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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。
生物化学反应的动力学生物化学反应是生物体内众多代谢过程中不可或缺的一环。
动力学研究了反应速率与底物浓度、温度等因素之间的关系，旨在揭示并解释生物化学反应的反应速率规律。
本文将介绍生物化学反应的动力学及其相关的实验方法与应用。
一、反应速率与底物浓度之间的关系生物化学反应的速率是指单位时间内反应物消失或产物生成的量。
反应速率与底物浓度之间存在一定的关系，通常可以用速率方程来描述。
其中最经典的速率方程为麦氏方程，即v=k[A]^m[B]^n，其中v为反应速率，k为速率常数，[A]和[B]分别为反应底物A和B的浓度，m 和n分别为反应底物的反应级数。
通过实验可以确定麦氏方程中的m 和n值，进而了解反应底物浓度对反应速率的影响。
二、温度对反应速率的影响温度是影响生物化学反应速率的重要因素之一。
根据阿伦尼乌斯方程，反应速率与温度成正比，即v=k·e^(-Ea/RT)，其中v为反应速率，k为速率常数，Ea为反应反应的活化能，R为气体常量，T为温度（开尔文）。
通过在不同温度下进行反应速率的测定，可以计算Ea和ln(k)之间的斜率，从而获得温度对反应速率的影响规律。
三、实验方法与应用为了研究生物化学反应的动力学，科学家们发展了多种实验方法。
最常用的方法之一是连续监测反应过程中产生的物质浓度变化。
通过不断取样并使用各种分析技术（如分光光度法、高效液相色谱法等），可以得到反应物浓度随时间的变化曲线，从而确定反应速率。
此外，还可以利用稳态法、动态平衡法等方式来研究生物化学反应的动力学特性。
生物化学反应动力学的研究对于了解生物体内各种代谢过程的调控机制、生物酶的性质以及药物的代谢和毒性等方面具有重要意义。
例如，通过研究酶催化反应的动力学，可以优化工业生产中的酶催化反应条件，提高反应速率和产物纯度。
另外，生物化学反应动力学的研究还在生物医学领域具有广泛的应用，如药物代谢动力学的研究可以为药物设计和剂量控制提供理论依据。
生物化学反应动力学生物化学反应动力学是研究生物分子反应速率和反应机制的科学领域。
生物化学反应是指在生物体内发生的一系列化学反应，这些反应对于维持生命和生物体的正常功能至关重要。
了解生物化学反应动力学的原理和机制，有助于我们深入了解生物体内的化学过程以及相关疾病的发生机制，从而为药物研发、疾病治疗等领域提供指导。
1. 反应速率的定义和计算在生物化学反应中，反应速率是指单位时间内反应物浓度的变化量。
通常表示为d[A]/dt，表示反应物A的浓度随时间的变化率。
反应速率的计算需要确定反应物的变化量以及时间的变化量，从而求得反应速率的大小。
2. 碰撞理论碰撞理论是生物化学反应动力学的基础理论之一。
根据碰撞理论，反应发生的前提是反应物分子必须发生有效碰撞，有效碰撞的条件是：反应物之间的相对速度要足够大，碰撞的角度要适当，并且碰撞时要有足够的能量以克服反应物的活化能。
3. 势能面和势能垒势能面是描述反应物和产物之间能量变化的图形，可以帮助我们理解反应的进程和能量变化。
势能垒是势能面中的最高点，也称为活化能垒。
反应物分子要克服势能垒才能转变为产物，而势能垒的高低决定了反应的速率。
4. 酶催化反应酶是生物体内催化反应的生物催化剂，它可以加速生物化学反应的速率。
酶催化反应的机制是通过酶与底物的结合形成酶底物复合物，然后通过降低反应物的活化能，促使反应物转变为产物。
酶催化反应具有高效、专一性和可逆性等特点，在生物体内起着至关重要的作用。
5. 温度对反应速率的影响温度是影响生物化学反应速率的重要因素之一。
根据阿伦尼乌斯方程，随着温度的升高，反应速率呈指数增加。
这是因为高温能够增加反应物的动能，使得反应物更容易克服势能垒转变为产物。
6. pH值对反应速率的影响pH值是指溶液中氢离子的浓度，对生物化学反应速率有一定的影响。
酶是一种蛋白质，其活性受pH值的影响较大。
不同的酶在不同的pH值下具有最佳活性，而在酶的酸碱性条件发生改变时，酶活性会受到影响，进而影响生物化学反应速率。
生物反应动力学•一、微生物生长动力学•1、生长速率γx=dX/dt=μX；（1）式中，X为菌体浓度，g·L-1;μ为比生长速率，h-1；【例题】以乙醇为唯一碳源进行产气气杆菌培养，细胞初始浓度X0=0.1kg/m3，培养至3.2h，细胞浓度为8.44kg/m3，如果不考虑延迟期，比生长速率一定，求倍增时间td。
【解】dX/dt=μX （1）当t=0，X=X0，积分（1）得lnX=μt+lnX变形为ln(X/X0)=μt （2）倍增时间是指X/X0=2所需时间，因此ln2=μtd（3）由（2）和（3），可得到t d=............= 0.5（h）•练习•下面为某微生物的生长数据，求此微生物的μ，1小时和2小时时候的生长速率。
•时间/h 0 0.5 1.0 1.5 2.0•细胞干重/(g/L) 0.1 0.15 0.23 0.34 0.512、生长的非结构模型确定论的非结构模型，是一种理想状况，不考虑细胞内部结构，每个细胞之间无差别，细胞群体作为一种溶质；•目前，常使用确定论的非结构模型是Monod方程•μ=μmax[S]/(K s+[S]) （2）•式中，μmax是最大比生长速率，[S]是某限制性营养物的浓度，K s为基质利用常数，相当于μ=μmax /2时的基质浓度．g·I-1，这是菌对基质的亲和力的一种度量。
【例题】乙醇为唯一碳源进行面包酵母培养，获得如下数据：[S]/(g/L) 0.4 0.33 0.18 0.10 0.07 0.049 0.038 0.020 0.014μ/(h-1) 0.161 0.169 0.169 0.149 0.133 0.135 0.112 0.0909 0.0735求μmax 和KS。
•3、基质消耗动力学•以菌体得率为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率的关系。
基质的消耗速率γS可表示为•-γS=d[S]/dt=γX/Y X/S （3）•基质的比消耗速率指基质的消耗速率除以菌体的量，以q S来表示，即qS=γS/X （4）•-q S=μ/Y X/S （5）•【例题】葡萄糖为唯一碳源进行酵母培养，反应式为：• 1.11C6H12O6+2.10O2→C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O•μ为0.42h-1，求（1）Y X/S，（2）基质的比消耗速率•练习:•在啤酒酵母的生长试验中，消耗了0.2kg葡萄糖0.0672kgO2，生成0.0746kg酵母细胞和0.12lkg CO2，请计算酵母得率YX/S•μ由Monod 方程表示时，（5）式可变形为：•-q S =（-q S ，max )[S]/(K S +[S]) (6)•当以氮源、无机盐类、维生素等为基质时，由于这些成分只能组成菌体的构成成分，不能成为能源，Y X/S 近似一定，所以式(6)能够成立，但当基质既作为能源又是碳源时，就应考虑维持代谢所消耗的能量。
生物化学反应过程的动力学生物化学反应过程是生命活动中不可或缺的一部分，它们在细胞内发挥着重要的作用，影响着机体的正常运转。
动力学是研究反应速率和反应机理的学科，是了解生物化学反应过程的关键。
本文将介绍生物化学反应过程的动力学，并探讨它对我们的理解和应用的意义。
生物化学反应速率的测定生物化学反应速率是指单位时间内消耗反应物或产生产物的数量。
其计算公式为：速率= Δ物质/Δ时间在反应初期，反应速率较快，反应物浓度逐渐下降，反应速率逐渐变慢，直到到达反应末期，反应速率接近于零。
因此，计算反应速率需要根据反应物和产物的增减量对时间的变化进行测量。
其中，反应速率与反应温度、浓度、催化剂等因素密切相关。
生物化学反应动力学生物化学反应动力学主要研究反应速率与反应浓度、反应温度、催化剂等因素之间的关系，同时也探讨反应机理。
反应数学模型在研究反应动力学时，通常需要建立数学模型，以便进行反应速率的计算。
最常见的模型是以下两种：1. 零级反应模型零级反应模型指的是反应速率与反应物浓度无关的反应。
其反应速率公式为：速率 = k其中，k为反应速率常数，表示单位时间内反应物分子最小浓度的变化。
零级反应模型在反应物浓度较低时较为适用。
2. 一级反应模型一级反应模型指的是反应速率与反应物浓度成正比的反应。
其反应速率公式为：速率 = k[A]其中，[A]为反应物浓度，k为反应速率常数，表示单位时间内反应物分子浓度减少一半的变化。
一级反应模型在反应物浓度较高时较为适用。
反应速率常数反应速率常数是表示单位时间内反应物分子浓度减少的量的常数。
它不仅受到反应物浓度的影响，还受到反应温度、催化剂等因素的影响。
一般来说，反应温度越高，反应速率常数越大；催化剂可以促进反应，并降低反应活化能，因此也会增加反应速率常数。
反应活化能与催化剂反应活化能是指反应单元组成的反应物在化学反应中需要克服的能量。
在反应过程中，反应物要从初态向终态过渡需要克服一个能垒，此过程需要利用外部能量如热能和光能来提供能量。
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。
