（2）生物器的设计与放大；（3）生物反应器的优化与控制，包括优化操作与优化设计。

3.生物反应器的研究内容（1-34）(1)生物反应器中的传递特性。

(2)生物反应器的设计与放大。

(3)生物反应器的优化与控制。

3.酶促反应中竞争性抑制动力学方程4.酶促反应中非竞争性抑制动力学方程5.酶促反应中反竞争性抑制动力学方程6.判断酶促反应中竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制曲线竞争型非竞争型反竞争型7.比较酶促反应中竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制Km、rmax的变化8.双底物酶催化反应的机理有哪些？随机机制：两个底物S1和S2随机地与酶相结合，产物P1和P2也随机地释放出来。

许多激酶类的催化机制属于此种。

顺序机制：两个底物S1和S2与酶结合形成复合物是有顺序的，酶先与底物S1结合形成ES1复合物，然后ES1再与S2结合形成具有催化活性的ES1S2。

乒乓机制：最主要的特点是底物S1和S2始终不同时与酶结合，其机理式。

转氨酶9.固定化酶的优点：(1) 可连续稳定地生产产物；(2) 反应产物地纯度高、质量好；(3) 生产的副产物少；(4) 反应的动力学常数、反应的最佳pH和反应温度可能按意愿经固定化调整；(5) 固定化酶、细胞在使用时可以再生或回收，可反复使用；(6) 容易实现连续自动控制，节约劳动力；(7) 可大大提高酶、细胞的比生产能力10.酶固定化的方法：（1）载体结合法：将酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶性载体上的一种固定化方法。

水不溶性载体：纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等。

生物反应工程复习


21. 莫诺方程的双倒数作图，得到的直线在横轴上的截距为______ ， 纵轴上的截距为______ 。 22. 在分批培养中，根据微生物生长速率的不同，可将其生长曲线 划分为 _____ 、 _____ 、 _____ 、 _____ 、 _____五个阶段。
23. 在传氧阻力中，____阻力是控制因素。 24. 双底物酶反应按动力学机制可分为___ 、 ___和 ___ 。 25. pH值影响酶活力的原因可能有以下几方面：影响 ____ ，影响____ ，影响____ ，影响____ 。 26. 固定化酶的优点包括____ ， ____ ， ____等。 27. 影响培养基灭菌的因素有___ ， ___ ， ___ ， ___ ， ___ ， ___ 。 28. 单级恒化器连续培养细胞的稳态操作条件____。 29. 生化工程模型可分为 ____ 、____。 30. 固定化酶（细胞）反应器____ 、 ____、 ____。
86. 单级恒化器连续培养某种酵母达一稳态后，流出液中菌体浓度 是培养时间的函数。 87. 动态法测量Kla不能用于有菌体繁殖的发酵液。 88. 控制好氧发酵的溶氧浓度一定小于微生物的临界溶氧值。 89. 微生物的比生长速率是指单位时间内菌体的增量。 90. 在单级连续培养中，一般由于[S0]＞＞Ks，所以根据Monod方程 可以认为Dcri≈μmax。 91. 分配效应是由于固定化载体与底物或效应物之间的的亲水性、 疏水性及静电作用引起微环境和宏观环境之间物质的不等分配， 改变了酶反应系统的组成平衡，从而影响反应速率的一种效应。 92. .固定化酶的表观速率是假定底物和产物在酶的微环境和宏观环 境之间的传递是无限迅速，也就是在没有扩散阻力情况下的反 应速率。 93. 在微生物培养过程中有可能存在多种限制性底物。 94、 间歇培养微生物的减速生长期，微生物的比生长速率小于零。 95、微生物营养细胞易于受热死灭，其比热死亡速率常数K值很高。

生物反应工程原理习题答案(部分)贾士儒版

第四章复习题
4.Monod 方程建立得几点假设就是什么？Monod 方程与米氏方程主要区别就是什么？答: Monod方程建立得基本假设: 微生物生长中, 生长培养基中只有一种物质得浓度(其
她组分过量)会影响其生长速率,这种物质被称为限制性基质,并且认为微生物为均衡
生长且为简单得单一反应。

Monod 方程与米氏方程得主要区别如下表所示:
Monod 方程与米氏方程得区别
5.举例简要说明何为微生物反应得结构模型？
答:由于细胞得组成就是复结得,当微生物细胞内部所含有得蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸、维生素等得含量随环境条件得变化而变化时, 建立起得动力学模型称为结构模型。

8、缺
9.在啤酒酵母得生长试验中,消耗了0、2kg 葡萄糖与0、0672kgO2,生成0、0746kg 酵母菌与0、121kgCO2,请写出该反应得质量平衡式,计算酵母得率YX/S 与呼吸商RQ。

解:假设反应得质量平衡式为:
10、微生物物繁殖过程中分裂一次生成两个子细胞,也有4 分裂或8 分裂得,试证明当n 分裂时,有如下式子:t d/t g= ln 2/ lnn ,式中: td 为倍增时间, tg为世代时间。

dX/Xdt=μ, 边界条件,t=0,X=X0,
积分得ln(X/X0)= μt
t=t d,, X/X0=2,所以td=ln2/μ
13、缺
15、缺
第五章复习题
第三章复习题4、解
5.
20、。

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扩散效应 传质机理仅为
常数 扩散系数视为
5、底物分配系数是1。
6、固定化酶颗粒处于稳态之下。
7、底物和产物的浓度仅沿r方向而变化。 数学模型简化
第四章 细胞反应过程动力学
4.1 细胞反应的主要特征
1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。
生物反应工程的研究方法
用数学模型方法进行研究： 机理模型：或称结构模型，从过程机理出发推导得到的。 半经验模型：对过程机理有一定了解基础上结合经验数据 得到 经验模型：在完全不了解或不考虑过程机理的情况下，仅 根据一定条件下的实验数据进行的数学关联。
2.1.1 酶的催化共性
它能降低反应的活化能，加快生化反应的速率；但它不能 改变反应的平衡常数，而只能加快反应达到平衡的速率。 酶在反应过程中，其立体结构和离子价态可以发生某种变 化，但在反应结束时，一般酶本身不消耗，并恢复到原来状 态。
2.2 简单的酶催化反应动力学
1、什么是简单的酶催化反应动力学 2、活性中间复合物学说 3、简单的酶催化反应机理 4、推导方程的假设条件 5、“平衡”假设、“拟稳态”假设 6、米氏方程的参数及其物理意义
k +1 + E+S ⎯2 ES ⎯ k⎯→ E + P k −1
1 dns rs = − v dt
4.3.2 分批培养时细胞生长动力学
1、生长历程 2、Monod方程
目前，常使用确定论的 非结构模型是 Monod 方程 µ max ⋅C S µ＝ ( 3 − 34 ) K S + CS
第五章 生化反应器的设计与分析
间歇操作搅拌槽式反应器 Batch Stir Tank Reactor (BSTR) 连续操作的搅拌槽式反应器 Continuous Stir Tank Reactor (CSTR) 连续操作的管式反应器 continuous plug Flow Reactor (CPFR)
总复习
一、内容串讲 二、每章重点 三、范围划定
生物反应动力学是研究生物反应过程的 速率及其影响因素，这是生物反应工程 学的基础。
①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。 ②宏观动力学：又称反应器动力学，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。由于 生物反应过程的复杂性，也给生物反应动力学带来了多样性。
r dX / dt dX )( 4 − 5 ) = x (= dC S / dt dC S rs
Yx / s =
式中： rx — 微生物细胞的生长速率 rs — 基质的消耗速率
4.3 细胞生长的非结构动力学
4.3.1 细胞生长动力学的描述方法
是否考虑细胞的个体差异 确定论模型 概率论模型 是否认为细胞是单组分 结构模型 非结构模型 胞内各组分是否按比例变化 均衡生长 非均衡生长 是否把细胞看成一种溶质 分离化模型 均一化模型
本征速率和动力学参数
本征速率和动力学参数
分配效应
固有速率和动力学参数
扩散效应
有效速率和动力学参数
3.3 外扩散限制效应
r max⋅ Csi ( 3 − 8) kLa ⋅ (Cs 0 − Csi) = Km + Csi
最大反应速率 ( 3 − 18 ) Da = 最大传质速率
r max Da = kLa ⋅ Cs0
CS K S + CS
KS D CS = µ max − DS
KS D C X = YX / S (CS0 − CS ) = YX / S (CS0 − ) µ max − DS
对于符合Monod模型的简单细胞反 应，若以单位体积的细胞产率PX为优 化目标函数，
PX = DC X
所以
g/(L.min)
2.3 有抑制的酶催化反应动力学
2.3.1 竞争性抑制动力学 2.3.2 非竞争性抑制动力学 2.3.3 反竞争性抑制 2.3.5 底物的抑制动力学 2.3.6 产物的抑制动力学
2.5 影响酶催化反应速率的因素 2.6 酶的失活动力学 了解
第三章 固定化酶催化反应动力学
主要优点： 反应后很容易分离出来。 固定化酶大多数情况下稳定性增加。 实现生产连续化和自动化。
3.2 固定化酶催化的动力学特征
酶活力表现率：系指实际测定的固定化酶的总活力与被固定化了 的酶在溶液状态时的总活力之比。 酶活力收率： 系指实际测定的固定化酶的总活力与固定化时所 用的全部游离酶的活力之比。
影响固定化酶动力学的因素： 空间效应，分配效应，扩散效应
水溶性酶
酶分子的改变 和空间效应
固定化酶
5.1.1 反应器分类
生化反应器 间隙操作 半连续操作 连续操作
生物团块反应器 全混流型 活塞流型
生物膜反应器 全混流型 活塞流型
搅拌槽式反 应器 循环反应器 环流反应器
管式反应器 鼓泡塔 多级串联式 反应器
硫化床反应器 循环管反应器 完全混合膜反 应器
固定床 生物转盘 渗滤器 膜反应器
5.1.2 生物反应器的基本设计方程
τ
P
=
∫
C
s
s0
C
dC S rs
5.4.4 CPFR与CSTR的性能比较
本章中所讨论的生化反应器的浓度·时间(c－t)、 浓度—空间(C—z)分布曲线如图5—26所示。
（1）酶催化反应过程 （2）细胞反应过程
1/rs
τm
CX0 CX1
τp
Cx，opt
CX2
稀释度的极限值：当CS=CS0时
DC =
[
]
(5-93)
µ max CS
0
K S + CS0
（5-95）
当稀释度达到极限值DC时，CSTR出口物料中细胞浓度为0， 此时反应器处于“洗出”操作状态。因此操作要控制D小于 µ max CS=CS0时，基质没有消耗
1）带有细胞循环的单极CSTR
5.4 连续操作的管式反应器 (CPFR)
=
+
+
+
5.2 间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）
tr = −
∫
C C
s s0
dC rs
S
VR =V0(tr +tb )
5.3 连续操作的搅拌槽式反应器CSTR
τm =
τm =
CS0 X S rS
VR V0
=
CS0 − CS rS
V0 D= VR
µ=D
5.3 连续操作的搅拌槽式反应器CSTR
D = µ = µ max
（5-89) （5-90)
KS D PX = DYX / S (CS0 − ) µ max − D
当PX为最大时，相应的稀释率称为最佳稀释率DOPt：
DOPt
⎡ KS = µ max ⎢1 − K S + CS0 ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎥ ⎦
（5-92)
反应器中细胞浓度为
C X ,OPt = YX / Y CS0 + K S − K S (CS0 + K S )
有外扩散影响时的实际 反应速率 Rsi = ηE = 无外扩散影响时的反应 速率 rs 0
3.4 内扩散质量守恒的假设
假设： 1、固定化酶颗粒是等温的。 3、扩散效应用费克定律描述。 4、颗粒是均匀的
数学模型简化 的影响 消除分配效应 化 催化活性粒对流体无渗透、无对流。
2.1.2 酶的催化特性
(1) 有较高的催化效率
酶的分子活力：在最适宜的条件下，每1mol酶在单位时 间内所能催化底物的最大量（mol）。
（2）有很强的专一性 （3）具有温和的反应条件
生理温度25～37℃的范围，同时，酶催化反应一般是在接近 中性的PH值条件下进行。
（4）酶易变性与失活
引起变性的原因有物理因素和化学因素。
a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得到生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡等不同阶段。
4.2 细胞反应过程中的质量衡算
CO2生成速率 (4 − 3) RQ = O2消耗速率
Yx / s 生成细胞的质量 ∆X ( 4 − 4) = = 消耗基质的质量 − ∆S
1 dnp rp = v dt
rp = k + 2 ⋅ C[ES]
rp , max = k +2 ⋅ CE 0
Km = k
− 1
+ k
+ 1
+ 2
k
k = Ks + k
+ 2 + 1
2.3 有抑制的酶催化反应动力学
不可逆抑制：如果抑制剂与酶的基团成共价结合，则 此时不能用物理方法去掉抑制剂。此类抑制可使酶永 久性地失活。例如：重金属离子对酶的抑制作用。 可逆抑制： 可用诸如透析等物理方法把抑制剂去掉而 恢复酶的活性，此时酶与抑制剂的结合存在着解离平 衡的关系。包括：竞争性抑制，非竞争性抑制，反竞 争性抑制，混合型抑制，底物抑制和产物抑制。
3.1 固定化酶的制备方法
固定化酶的制备方法可分为： 载体结合法、交联法、包埋法。 物理吸附法：酶被物理吸附于不溶性载体。 离子结合法：酶通过离子键结合于具有离子交换基的水不溶 性载体的固定化。 共价结合法：酶以共价键结合于载体的固定化方法，此法将 载体有关基团活化，然后与酶有关基团发生偶联反应。
4.3.1 细胞生长动力学的描述方法
dC x 1、绝对速率：rX = dt