生物反应工程原理贾士儒

简答题

1、说明动物细胞培养反应器中流体剪切力的主要来源？ P210

主要来源为：机械剪切力、气体搅拌剪切力

2、说明固定化酶反应的Φ模数的物理意义，它与那些变量与参数有关？ P103

Φ = 表面浓度下的反应速率 / 内扩散速率

= 最大反应速率的特征值 / 最大内扩散速率的特征值 一级反应：Φ1=VPSPkV1 Φ1 = Φ1 (VP，SP，kV1，De) DeΦ与内扩散速率、反应速率、内扩散阻力、对反应速率的限制程度、有效因子η等有关，而内扩散的有效因子又和颗粒粒度、颗粒活性、孔隙率、孔径、反应温度等有关

3、哪些传递过程特性与流体流动的微观效应有关？ P223，P298 7-30，PPT P1图

4、从反应器内物料混合的角度说明反应器放大过程中传递过程特性的变化？ P235

有流体流变特性、流体剪切作用、传质特性、氧的传递、质量传递

5、说明生物反应器中对流体剪切力的估计参数有哪些？ P210

通过混合，可使反应器中物料组成与温度、pH分布更趋于均匀，可强化反应体系的传质与传热，使细胞或颗粒保持悬浮状态

(1) 宏观混合：机械搅拌反应物流发生设备尺寸环流，物料在设备尺度上得到混合，对连续流动反应器即为返混

(2) 微观混

生物反应工程的定义

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。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。

生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点： 1）反应在温和的条件下进行； 2）反应速率比化学反应过程慢很多； 3）反应的复杂性有时难于预计。 共性的基本问题： 1）反应过程的定量； 2）动力学研究； 生物反应过程的四个组成部分

①原材料的预处理及培养基的制备； ②生物催化剂的制备； ③生物反应器及反应条件的选择与监控； ④产物的分离纯化工程；

生物反应工程的研究内容 1、生物反应动力学

生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。 基本内容：

1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学； 2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术； 3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。 2、生物反应器 生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。

1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素

生物反应工程的定义

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。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。

生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点： 1）反应在温和的条件下进行； 2）反应速率比化学反应过程慢很多； 3）反应的复杂性有时难于预计。 共性的基本问题： 1）反应过程的定量； 2）动力学研究； 生物反应过程的四个组成部分

①原材料的预处理及培养基的制备； ②生物催化剂的制备； ③生物反应器及反应条件的选择与监控； ④产物的分离纯化工程；

生物反应工程的研究内容 1、生物反应动力学

生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。 基本内容：

1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学； 2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术； 3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。 2、生物反应器 生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。

1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素

1-6 试根据下列实验数据确定rmax、Km和KI值，并说明该酶反应是属于竞争性抑制还是属于非竞争性抑制。

cS×10 /(mol/L) 1.0 1.5 2.0 5.0 7.5

1-7 某一酶反应Km=4.7×10-5 mol/L，rmax=22 μmol/(L·min)，cS=2×10-4 mol/L，cI=5×10-4 mol/L，KI=5×10-5 mol/L。试分别计算在竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三种情况下的反应速率和抑制程度。

4rS0 / (μmol/(L·min)) 无抑制剂 28 36 43 65 74 有抑制剂， cI=2.2×10-4 μmol/L 17 23 29 50 61 - 1 -

1-8 Eadie测量了存在和不存在某种抑制剂情况下乙酰胆碱在某酶作用下进行水解反应的初始速率，数据如下：

底物浓度 / (mol/L) 0.0032 0.0049 0.0062 0.0080 0.0095 初始反应速率 / (mol/(L·min)) 无抑制剂 0.111 0.148 0.153 0.166 0.200 有抑制剂 0.059 0.071 0.091 0.111 0.125 （1）判断该抑制作

1-6 试根据下列实验数据确定rmax、Km和KI值，并说明该酶反应是属于竞争性抑制还是属于非竞争性抑制。

cS×10 /(mol/L) 1.0 1.5 2.0 5.0 7.5

1-7 某一酶反应Km=4.7×10-5 mol/L，rmax=22 μmol/(L·min)，cS=2×10-4 mol/L，cI=5×10-4 mol/L，KI=5×10-5 mol/L。试分别计算在竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三种情况下的反应速率和抑制程度。

4rS0 / (μmol/(L·min)) 无抑制剂 28 36 43 65 74 有抑制剂， cI=2.2×10-4 μmol/L 17 23 29 50 61 - 1 -

1-8 Eadie测量了存在和不存在某种抑制剂情况下乙酰胆碱在某酶作用下进行水解反应的初始速率，数据如下：

底物浓度 / (mol/L) 0.0032 0.0049 0.0062 0.0080 0.0095 初始反应速率 / (mol/(L·min)) 无抑制剂 0.111 0.148 0.153 0.166 0.200 有抑制剂 0.059 0.071 0.091 0.111 0.125 （1）判断该抑制作

《生物反应工程》实验讲义及实验报告

班级： 学号： 姓名： 成绩：

实验一 游离酶与固定化酶酶学性质比较

实验目的：

掌握测定酶动力学参数的实验方法，作图法计算酶动力学参数，掌握固定化酶的方法，以及固定化酶后动力学参数的变化。

实验原理：

要建立一个完整的酶动力学方程，必须要通过动力学实验确定其动力学参数。对M—M方程，就是要确定rmax和Km值。但直接应用M—M方程求取动力学参数所遇到的主要困难在于该方程为一非线性方程。为此常将该方程加以线性化，通过作图法直接求取动力学参数。通常有下述几种作图方法。

Lineweaver—Burk法(简称L-B法)。将M—M方程取其倒数得到下式：

1rs?1rmax?Km1rmaxCs (1)

以1／rs对1／Cs作图可得一直线，该直线斜率为Km／rmax，直线与纵轴交于1／rmax，与横轴交于一1／Km。此法又称双倒数图解法。

Hanes—Woo1f法(简称H—W法)。将式(1)两边均乘以Cs得到

Csrs?Kmrmax?Csrmax (2)

以Cs／rs对Cs作图，得一斜率为1／

十堰职业技术学院

生物化工专业生物反应工程课程教学大纲

(60-70学时） 马俊林 编

一、《生物反应工程》课程的性质和任务

《生物反应工程》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、过程动力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，进行生物反应过程的分析与开发，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，因此，它在生物工业中起着举足轻重的作用，生物反应工程是工业生物技术的核心。

根据生物体的不同，生物反应过程可分为酶促反应过程，细胞反应过程（包括单一微生物细胞、多种微生物细胞的混合反应、动植物细胞培养等）和废水的生物处理过程。生物反应工程的研究内容就是研究各种生物反应过程的生物反应动力学、生物反应器和生物反应过程的放大与缩小等。

生物反应工程是生物化工专业的一门主干专业课。 二、《生物反应工程》课程的基本要求

通过本课的学习，要求学生了解生物反应工程研究的目的，生物反应工程学科的形成与沿革和生物反应工程领域的拓展。理解酶促反应动力学、微生物反应动力学、动植物细胞培养动力学的特征和

P195

6-1 在一定的酶浓度下，液相底物S分解为产物P，该反应器仅有底物S影响其反应速率，其动力学数据如下： cS /(mol/L) 1 2 2 3 3 4 4 5 4.7 6 4.9 8 5 10 5 rS/[mol/(L·min)] 1 现在CSTR中进行此分解反应，保持相同的酶浓度和其操作条件。试求： （1） 当VR=250L，cS0=10mol/L，XS=0.80时，进料体积流量V0应为多少？

（2） 当V0=100L/min, ，cS0=15mol/L，XS=0.80时，反应器有效体积VR为多少？

（3） 当VR=3m3 ，V0=1 m3/min，cS0=8mol/L，反应器出口底物浓度和反应器内底物浓度

各为多少？

（4） 当VR=1m3 ，V0=1 m3/min，cS0=15mol/L，其出口底物浓度为多少？ 解： （1）有

cS0?cS=XS 则cS=2 mol/L rS=2 mol/(L·min) cS0 有 VR rS= V0（cS0－cS） 250×2= V0（10－2） V0=62.5L/mi

《化工反应原理与设备》课外自学报告 ———反应器基本原理

一、化学反应工程学研究的内容和方法 1、研究的内容：

（1）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，提高效率. （2）开发新的技术和设备。

（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。 （4）实现反应过程的最优化。 2、研究的方法： 数学模型

在化学工程中，数学模型主要包括以下内容： （1）、动力学方程式

对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。 （2）、物料衡算式

流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量

（3）、热量衡算式

物料带入热=物料带出热 + 反应热 + 与外界换热 + 累积热

（4）、动量衡算式

输入动量 = 输出动量 + 动量损失

（5）、参数计算式

主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。

二、化学反应过程和化学反应器的分类 （1）化学反应过程分类：

1

判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性 1、反应速率：

《化工反应原理与设备》课外自学报告 ———反应器基本原理

一、化学反应工程学研究的内容和方法 1、研究的内容：

（1）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，提高效率. （2）开发新的技术和设备。

（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。 （4）实现反应过程的最优化。 2、研究的方法： 数学模型

在化学工程中，数学模型主要包括以下内容： （1）、动力学方程式

对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。 （2）、物料衡算式

流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量

（3）、热量衡算式

物料带入热=物料带出热 + 反应热 + 与外界换热 + 累积热

（4）、动量衡算式

输入动量 = 输出动量 + 动量损失

（5）、参数计算式

主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。

二、化学反应过程和化学反应器的分类 （1）化学反应过程分类：

1

判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性 1、反应速率：