生物反应工程基础1

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 的形成不会降低CS （2）不考虑双倒数法（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Sm C r K r r 111maxmax+=S C r 1~1QP B A +→+PE ES +←ES S E ⇔+P E ES +→0=dt dC ES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。

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。

名词解释1，返混:不同停留时间的物料的混合。

2，双膜理论:作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。

一种关于两个流体相在界面传质动力学的理论3，构象改变:在分子生物学里，一个蛋白质可能为了执行新的功能而改变去形状；每一种可能的形状被称为构象，而在其之间的转变即称为构象改变。

4，分配效应:分配的马太效应（Matthew Effect），是指好的愈好，坏的愈坏，多的愈多，少的愈少的一种现象。

5，酶的固定化技术:酶固定化技术是通过物理或化学的方法将酶连接在一定的固相载体上成为固定化酶，从而发挥催化作用。

固定化后的酶在保持原有催化活性的同时，又可以同一般催化剂一样能回收和反复使用，可在生产工艺上实现连续化和自动化，更适应工业化生产的需要。

6，结构模型:就是应用有向连接图来描述系统各要素间的关系，以表示一个作为要素集合体的系统的模型.7，固定化酶:水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水的但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。

在催化反应中以固相状态作用于底物。

8，停留时间:又称寄宿时间，是指在稳定态时，某个元素或某种物质从进入某物到离开该物所度过的平均时间。

9，恒化器：一种微生物连续培养器。

它以恒定的速度流出培养液，使容器中的微生物生长繁殖始终低于最快生长速度。

这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。

而恒浊器反映的是细胞浊度（浓度）的恒定。

10，恒浊器：一种连续培养微生物的装置。

可以根据培养液中的微生物的浓度，通过光电系统观控制培养液的流速，从而使微生物高密度的以恒定的速度生长。

11，生物反应工程：一个由生物反应动力学与化学反应工程结合的交叉分支学科。

着重解决不同性质的生物反应在不同型式的生物反应器中以不同的操作方式操作时的优化条件12，连续灭菌：就是将配制好的培养基在通入发酵罐时进行加热,保温，降温的灭菌过程，也称连消。

13，间歇灭菌：在100℃条件下，灭菌30分钟，间隔24小时再重复操作三次。

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。

实验一辣根过氧化物酶的活力测定及过氧化物酶的动力学参数测定一、目的1. 掌握辣根过氧化物酶的活力测定方法；2. 学会酶的动力学参数的测定方法；掌握Hanes作图法。

3. 学会可调微量进样器的结构及使用；4. 了解分光光度计仪器的使用。

二、原理过氧化物酶催化以下反应：2H2O2→O2+2H2O这一类酶以铁卟啉为辅基，所以属血红素蛋白质类(hemeproteins)。

过氧化物酶在生物界分布极广，在细胞代谢的氧化还原过程中起重要的作用。

辣根过氧化物酶(horse radish peroxidase，简称HRP，EC．1．11．1．７)是植物中研究得最深入的一种过氧化物酶，早在20世纪30年代就有人着手从辣根中分离此酶，以后又制备出结晶。

随着酶标技术的发展，作为标记酶，辣根过氧化物酶是目前使用最普遍的一种酶，它的标记物既能用于定位检测，也能用于定量测定。

因此研究辣根过氧化物酶的动力学性质很有实际意义。

是一种含亚铁血红素的蛋白质，M r在40 000左右，等电点7.2 溶于水，溶解度为5％(W／W)，溶液呈棕红色，透明。

HRP可溶于０.58饱和度以下的硫酸铵溶液，而0.62饱和度以上则不溶。

本实验以愈创木酚（邻甲氧基苯酚）和H2O2为底物，过氧化物酶H2O2放出新生态氧使无色的愈创木酚氧化成红棕色的四邻甲氧基连酚，反应式如下：过氧化物酶活力的大小在一定范围内与产物颜色的深浅呈线性关系，该产物在470nm处有最大的光吸收，故可通过测定A470的变化以测定过氧化物酶的活力。

一般以引起1min内0.001吸广度值的变化量为一个酶活力单位U。

酶促反应速率与各种因素有关，如底物浓度、酶浓度、温度等。

酶的底物与酶促反应速率的一般符合Michaelis-Menten方程，即][][max S m K S r r +∙=式中： r ——反应速率（μmol/L ·min -1）r max ——最大反应速率（μmol/L ·min -1）[S]——底物浓度（mol/L ） K m ——米氏常数（mol/L ）将Michaelis-Menten 方程的形式加以变换，可以得到多种方程。

生物反应工程试题答案解析一、选择题1. 生物反应器中，通常用于好氧微生物培养的是哪种气体？A. 氧气B. 氮气C. 二氧化碳D. 氩气答案：A解析：在生物反应器中，好氧微生物需要氧气来进行呼吸作用，因此通常使用的气体是氧气。

氮气、二氧化碳和氩气在好氧微生物培养中不是必需的。

2. 下列哪种微生物代谢方式属于厌氧代谢？A. 硝化作用B. 反硝化作用C. 光合作用D. 有氧呼吸答案：B解析：反硝化作用是一种厌氧代谢过程，其中微生物将硝酸盐还原为氮气。

硝化作用是好氧微生物将氨转化为硝酸盐的过程。

光合作用是植物、藻类和某些细菌利用光能将二氧化碳转化为有机物的过程。

有氧呼吸是大多数生物在氧气存在的条件下进行的能量获取过程。

3. 在生物反应工程中，哪个参数是影响细胞生长和产物形成的关键因素？A. 温度B. pH值C. 氧气供应D. 所有以上选项答案：D解析：在生物反应工程中，温度、pH值和氧气供应都是影响细胞生长和产物形成的关键因素。

适宜的温度可以保证酶的活性和细胞的代谢活动，pH值影响酶的活性和微生物的生长环境，氧气供应对于好氧微生物的生长至关重要。

4. 以下哪种培养基成分不适合用于培养大肠杆菌？A. 蛋白胨B. 酵母提取物C. 氯化钠D. 葡萄糖答案：C解析：氯化钠通常用于培养基中以调节渗透压，但高浓度的氯化钠对大肠杆菌等许多微生物是有毒的，因此不适合用于培养大肠杆菌。

蛋白胨、酵母提取物和葡萄糖是常用的营养物质，可以提供碳源和氮源，促进大肠杆菌的生长。

二、填空题1. 在生物反应器的设计中，通常需要考虑的三个主要因素是________、________和________。

答案：温度、pH值、氧气供应解析：生物反应器的设计需要考虑多种因素，其中温度、pH值和氧气供应是影响微生物生长和产物形成的三个主要因素。

2. 微生物代谢可以分为________和________两种类型。

答案：好氧代谢、厌氧代谢解析：微生物代谢根据氧气的需求可以分为好氧代谢和厌氧代谢两种类型。

《生物反应工程》课程笔记第一章绪论1.1 定义、形成与展望生物反应工程，简称BRE（Bioreaction Engineering），是一门应用化学工程原理和方法，研究生物反应过程和生物系统的科学。

它涉及到生物学、化学、物理学、数学等多个学科，是一门典型的多学科交叉领域。

生物反应工程的研究对象包括微生物、细胞、酶等生物催化剂，以及它们在生物反应器中的行为和相互作用。

生物反应工程的形成和发展与生物技术的快速崛起密切相关。

生物技术是指利用生物系统和生物体进行物质的生产、加工和转化的技术。

随着生物技术的不断发展，生物反应工程逐渐成为生物技术领域的一个重要分支，为生物制品的生产提供了重要的理论支持和实践指导。

展望未来，生物反应工程将继续在生物技术领域发挥重要作用。

随着科学技术的进步和生物产业的发展，生物反应工程将不断完善和发展，为人类的生产和生活带来更多的便利和福祉。

特别是随着合成生物学、系统生物学等新兴学科的发展，生物反应工程将面临新的机遇和挑战，有望在生物制造、生物医药、生物能源等领域取得更大的突破。

1.2 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容包括以下几个方面：（1）生物反应动力学：研究生物反应过程中反应速率、反应机理和反应物质量的变化规律。

包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、细胞反应动力学等。

（2）生物反应器设计：根据生物反应的特性和要求，设计合适的生物反应器，使其能够高效、稳定地进行生物反应。

包括反应器类型的选择、反应器尺寸的确定、反应器内部构件的设计等。

（3）生物反应器操作：研究生物反应器中生物反应的运行规律，优化操作条件，提高生物反应的效果。

包括分批式操作、流加式操作、连续式操作等。

（4）生物反应器优化：通过对生物反应器的设计和操作进行优化，提高生物反应的产率和质量。

包括过程优化、参数优化、控制策略优化等。

（5）生物反应器控制：研究生物反应过程中的控制策略和方法，实现对生物反应过程的稳定控制。

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（）。

生物反应工程知识点总结生物反应工程是一门交叉学科，结合了生物学、化学工程和生物化学等多个学科的知识，旨在利用微生物、酶和其他生物体系进行生产、治疗和环境保护等方面的工程应用。

生物反应工程在农业、食品工业、医药、环保等领域具有广泛的应用价值。

本文将围绕生物反应工程的基本概念、发展历程、相关技术和应用领域等方面进行总结。

一、基本概念1.生物反应生物反应是生物体在特定条件下对外界刺激产生的一系列生化反应的总称。

生物反应包括呼吸、发酵、光合作用等，这些反应都是生物体为了维持生命活动而进行的基本生化过程。

2.生物反应工程生物反应工程是利用生物体系进行生产、治疗和环境保护等方面的工程应用的学科。

它主要研究生物反应的基本原理、工程方法和技术手段，旨在发展出高效、经济、环保的生化工艺和技术。

3.微生物微生物是一类单细胞生物，包括细菌、真菌、藻类等。

它们在生物反应工程中扮演着重要的角色，可以用于生产酶、抗生素、酒精等化学品，也可以用于处理废水、废气和固体废弃物。

4.酶酶是生物反应中的一种催化剂，可以促进生化反应的进行，具有高效、特异性和温和的特点。

在生物反应工程中，酶的应用范围非常广泛，如制糖、酿酒、生物柴油生产等方面都有重要应用。

二、发展历程生物反应工程作为一个新兴的交叉学科，其发展经历了以下几个阶段：1.早期阶段生物反应工程的萌芽可以追溯到19世纪末20世纪初。

当时，人们开始意识到微生物在发酵过程中的重要作用，并开始尝试利用微生物制备酒精、乳酸和醋等产品。

2.发展阶段20世纪50年代后，随着生物技术的发展，生物反应工程逐渐形成了自己的理论体系和技术手段。

在这一阶段，人们开发了大量的酶工程和发酵工程技术，并将其应用于制药、食品、农业等领域。

3.成熟阶段近年来，随着基因工程、蛋白工程等技术的不断进步，生物反应工程进入了一个快速发展的阶段。

人们可以通过改变微生物菌种的遗传信息，使其具有更高的产酶性能，从而实现高效生产。