生物反应工程 第五章 生物反应动力学
生物反应工程重点
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。
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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。
生物反应工程原理
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
生化工程5 细胞反应动力学
（三）、得率系数
基质消耗对细胞的得率 Yx/s 氧消耗对细胞的得率 Yx/o 基质对代谢产物的得率 Yp/s ATP对细胞的得率 YATP 在分批培养时，某个时刻的得率系数一般不能视 为常数。
第二节 细胞生长动力学
一、无抑制的细胞生长动力学 ——Monod方程
微生物的生长速度：
μ＝f(s,p,T,pH,……,)
研究对象 分子水平动力学：酶反应动力学 细胞水平动力学：细胞反应动力学（包括细胞生 长动力学、反应基质消耗动力学和代谢产物生成 动力学等） 群体动力学：废水处理动力学
模型的简化
1、细胞体系特点 细胞的生长、繁殖和代谢是一个复杂的生物化学 过程。该体系具有多相、多组分、非线性的特点。 多相指的是体系内常含有气相、液相和固相。 多组分是指在培养液中有多种营养成分，有多种 代谢产物产生，在细胞内也有具有不同生理功能 的大、中、小分子化合物。 非线性指的是细胞的代谢过程通常需用非线性方 程来描述。
Monod研究了基质浓度与生长速度的关系 ———Monod方程(1949)
1.2 V1m 0.8
1.2 V1m 0.8 0.6 V m/2 0.4 0.2
V
μ 0.6
V m/2 0.4 0.2 0
V
Ks m 0K 200
0
400 S 600
800
1000
0K m
200
400 S 600
800
1000
均衡生长：细胞生长过程中，细胞内各种成分均 以相同的比例增加。
非均衡生长：各组分的合成速率不同而使各组分 增加的比例也不同。
第四，如果将细胞作为与培养液分离的生物相 处理所建立的模型称为分离化模型，一般在细 胞浓度很高时常采用此模型，在此模型中需要 说明培养液与细胞之间的物质传递作用。如果 把细胞和培养液视为一相（液相），则在此基 础上所建立的模型为均一化模型。
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。
生物反应工程原理总复习
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)
生物中的化学反应动力学
生物中的化学反应动力学随着科学技术的发展，我们对生命的认知也越来越深刻。
其中，生物化学反应动力学是研究化学反应速率和机理的重要分支，它不仅关注生物大分子的性质，还探讨了许多生命过程中的本质。
本文旨在介绍一些关于生物中的化学反应动力学的概念、原理和应用，进一步探索其背后的奥秘。
概念与原理生物中的化学反应动力学是指研究生物分子间相互作用的速率和机理。
其中，生化反应的速率由一系列因素决定，如反应物浓度、温度、催化剂、酶活性等。
为了更好地理解这些过程，我们需要掌握以下基本概念和原理。
1. 酶催化：生物体内的化学反应都是由酶催化完成的。
酶通常是大分子蛋白质，具有特定的立体构象和活性中心。
它们可以加速化学反应的速率，使得反应更快、更精准。
2. 反应速率：反应速率是指化学反应的进程快慢程度。
它取决于反应物与溶液中其他分子的碰撞概率，具有较高的浓度、温度、压力和化学反应时限等因素，都能对反应速率造成影响。
3. 反应平衡常数：反应平衡常数可以衡量一个反应体系中，反应物和生成物之间达到平衡的相对浓度。
对于一般的热平衡反应，平衡常数等于生成物浓度乘积与反应物浓度乘积的比值。
应用与实例生物中的化学反应动力学不仅仅是理论上的内容，它还有着广泛且重要的应用。
在生命科学研究、医学卫生、生物工程等领域，都有着它深刻的影响。
接下来，我们将举几个例子来说明它的应用价值。
1. 酶动力学研究：酶催化是生物体内化学反应的重要机制，而酶动力学研究正是探讨酶催化机理的重要分支。
在这方面的研究，可以帮助我们更好地理解酶的三维构象、催化中心和反应机制等关键内容，同时也对生物化学反应动力学有着深刻的启发意义。
2. 药物反应动力学研究：化学药物在生命体内的代谢过程也是一个生物化学反应动力学的过程。
探究药物代谢的动力学特征和代谢物的生成量、消失量及半衰期等数据，可以有助于评估药物的药效、毒性和药代动力学等方面，从而说明它的治疗作用和适应症。
3. 生物工程制剂的生产：在现代生物工程制剂的生产过程中，同样需要运用化学反应动力学的原理和实践。
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》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。
生物化学反应的动力学
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的数值模拟分析
生物化学反应动力学的数值模拟分析生物化学反应动力学是研究化学反应速率与反应机理的科学领域。
在生命科学和生物工程领域，生物化学反应动力学的研究对于探索生物体内的生物化学过程、制药工艺的优化、基因工程以及新药发现等方面具有重要的意义。
为了有效地研究复杂的生化系统，数值模拟是一种非常有效的方法。
数值模拟是指利用计算机数值计算方法，对实际问题进行模拟和计算的过程。
随着计算机技术的发展，数值模拟已经成为生物化学反应动力学研究的重要手段。
数值模拟可以通过各种数学方法模拟复杂系统，同时可以快速地测量、收集和分析大量的数据。
在生物化学反应动力学研究中，数值模拟可以帮助研究者深入理解生物化学反应的机理，为生物医学研究、药物开发、能源生产和环境保护等领域提供理论基础。
数值模拟的方法包括了物理模型、数学模型和组分模型等。
其中，数学模型是生物化学反应动力学研究的核心，通过数学方法将生化反应体系转化为数学模型，从而可以通过计算机进行模拟。
目前，生物化学反应动力学研究中常用的数学模型包括了常微分方程、偏微分方程、分形几何和网络模型等。
生物化学反应动力学的数值模拟需要确定反应动力学参数，其中包括反应速率常数、反应限制因子、多项式系数和边界条件等。
这些参数的获取需要通过实验或者历史数据进行确定。
与此同时，数值模拟还需要考虑反应体系的复杂性和非线性特性。
生物化学反应动力学的数值模拟可以被用于计算丰度分析、动力学分析以及生化制剂的仿真研究等方面。
在丰度分析中，研究者可以通过模拟生物化学反应过程，了解生物体内化合物的丰度分布情况。
在动力学分析中，研究者可以通过模拟生物化学反应过程，了解生物体内反应物的浓度变化情况，以及反应速率的变化规律。
在药学领域，数值模拟可以帮助研究者模拟药物在人体内的药代动力学过程，从而预测药物吸收、代谢和排泄等参数，优化药物的治疗效果。
总之，生物化学反应动力学的数值模拟在生物化学研究和生物医药领域中具有非常重要的作用。
生物反应工程基本内容
生物反应工程基本内容生物反应工程是一门综合应用生物学、化学、工程学等多学科知识，对生物体进行利用和改造的学科。
它主要研究利用微生物、酶和细胞等生物体进行生物转化过程的优化和控制，以达到工业生产的需求。
生物反应工程的基本内容包括：1. 微生物培养与酶工程：生物反应工程的基础是对微生物的培养和酶的研究。
通过优化培养基的配方、培养条件的控制以及酶的筛选和改造等手段，提高微生物和酶的产量和活性，以满足工业生产的需要。
2. 反应器设计与工艺优化：生物反应器是进行生物反应的关键设备，其设计和优化对反应效果有着重要影响。
通过研究反应器的物质传递、能量转化和动力学等特性，确定最佳的反应器类型、参数和运行条件，以提高反应效率和产量。
3. 代谢工程与基因工程：代谢工程是通过改造生物体的代谢途径和调控基因表达，使其产生特定的化合物或物质。
基因工程则是通过改变生物体的基因组，引入新的基因或改变现有基因的表达，以增强其产物合成能力。
这些技术在生物反应工程中被广泛应用，用于提高产量、改善产物质量和调控代谢途径。
4. 应用于生物药物生产：生物反应工程在生物药物生产中有着广泛的应用。
通过选择合适的生产菌株，优化培养条件和生产工艺，可以实现大规模的生物药物的生产。
此外，生物反应工程还可以用于生物药物的质量控制和产物纯化等环节。
5. 生物过程监测与控制：生物反应工程中，对生物体内部代谢过程的监测和控制是至关重要的。
通过建立合适的传感器和监测系统，可以实时监测关键参数如温度、pH值、氧气浓度和代谢产物浓度等。
同时，通过建立反馈控制系统，实现对反应过程的自动调节和优化。
总之，生物反应工程是一门涉及多学科知识的学科，通过优化微生物、酶和细胞等生物体的利用和改造，以实现工业生产的需求。
它不仅在生物药物生产中有着重要的应用，还可以用于环境保护、农业生产和能源开发等领域。
随着科技的不断进步，生物反应工程的研究与应用前景将越来越广阔。
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CH1.8O0.5N0.2
We postulate(假定) one mole of biological material would be defined as the amount containing one mole of
carbon, such as, CHON
Consider the following simplified biological conversion
And most measured values of YX/S for aerobic growth on glucose are 0.38~0.51 g DW/g glucose. 以葡萄糖为唯一碳源时的好氧发酵过程，
YX/S = 0.38~0.51 g DW/g 葡萄糖
14
§2 细胞生长动力学概述
小分子 合成代谢
大分子
分解代谢 —— 营养物的降解
C源 N源 P源 S源
分解代谢
小分子 能量
培养基
代谢产物
4
➢ 培养基组成 = 营养物的降解
细胞为了生长和繁殖，必须消耗培养基中的营养成
分用于合成细胞壁，蛋白质，酶，脂肪等物质源
Element
Carbon (C) Nitrogen (N)
d MWproduct 1 MWsubstrate
YX
ATP
amount of biomass synthesize d moles of ATP generated
Anaerobic conditions 厌氧条件
Aerobic conditions 有氧条件
Heterotrophic(异养的) growth: YX/ATP=10~11 gDW/ATP Autotrophic（自养的）growth: YX/ATP=6.5 gDW/ATP
结构模型
最理想的模型
非
分 将细胞种群看成
离 是均一单一组分
模 型
的溶质
“Balance growth”
(Approximation)
Multicomponent(多成 分的) average cell description
“Average cell” (Approximation)
“Average cell” (Approximation)
in which no extracellular(胞外的) products other than
H2O and CO2:
CHmOn + a O2 + b NH3
c CHON + d H2O + e CO2
where CHmOn : 1mole of carbohydrate(碳水化合物); CHON : 1mole of cellular material.
10
CHmOn + a O2 + b NH3
c CHON + d H2O + e CO2
Simple elemental balances on C, H, O and N yield the following equations:
C 1ce H m 3b c 2d O n 2a c d 2e
营养成分 底物 产物
热量
机械 相互作用
细胞体 多组分 细胞异质性 多反应体系 受基因调控 自适应 随机性 遗传不稳定性
细胞消耗营养成分，将培养环境中的底物转化为产物。
细胞在生命活动中产生热量，与此同时，通过设置培养环境的温 度控制细胞的生长或产物合成。
细胞生长、增殖和代谢产物的积累，使培养环境的流变学性质(固 含量、粘度)发生改变，细胞与培养环境之间的机械相互作用趋于 明显，对于动物细胞培养过程的影响尤为显著。
决定细胞反应动力学的主要因素、现象及其相互关系
培养环境
细胞体
多组分
多组分
在 细液胞相生反长应的过程中，包含两个相互作用的 系细统胞：异质性
酸碱平衡
多反应体系
pH, T等变化
培液养体环流境变学变化
受基因调控
自适应细胞体
多相 (气、固、液)
随机性
空间的非均一性
遗传不稳定性
17
培养环境 多组分 液相反应 酸碱平衡 pH, T等变化 液体流变学变化 多相 (气、固、液) 空间的非均一性
分 离 模 型
Single component heterogeneous ( 不
同个体)individual
“Balance growth”
(Approximation)
cells
将细胞种群看成是 多组分多种群的生
物系统
最接近现实的模型
23
符号定义
rX
dX dt
生长速率 (kg m-3 h-1)
N b c
The respiratory quotient(呼吸商):
RQ
e a
which denotes the moles of carbon dioxide (CO2) produced per moles of oxygen (O2) consumed. It provides an indication of metabolic(代谢的) state, and can be used in process control.
11
(b) Other Definitions(定义)
➢ The yield coefficients得率系数
YX S
X S
biomass produced mass of substrate consumed
c MWcell 1 MWsubstrate
YP S
P S
amount of product mass of substrate consumed
18
§3 生长动力学的定量描述
对发酵过程的动力学描述不仅对于理论研究很有用，而且能应用 于实际优化发酵过程和反应器的设计之中.
对研究系统中的各变量变化过程进行数学描述.
平衡方程
(物料衡算, 能量衡算)
反应速率方程 (传质, 细胞和产物合成速率、底物的消耗速率)
热力学
(状态方程, 亨利定理)
19
6
➢ Cell Growth And Energy Release
Energy obtained from environment is stored and shuttled(运送) in high-energy intermediates, such as ATP
The cell uses this energy to perform three types of
VR dt
20
流入速率与流出速率:
where F ─ 体积流量 ( m3· h-1 ) FX ─ 质量流量 ( kg· h-1 ) V ─ 反应器体积 (m3)
合成速率与消耗速率: 细胞合成速率 = rX ( kg· m-3· h-1 ) 产物合成速率 = rP ( kg· m-3· h-1 ) 底物消耗速率 = rS ( kg· m-3· h-1 )
下标, i or o, 表示流入(input)或流出(output)反应器的变量.
21
动力学模型
对细胞生长过程的不同理解产生了不同的动力学模型
非结构模型
结构模型
非
分
离
是否分别描述细胞的各种组成成分
模
型
分 离
是否将细胞看成是均一的种群
模
型
22
对细胞生长过程的不同理解产生了不同的动力学模型
非结构模型
rS
dS dt
底物消耗速率 (kg m-3 h-1)
rP
dP dt
产物合成速率 (kg m-3 h-1)
dX Xdt
比生长速率 (h-1)
qS
dS Xdt
底物比消耗速率 (h-1)
qP
dP Xdt
产物比合成速率 (h-1)
24
细胞生长动力学 (X)
细胞反应动力学
产物合成动力学 (P)
底物消耗动力学 (S)
work:
1. Chemical synthesis of large or complex molecules;
2. Transport of ionic and neutral(中间的) substrates into or out of the cell or its internal organelles(细胞器);
NAD: Nicotinamide Adenine Dinucleotide烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
NADH: Phosphorylated form of NAD
H HO
C
HC
C C NH2 + H+
HC CH
N R
NADH
+ 2H+ - 2H+
H
O
C
HC
C C NH2
HC CH
N R
NAD
8
(II) 化学计量学 得率系数
3. Mechanical(机械的) work required for cell division and motion.
All these processes are, by themselves,
nonspontaneous(非自发的), and result an increase of
free energy of the cell. Consequently(同时), they occur
Some parameters(参数) are nearly the same irrespective(无关的) of the species or substrate involved: