生物反应工程

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

《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

第二章 均向反应动力学

1.在473K等温及常压下进行气相反应：

（1）A?3R （2）A?2S

rR?1.5CA rS?0.5CA

A （3）A?T T式中CA为反应物A的浓度（kmol/l），原料中A和惰性气体各为一半（体积比），试求当A的转化率达85%时，其转化速率是多少？

r?2.1C解：先求出总摩尔变化数?A，首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：

11rAR?rR?0.5CArAS?rS?0.25CAr?rT?2.1CA 32 AT总反应速率为：RA?rAR?rAS?rAT?2.85CA

以一摩尔反应物A为基准，总摩尔变化数为：

0.50.252.1?A??3??2??1?0.4392.852.852.85

Py0.1013?0.5CA0?0A0??1.288?10?2kmol/l?3RT8.314?10?473初始浓度为：

CA0(1?XA)1.288?10?2?0.15CA???1.628?10?3kmol/l1??AyA0XA1?0.5?0.439?0.85则有：

RA?2.85CA?2.85?1.628?10?3?4.640?10?3kmol/(l.min)

??，已知c?0.5km

1 绪 论

1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：

2CH3OH?O2?2HCHO?2H2O 2CH3OH?3O2?2CO2?4H2O

进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算

（1） （1） 反应的选择性；

（2） （2） 反应器出口气体的组成。

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：

S?Y?0.629?0.9611?96.11%X0.720

（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），

当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为 组分 摩尔分率yi0 摩尔数ni0(mol) CH3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0 设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：

nA=nA0(1-XA)=7.672 mol

对于可逆放热反应如何选择操作温度？

1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度；（②分）

2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；（②分）

3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。（

2.(5)简述寻求停留时间分布的实验方法及其分类？

通过物理示踪法来测反应器物料的停留时间的分布曲线。（①分）所谓物理示踪是指采用一种易检测的无化学反应活性的物质按一定的输入方式加入稳定的流动系统，通过观测该示踪物质在系统出口的浓度随时间的变化来确定系统物料的停留时间分布。（②分）根据示踪剂输入方式的不同大致分为四种：脉冲法、阶跃法、周期示踪法和随机输入法。（②分

1、 反应进度 21、方差 2、 转化率 22、沟流 3、 关键组分 23、短路 4、 单程转化率与全程转化率 24、循环流 5、 收率