生物反应工程第1章
生物反应工程原理
第一章绪论1、生物反应工程的定义Definition of Bioreaction Engineering生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。
是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。
以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及优化原理等化学工程方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。
“个别的学问knowledge of individ uation”，解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁而变化。
具体的技术可以用记述的方法来表现。
研究一般化方法的学问，具有超越时代的持续性和普遍性，内容是抽象的。
抽象的方法除表现为数学的使用外，更重要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。
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；生物技术的特点多学科、多技术的结合多学科性:生物催化剂:建立工业生产过程:生物技术最后的目的是建立工业生产过程或进行社会服务，称为生物反应过程（bioprocess）。
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……。
生物反应工程
⽣物反应⼯程第⼀章1、⽣物反应⼯程定义：⽣物反应⼯程是⼀门以研究⽣物反应过程中带有共性的⼯程技术问题的学科2、⽣物反应⼯程研究的内容：它以⽣物反应动⼒学为基础，将传递过程原理、设备⼯程学、过程动态学及最优化原理等化学⼯程学⽅法与⽣物反应过程的反应特性⽅⾯的知识相结合，进⾏⽣物反应过程分析与开发，以及⽣物反应器的设计、操作和控制等。
⽣物反应⼯程主要研究⽣物反应过程中带有共性的⼯程技术问题。
第⼆章：1、根据酶所催化的反应类型可以将酶分为六⼤类2、酶的不同形式：单体酶(monomeric enzyme) 寡聚酶(oligomeric enzyme) 多酶体系(multienzyme system) 多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)3、辅酶 (coenzyme):与酶蛋⽩结合疏松，可⽤透析或超滤的⽅法除去。
辅基(prosthetic group):与酶蛋⽩结合紧密，不能⽤透析或超滤的⽅法除去。
4、酶的活性中⼼：或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。
5、酶促反应的特异性相对和绝对酶的特异性：⼀种酶仅作⽤于⼀种或⼀类化合物，或⼀定的化学键，催化⼀定的化学反应并⽣成⼀定的产物。
酶的这种选择性称为酶的特异性或专⼀性。
绝对：酶只作⽤于特定结构的底物，进⾏⼀种专⼀的反应，⽣成⼀种特定结构的产物相对：酶作⽤于⼀类化合物或⼀种化学键。
6、酶促反应的机理，两个学说（⼀）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进⽽相互结合。
（⼆）锁钥学说：特指对酶反应机制的⼀种描述。
底物与酶结合形成复合体，酶上的结合部位(即活性部位)在结构上与底物互补以致底物与酶吻合，正如钥匙和锁吻合⼀样。
7、⽶⽒⽅程及意义：⽅程：v=Vmax×[S]/（Km+[S])，当 = 1/2 Vm，Km = [S]意义：Km 可以近似地代表E与S的亲和⼒Km越⼩，代表E与S亲和⼒越⼤8、抑制的类型概念：抑制剂与酶活性中⼼必需基团共价结合，不能⽤透析、超滤等物理⽅法将其除去分类：可逆性抑制（竞争性抑制作⽤、⾮竞争性抑制作⽤、反竞争性抑制作⽤）不可逆抑制（专⼀性抑制[巯基酶抑制剂，丝氨酸酶抑制剂]、⾮专⼀性抑制剂）9、动⼒学特点第三章：1、酶在⾷品⽅⾯的应⽤级举例⽣物技术在⾷品⼯业中应⽤的代表就是酶的应⽤，⽬前已经有⼏⼗种酶成功⽤于⾷品⼯业。
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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。
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》PPT课件
本课程重点讨论酶催化反应过程和细胞反应过程。
生物反应工程的研究对象和内容
研究对象：各种各样的实际生物反应器。 研究涉及两个方面： 1. 反应器的设计: 根据生产和处理任务要求，设计一个新的反器。 2. 反应器的优化: 对一现有反应器，通过优化使其生产处理能力最
摇瓶
典型生物反应过程
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 工艺过程称为生物反应过程。
典型的生物反应过程：
包括四个部分：(1)原材料的预处理。(2)生物催化剂的制备。 (3) 生化反应器及反应条件的选择与监控。 (4)产物的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心。而分别把反应前与后称为上 游加工和下游加工。
应环境以达到反应较好进行的目的。因此，反应器的确结构、操作方式和条 件对反应原料的转化率、产品的质量和成本有着密切关系。同时反应参数的 检测和控制对反应的顺利进行也是十分重要的。
产物的分离纯化： 用适当的方法和手段将一定含量的目的产物从反应液中提取出来并加以
精制以达到规定的质量要求。
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生物反应过程的分类
生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。例如对 酶催化反应，反应动力学可表达为分子水平动力学；对微生物发酵反应， 其动力学可在细胞水乎上来表达，对废水的生物处理，则可表达为群体 动力学。每一表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力 学处理方法。
生物反应器的研究内容：
(1)生物反应器中的传递特性。传递特性即传质、传热及动量。这些传递特 性将影响到反应器内基质和产物的浓度分布及温度分布，进而影响到反应器 内某一组分的反应运率。例如氧在发酵液中的传质速率，固定化酶颖粒及菌 丝团和菌体絮状物内反应组分的扩散传质，这些传质速率对反应结果都会产 生一定的影响，甚至成了反应过程的控制步骤。这些传递因素最终将影响到 反应器的设计和放大。
《生物反应工程》课程笔记
《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1
rP= rP( cS , cE0 , k+2 , m )
动力学特征与参数求解
动力学常数的意义： 动力学常数的意义： （1）Km 底物浓度决定反应的级别； 底物浓度决定反应的级别； Km为反应速度是最大反应速度一半时半的底物浓度； 为反应速度是最大反应速度一半时半的底物浓度； Km表示酶与底物亲和力的大小。 表示酶与底物亲和力的大小。 （2）rP,max 以最大反应速度表示酶反应的效率， 初始酶浓度与温 以最大反应速度表示酶反应的效率，与初始酶浓度与温 度条件有关 动力学常数的求取：L-B等方法 动力学常数的求取： 等方法
产物抑制酶反应
E+S
k +1 k −1
[ES ]
k +3 k −3
k +2 2
E+P
E+ P
[EP ]
rmax cS rS = cP K m 1 + K + cS P
K P 为抑制剂的解离常数
属底物与产物竞争酶活性中心的竞争性抑制反应； 属底物与产物竞争酶活性中心的竞争性抑制反应； 竞争性抑制反应 底物与产物的相对浓度决定反应速率
底物抑制酶反应
E+S
k +1 k −1
[ES ]
k +3 k −3
k +2
E+P
S+ [ES ]
[SES ]
rSS
rmax = Km cS 1+ + cS K SI
drSS dc S
=0
c S ,max
c S ,max = K m K SI
最大反应速率由底物浓度决定； 最大反应速率由底物浓度决定； cs,max取决于动力学常数的数值
生物反应工程原理 一二八九章
第一章绪论生物反应工程：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。
其实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。
生物反应工程（Bioreactor Engineering）是一门以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应工程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。
一、生物反应过程应由四部分组成：1.原材料的预处理原材料的选择，必要的物理与化学方法加工，培养基配制和灭菌2.生物催化剂的制备菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中的纯化、固定化等3.生物反应器及反应条件的选择与监控反应器的结构、操作方式和操作条件，反应参数的检测与控制4.产品的分离纯化用适当的方法和手段将含量甚少的目的产物从反应液中提取出来并加以精制以达到规定的质量要求二、生物反应过程的特点：1.是一门综合性学科2.采用生物催化剂3.采用可再生资源为主要原料4.与一般化工产品生产相比，其生产设备比较简单，能耗较低三、生物反应过程的分类：①酶的反应过程：采用游离或固定化酶为催化剂反应。
②细胞反应过程：采用活细胞为催化剂时的反应过程，包括一般微生物细胞发酵反应过程、固定化细胞反应过程和动植物细胞培养过程。
③废水的生物处理过程：利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污浊物质的过程。
四、生物工程与生物反应工程①生物反应工程的上游加工：最重要的生物催化剂（包括菌株、酶、及其固定化）的制备。
掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性，解决大规模种子培养或固定化催化剂制备以及如何在无菌情况接种。
②生物反应器：存在着物料的混合与流动、传质与传热等大量的化学工程问题；存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学、酶催化反应动力学、发酵液的流变学以及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性的工程技术问题；同时还包括生物反应过程的参数检测和控制。
生物反应工程-化学反应工程
得率系数
研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律， 常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物 的潜力进行定量评价。例如：
生成细胞的质量 X 细胞得率 Yx/c= 消耗基质的质量 S
生物反应器的设计、优化与放大
生物反应器是使生物技术转化为产品 生产力的关键设备，使用高效率生物反应 器的目的是提高产品生成速率，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。
2 反应工程的用途、作用
反应动力学
反应模式 速率方程 活化能
反应器的设计与分析
各因素（T, P, c）的变化规律 最佳工况
研究目的：
提供适宜的动力学方程，以描 述微生物（酶、动植物等）反应体 系，确定这些方程在设计方面的用 途，规划实验室的实验，决定动力 学方程所需的速率常数。
1.2生物反应工程的发展过程
21世纪高等院校 —生物工程类
生物反应工程
Bioreation Engineering
李敬
第一章 绪论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 生物反应工程的研究目的 生物反应工程的发展过程 生物反应工程的主要内容 生物反应工程的研究方法 思考题
1.1生物反应工程的研究目的
生物技术产品生产过程
生物催化剂 - enzyme - microbioass - animal and plant cell
1979年，日本山根恒夫《生物反应工 程》，生物反应工程是一门以速率为基础， 研究酶反应、微生物反应及废水处理过程 的合理设计、操作和控制的工程学。 1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生 物反应工程的研究应当包括两个方面，一 是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理 之间的相互关系；二是生物反应器工程， 它主要涉及不同的反应器对生物化学和物 理过程的影响。
生物反应工程第二版课后习题答案
生物反应工程第二版课后习题答案生物反应工程第二版课后习题答案生物反应工程是一门研究利用生物体进行工程化生产的学科，它涉及到生物体的生理学、微生物学、化学工程学等多个学科的知识。
生物反应工程的目标是通过合理设计和优化反应条件，提高生物体的生产能力和产物质量，从而实现高效、可持续的生产。
在学习生物反应工程的过程中，课后习题是检验学生对知识掌握程度的重要方式。
下面是《生物反应工程第二版》课后习题的答案，供大家参考。
第一章：生物反应工程概述1. 生物反应工程是一门研究利用生物体进行工程化生产的学科。
2. 生物反应工程的目标是通过合理设计和优化反应条件，提高生物体的生产能力和产物质量。
3. 生物反应工程涉及到生物体的生理学、微生物学、化学工程学等多个学科的知识。
第二章：微生物生长动力学1. 微生物生长动力学是研究微生物生长和代谢的数量关系的学科。
2. 在生物反应工程中，通常使用生长速率方程来描述微生物生长的动力学过程。
3. 常见的生长速率方程有Monod方程、麦克斯韦方程等。
第三章：反应器设计与操作1. 反应器是进行生物反应工程的核心设备，其设计与操作对反应过程的效果有重要影响。
2. 常见的反应器类型有批式反应器、连续流动反应器、气液循环反应器等。
3. 反应器的设计应考虑反应物的输送、温度、pH值等因素。
第四章：质量传递与传质过程1. 质量传递是指物质在反应器中的传输过程，包括物质的输送和扩散。
2. 传质过程对反应的速率和效果有重要影响，需要进行合理的设计和优化。
3. 常见的传质方式有对流传质、扩散传质等。
第五章：反应动力学与反应机理1. 反应动力学是研究反应速率与反应物浓度之间关系的学科。
2. 反应机理是指反应过程中发生的化学反应步骤和反应物之间的转化关系。
3. 反应动力学和反应机理的研究对于反应过程的优化和控制具有重要意义。
总结起来，生物反应工程是一门综合性学科，涉及到生物体的生理学、微生物学和化学工程学等多个学科的知识。
生物反应工程基础1_PPT幻灯片
• 1857年巴斯德 （Pasteur）证明酒精 发酵是由活酵母引起的
2
20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。 • 20世纪后期（1970～80年）生物反应工程 学科的形成。英国学者阿特金逊（1971） 首次提出生化反应工程……。 • 20世纪90年代基因工程与生物反应工程不 断融合、发展。
农业生物技术的发展
1983年转基因植物问世 ,1986年被批准进入田间试验 ,根据美 国农业部动植物检疫局 (APHIS)的数据 ,1997年 1月 31日 , 美国已批准的转基因植物田间试验达 2500多例。
转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病的甜菜， 抗腐能力强、耐贮性高的番茄
16世纪中， Robert Hooke发明显微镜。 17世纪末， Antoine van Leeuwenhoek
对于fungi, bacteria and protozoa等进行 了最早的纪录和描述。 微生物真正的突破在19世纪： o Louis Pasteur 纯种发酵 一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始： 乙醇, 乳酸, 丙酮，...
生物材料
PHAs、聚L-乳酸、壳聚糖
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
生物化学品 丙烯酰胺、手性药物前体、1，3－丙二醇
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
能源类
乙醇、甲醇、丁醇、生物柴油（脂肪酸甲酯）、甲烷、氢气
8
1.生物技术的第一阶段－－从艺术到科学
9
2. 生物技术的第二阶段－－工程化的过程
Alexander Fleming(1928)发现Staphylococcus 培养受到Penicillium notatum的抑制
《生物反应工程》课件
04
生物反应工程的应用实例
生物燃料的生产
生物燃料的生产是生物反应工程的重要应用之一。通过利用 微生物或酶，将植物油、废弃油脂、二氧化碳等转化为可再 生能源，如生物柴油和生物乙醇。
生物燃料的生产有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气 体排放，并促进可持续能源的发展。
生物塑料的生产
生物塑料是利用生物反应工程生产的 可降解塑料，具有环保、可持续的优 点。
农药的生产等。
生物反应工程的重要性
提高生产效率
通过优化生物反应过程， 可以提高生产效率，降低
生产成本。
保护环境
优化生物反应过程可以减 少废物的产生，降低对环
境的污染。
促进可持续发展
生物反应工程的进步有助 于推动可持续发展，促进 人类社会与自然环境的和
谐共生。
02
生物反应工程的基本原理
生物反应工程的基本原理
酶的生产和应用
酶是生物反应工程中的关键物质，具 有高效催化的特点。
通过微生物培养或酶的提取，可以生 产出各种酶，用于催化各种化学反应 ，如水解、酯化、氧化还原等。酶在 制药、化工、食品等领域有广泛应用 。
05
生物反应工程的未来发展
提高生物反应的效率
优化微生物菌种
通过基因工程技术对微生物菌种 进行改良，提高其代谢效率和产 物产量。
节能减排
研究节能减排技术，降低 生物反应过程中的能耗和 排放，减少对环境的负面 影响。
绿色生产
研究绿色生产技术，减少 对原材料和能源的消耗， 降低生产过程中的环境污 染，实现可持续发展。
谢谢您的聆听
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生化工程知识点
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。
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。
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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。
②酶活力的调节方式：①激素调节；②抑制剂调节；③反馈调节；④酶浓度的调节；
⑤共价修饰调节；⑥金属离子和其它小分子化合物的调节；
⑦限制性蛋白水解作用与酶活性调控
③酶还是一类多用途的催化剂，通过特殊的操作，可产生两种或更多种不同的功能的酶。
④酶的区域化和多酶复合体等都和酶的活力调节控制有密切关系
10.引起酶失活的原因：①多肽的撕裂
②酶的高级结构发生变化
③酶活性中心特定氨基酸（或其它残基）被化学修饰；
④外部环境的影响，酶活性中心出现空间障碍，使其不能与底物相结合；
确保酶活力稳定的方法：①低温，冰冻保存：化学物质或蛋白酶的侵害不易发生；
②添加一些盐类：高浓度盐类加入以后，酶的高级结构相对稳定些；
③添加底物：可以保护酶的活性中心，所以酶就稳定；
④添加有机溶剂：可以使酶分子构象的刚性增强，不容易失活；
⑤加入蛋白质：因为酶一般是蛋白质，当加入蛋白质后，蛋白酶侵害的时候，
会保护酶
⑥加入强变性剂：不是降解酶，而是使酶变性到一定程度，保留酶的一级结构，
然后去除变性剂，酶可以再生。
⑦结晶化：结晶化的酶的高级结构就容易稳定；
⑧固定化：防止或减少蛋白酶作用
⑨化学修饰：可以保护酶的活性中心，使酶的结构稳定；
11.应用范围：工业用酶、食品用酶、医药用酶
注：①酶是以活力，而不是以质量购销的②酶有不同的质量等级
③实际应用酶时需要注意，没有必要使用比工艺条件所需纯度更高的酶。
14.酶应用特点：①经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓
度较低，且为水溶液，酶学研究的目的，是探讨酶促反应的机制。
②工业上，为保证酶促反应高效率完成，常常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应需
要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时反应是在有机溶剂中进行的。
③有机底物在有机溶剂中有较大的溶解度，在有机溶剂中的酶热稳定性，和储存稳定性比在
水中有明显提高；
④在有机溶剂中，某些反应过程的热力学平衡可以向期望方向移动，可以发生水溶液中不可
能进行的反应，如脂肪酶酯交换和酯合成反应。
⑤在有机溶剂中，酶分子构象表现出比水溶液中更有刚性的特点，因而可以通过选择不同性
质的溶剂来调控酶的某些选择性。
⑥产物的分离和纯化比在水中更容易。
⑦另外酶不同于有机溶剂，因此有利于酶的回收和再利用
11.酶催化活力的定义：在一定条件下，1min能催化1µmol底物时所需要的酶量为一个国际单位（IU）。
一个kat单位定义：在最适条件下，1s催化1mol底物转化的酶量。
1kat=1mol/s=60×106 µ mol/min=6×107IU
酶的比活力：为每千克酶所具有的katal数，即katal/kg.
利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程
1.酶促反应的特征：①基于酶自身的特性，酶促反应是在常温、常压、中性范围（个别除外）条件下进行
的，与一些化学反应相比，省能，且效率较高。
②由于酶促反应的专一性，无或少有副产物生成，有利于提取操作；
③与微生物反应相比，反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制等。
不足：①酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应体系相比，在经济上并不理想。
②虽然酶促反应条件比较温和，但周期较长，易污染杂菌
③固定化酶反应体系有优于游离酶促反应体系的优点，但固定化酶并非一定就是最优
质的生物催化剂。
2.酶促反应与化学反应的主要区别：
酶促反应化学反应
①反应条件温和激烈
②反应时间较长时间短
③生物相容性好较差
④反应体积较大较小
⑤可持续性较强较差
⑥与环境友好性较强较差
3.生物化学酶促反应与工业酶促反应的异同点：
3.单底物酶促反应动力学
①米氏方程：r=(rmax*S)/(Km+S)；只适用于单底物酶促反应不存在抑制的情况。
根据酶-底物中间复合物假说，对单底物酶促反应，其反应机制可表示为：E+S↔ES→E+P
快速平衡法的三点假设：①酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完成的。
②底物浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低底物浓度[S]，底物浓
度以初始浓度计算。
③不考虑P+E→ES这个可逆反应的存在。
④[ES]在反应开始后与E及S迅速达到动态平衡
稳态法推导动力学方程的几点假设：①酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完成的。
②底物浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低底物浓度
[S]，底物浓度以初始浓度计算。
③在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+E→ES这个可逆反应的速率
极小，可以忽略不计。
④[ES]的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化
利用稳态法建立的米氏方程出现的三种情况：①当[S]<<Km时，显示出一级反应特征
②反之，当[S]>>Km时，相对[S]来说，呈零级反应特征
③当[S]接近Km时，反应体系随底物浓度而变动于零级和一级反应之间。
4.零级反应：把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应。
5.米氏常数Km的意义：①Km值代表反应速率达到Vmax/2时的底物浓度。
②Km是酶的一个特性常数，Km的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。
但
底物种类、反应温度、pH和离子强度等因素会影响Km值。
因此可以用Km值来
鉴别酶。
③Km值可以判断酶的专一性和天然底物。
④当k+2<<k-1时，Km ＝KS ，那么Km可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度
量，表示酶和底物结合的亲合力大小
米氏方程中饱和常数的倒数1/Ks可表示酶与底物亲和力的大小。
它的值越大，表示酶与底物亲和力越（√）稳态学说中所谓的稳态是指中间复合物ES的生成速率与分解速率相等，达到动态平衡。
（√）
6.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，称为抑制作用。
.
7.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。
负效应物：因别构导致酶活性降低的物质称为。
①简单酶动力学推导：主要是两种方法，即Michaelis-Menten 法和Briggs-Haldane法。
前者采用快速平衡的假设，中间产物生成速度远大于产物生成速度；后者采用稳态平衡的假设，中间复合物生成速度与产物生成速度相差不大。
（√）
②许多酶的来源均是由细胞反应过程产生。
细胞反应过程不仅仅能够提供更多的酶源，同时还可以提供我们所需的目的产物。
（√）
③酶抑制剂可分为可逆抑制与不可逆抑制两大类。
其中可逆抑制又可分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。
（√）
④竞争性抑制并不能改变酶促反应的最大反应速率。
( √)。