生物反应工程.doc

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(prostheticgroup):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=VmaxS/（Km+S)，当n=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。如葡萄糖、饴糖、果葡糖浆的生产、蛋白质制品加工、果蔬加工、食品保鲜以及改善食品品质与风味等。常用的酶制剂主要有：淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶葡萄糖氧化酶等。举例：应用于食品工业的酶制剂、酶法生产葡萄糖、果葡糖浆的生产、饴糖的生产、酶在蛋白制品加工中的应用、酶在果蔬加工中的应用、酶在改善食品品质与风味中的应用2、酶在生物工程方面的应用级举例一、酶在除去细胞壁方面的应用举例：(1)除去细菌细胞壁(2) 除去酵母细胞壁(3) 除去霉菌细胞壁(4) 植物细胞壁的破除二、酶在大分子切割方面的应用1限制性核酸内切酶2DNA外切核酸酶3碱性磷酸酶4核酸酶S1三、酶在分子拼接方面的应用1DNA连接酶2DNA聚合酶3、酶反应器的类型与特点（1）搅拌罐型反应器：有搅拌装置的、传统形式的反应器。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。优点：结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。（2）固定床型反应器：把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。优点：可使用高浓度的催化剂。与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器长度逐渐增高 ）。（3）流化床型反应器：装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间。适用于：固定化酶。特点：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。（4）膜式反应器：将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。适用于：游离酶、固定化酶。特点：膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的是中空纤维反应器。（5）鼓泡塔型反应器：利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混和这两种作用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。适用于：游离酶、固定化酶特点;鼓泡式反应器的结构简单，操作容易, 剪切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给二氧化碳等。第四章：1、细胞是生命活动的基本单位？细胞是构成有机体的基本单位；细胞是 有机体代谢与功能的基本单位，有严格自动控制的代谢体系，并且有保证完成生命过程有序性的独立的结构装置。有机体的生长发育是依靠细胞增殖、分化与凋亡来实现的。细胞是有机体生长发育的基础；细胞具有遗传的全能性（除少数特化细胞），是遗传的基本单位。2、细胞中重要细胞器的功能线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所。又称动力车间。细胞生命活动所需的能量，大约95%来自线粒体叶绿体是绿色植物能进行光合作用的细胞含有的细胞器，产生氧气和有机物，是植物细胞的“养料制造车间”和“能量转换站”。内质网是由膜连接而成的网状结构，单层膜，是细胞内蛋白质的合成和加工，以及脂质合成的“车间”可分为滑（光）面内质网和粗面内质网，粗面内质网加工蛋白，滑面内质网合成脂质。高尔基体单层膜，对来自内质网的蛋白质再加工，分类和包装的“车间”及“发送站”，动植物细胞中都含有高尔基体，动物细胞用于分解物的形成，植物细胞参与细胞壁的形成。溶酶体，单层膜，是“消化车间”，内部含有多种水解酶，能分解衰老，损伤的细胞器，吞噬并杀死入侵的病毒或细菌液泡单层膜，只存在于植物细胞和低等动物细胞，是调节细胞内的环境核糖体 无膜，分为附着核糖体和游离核糖体，将氨基酸合成蛋白质是由RNA和蛋白质构成的微小颗粒，是合成蛋白质的场所，所有细胞都含有核糖体。3、信息物质有哪些？第一信使：（1）神经递质（2）内分泌激素（3）局部化学介质（4）气体信号第二信使：在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代谢产物等。第三信使：种类信息物质受体引起细胞内的变化神经递质乙酰胆碱、谷氨酸、g氨基丁酸质膜受体影响离子通道关闭生长因子类胰岛素样生长因-1、表皮生长因子、 血小板衍生生长因子质膜受体引起酶蛋白和功能蛋白的磷酸化和去磷酸化，改变细胞的代谢和基因表达激素蛋白质、多肽及氨基酸衍生物类激素类固醇激素、甲状腺素质膜受体胞内受体同上调节转录维生素维生素A、维生素D胞内受体同上4、第二信使第二信使：在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代谢产物等。5、膜受体介导的信息传递分类？（1）cAMP-蛋白激酶途径（2）Ca2+-依赖性蛋白激酶途径（3）cGMP-蛋白激酶途径（4）酪氨酸蛋白激酶途径（5）核因子kB途径（6）TGF-途径第五章1、系统的概念：能量转移和传递的机制都是热力学基本内容，可以借用热力学的术语与结论来解释和理解微生物生长过程中产能吸热问题。2、黑箱理论所谓“黑箱”，就是指那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统，比如人们的大脑只能通过信息的输入输出来确定其结构和参数。“黑箱方法”从综合的角度为人们提供了一条认识事物的重要途径，尤其对某些内部结构比较复杂的系统，对迄今为止人们的力量尚不能分解的系统，黑箱理论提供的研究方法是非常有效的。3、标准自由能的计算4、生物体为什么选择ATP作为换能的媒介（1）转移能力高的化合物和转移能力低的化合物间起桥梁作用（2）磷酸基团的转移酶类都是对ADP和ATP高度专一的。第六章：1、微生物生长温度类型低温型微生物（嗜冷微生物）中温型微生物（嗜温微生物）高温型微生物（嗜热微生物）2、细胞比生长速率和温度之间的关系微生物比生长速率随温度变化的曲线：4、比生长速率的定义及计算比生长速率：第七章：1、生物反应器特点和设计基本原理生物反应器：是指有效利用生物反应机能得系统（或场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等特点：（1）生物（酶除外）反应都以自催化（autocatalysis）方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自力要生长繁殖。（2）生物反应速率较快，生物反应器的体积反应速率不高（3）与其他相关生产规模的加工过程相比，所需反应器体积大（4）对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高（5）产物浓度低生物反应器选型与设计的要点：1、选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧和易受杂菌污染等。2、确定适宜的反应器形式。3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。4、传热面积的计算。5、通风与搅拌装置的设计计算。6、材料的选择与确保无菌操作的设计。7、检验与控制装置。8、安全性。9、经济性。第八章：1、各种酶的作用及意义工具酶：基因工程中的工具酶主要包括用于DNA和RNA分子的切割、连接、聚合、逆转录等相关的各种酶类。限制性核酸内切酶： 是一类由细菌产生的能专一识别和切割双链DNA中的特定碱基序列的核酸内切酶，简称限制酶或切割酶同裂酶： 在切割DNA时，其切割点可以是相同的，产生平头末端，称为同识同切；切割点也可以是不同的，产生3或5粘性末端，称为同识异切。同尾酶:指来源不同，但识别与切割顺序有一定的相关性的一类酶。它们作用后产生相同的粘性末端。可变酶： 识别顺序中的一个或几个碱基是可变的，并且识别顺序往往超过6个碱基对。工具酶活性限制性核酸内切酶识别特异碱基序列，切割DNAT4 DNA连接酶催化DNA5-磷酸与3-羟基形成磷酸二酯键DNA聚合酶以DNA为模板合成DNA逆转录酶以RNA为模板合成cDNA碱性磷酸酶切除5末端磷酸T4多聚核苷酸激酶催化核酸5-羟基磷酸化末端脱氧核苷酸转移酶催化3-端合成同聚尾2、细胞重组的定义，几个基本概念细胞重组：从活细胞中分离出细胞器及其组分，然后在体外一定条件下将不同来源的细胞器及其组分进行重组，使其重新装配成为具有生物活性的细胞或细胞器的一