生化工程习题

本征反应动力学本征反应动力学 不考虑传递等工程因素时 生物反应固有的速率 该速率除与反应本身 特性有关 只与各反应组分的浓度 温度 催化剂及溶剂的性质有关 而与传递因素无关 反应器 宏观 反应动力学反应器 宏观 反应动力学 考虑传递因素的反应动力学 非结构细胞反应动力学 非结构细胞反应动力学 将细胞看作是具有单一组分 均一的细胞反应体系的动力学 别构酶 别构酶 变构酶 调节酶 它是一种寡聚酶 由多个亚基组成 具有别构部位和活性部 位 DC 临界稀释率 Si 为 CSTR 反应器中入口处的限制性底物浓度 当稀释率达到 DC 时 出口处细胞浓度为 0 反应器处于 洗出 操作状态 返混返混 不同停留时间的微元流体之间的混合 CSTS 返混程度最大 CPFR 返混程度最小 固定化酶固定化酶 是一种在空间运动上受到完全约束或局部约束的酶 呼吸商呼吸商 RQ RQ CER OUR 细胞每消耗 1mol O 2 所产生的 CO 2 的量 Thiele 模数 模数 表面浓度下的反应速率 内扩散速率 表示了以固定化酶外表面的浓度为 基准的反应速率与内扩散传质速率的相对大小 可以通过 值大小来判断内扩散阻力对催 化反应的影响程度 限制性底物限制性底物 某种底物浓度的增加会影响生长速率 而其它营养组分浓度的变化对生长速率 没有影响作用 这种底物称限制性底物 效应物效应物 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 如 因别构导致酶活性降低的物质称为负效应物 失活失活 由于酶蛋白分子变性而引起的酶活力丧失的现象称为失活 抑制抑制 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 可逆抑制可逆抑制 抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活力降低或丧失 能用物理方法除去抑制 剂而使酶复性 这种抑制作用是可逆的 称为可逆抑制 不可逆抑制不可逆抑制 抑制剂与酶的必需基团或活性部位以共价键结合而引起酶活力丧失 不能用 透析 超滤或凝胶过滤等物理方法去除抑制剂而使酶活力恢复的作用 酶的非竞争性抑制酶的非竞争性抑制 抑制剂既能与酶结合又能与 ES 复合物结合导致酶反应速率下降 酶的反竞争抑制酶的反竞争抑制 抑制剂不能直接与游离酶相结合 而只能与复合物 ES 相结合生成 ESI 复合物 引起酶活性下降 竞争性抑制竞争性抑制 抑制剂在酶的活性部位结合 阻碍酶与底物的结合使反应速率下降 1 生物反应器的放大方法 生物反应器的放大方法 KLa 单位体积的输入功率 混合时间 搅拌器末端速度 恒定 2 减少固定化酶传质阻力 减少固定化酶传质阻力 采用大孔介质 增加底物浓度 增加扰动 减少颗粒尺寸 3 影响影响 k L a 的因素的因素 物系的性质物系的性质 粘度 扩散系数 表面张力 操作条件操作条件 温度 压力 通气量 搅拌转数 反应器的结构反应器的结构 反应器的结构型式 搅拌器结构 搅拌方式 4 提高机械搅拌罐的传氧速率 提高机械搅拌罐的传氧速率 OTR 1 由 OTR k L a C L C L 可知 2 氧在培养基中的溶解度 降低温度 增加操作罐压 增加空气中氧气的浓度 通往 富氧空气或纯氧 等 3 氧的体积传质系数 k L a 增加搅拌减少气泡大小 增加通 气 改变搅拌浆的结构参数和层数以提高搅拌性能 改变反应器的结构型式以提高氧的体 积传质系数 5 简述影响酶催化反应速率的因素 简述影响酶催化反应速率的因素 浓度因素浓度因素 酶浓度 底物浓度 产物浓度 外部因外部因 素素 温度 压强 pH 表面张力 离子强度 内部因素内部因素 底物 效应物 酶结构 6 三种抑制特点三种抑制特点 反竞争性抑制反竞争性抑制剂只与酶 底物复合物结合 而不与游离酶结合的一种酶 促反应抑制作用 这种抑制作用使得 Vmax Km 都变小 但 Vmax Km 不变 竞争性抑制竞争性抑制 a 竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物 b 抑制剂与酶的结合部 位与底物与酶的结合部位相同 c 抑制剂浓度越大 则抑制作用越大 但增加底物浓度可 使抑制程度减小 d 动力学参数 Km 值增大 Vm 值不变 非竞争性抑制非竞争性抑制 a 抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合 b 必须有底物存在 抑制剂 才能对酶产生抑制作用 c 动力学参数 Km 值不变 Vm 值变小 7 次级次级代谢产物 代谢产物 非偶联模型非偶联模型 如何提高该产物生产强度 如何提高该产物生产强度 缩短菌体生长时间 采用 对数期的强壮种子 加大接种量以减少延滞期的时间 调整合适的细胞培养条件加快菌体 生长 增加细胞培养的密度 采用流加培养的策略提高细胞密度 增加合成产物的细胞量 采用两段发酵技术 对菌体生长期的培养条件和产物合成条件可以采取不同的发酵策略 8 产物的三种类型产物的三种类型 偶联型偶联型 产物的生成与细胞的生长相关的过程 产物是细胞能量代 谢的结果 此时产物通常是基质的分解代谢产物 代谢产物的生成与细胞的生长是同步 如乙醇 葡萄糖酸 乳酸等 非偶联模型非偶联模型 产物的生成与细胞的生长无直接联系 它是二 级代谢产物 特点是当细胞处于生长阶段时 并无产物的积累 而当细胞生长停止后 产 物却大量合成 如抗生素 微生物毒素等 部分偶联型部分偶联型 产物的生成与基质消耗仅有间接 的关系 产物是能量代谢的间接结果 在细胞生长期内 基本无产物生成 其动力学可表 示为 q P 如柠檬酸 氨基酸的生产 9 BSTR 分批操作的搅拌槽式反应器分批操作的搅拌槽式反应器 CSTR 连续操作的搅拌槽式反应器连续操作的搅拌槽式反应器 CPFR 管式管式 操作方式分批式操作补料分批式连续式 反应中是否进料否是是 反应中是否出料否否是 过程中反应体积不变增大不变 是否容易染菌否否是 能否控制底物浓度不能能能 是否发生细胞流失不会不会会 合适的产物分离工艺分批式分批式连续式 生产周期短中等可长 不考虑染菌 在生产过程中微生物群体 发生显著变异可能性 低低高 理论生产效率低中等高 过程控制要求低中等高 工业应用多多极少 10 动态法测动态法测 k L a 体积传氧系数 体积传氧系数 发酵装置中配备溶氧电极 可测定发酵液中的溶解氧浓度 当系统稳定时 在某一时间 t 突然中断通气 则导致反应液中溶氧浓度随时间直线下降 在溶氧浓度降低到临界溶氧浓 度之前恢复通气 以保证细胞反应活性不受影响 此时溶氧量将随时间增长而变大 至断 气前水平 将 col 与 qo2cx dCol dt 作图得直线斜率 1 kla 截距 col 11 设计一实验测定酶反应动力学设计一实验测定酶反应动力学 M M 方程的参数方程的参数 V max 和和 和和 K m 选择在不同底物浓度下测定其初始反应速率 得到一系列的 S 0 v 数据 对 M M 方 程进行双倒数变换 得到 1 v K m V max 1 S 1 V max 根据实验数据以 1 S 为横 坐标 以 1 v 为纵坐标 作图 线性拟合 得到的截距为 1 V max 斜率为 K m V max 由此可以计算出 V max 和 K m 12 设计一实验测定设计一实验测定 Monod 方程的参数方程的参数 max 和和 Ks 在分批培养条件下测定 测定细胞生长和限制性底物消耗的时间曲线 计算 Yx s 对细胞 生长反应动力学方程进行积分得到方程 S S t 及 X X t 采用非线性拟合方法求得细 胞反应动力学参数 max 和 Ks 13 简述微生物反应与酶促反应的最主要区别 从反应动力学的角度来看 简述微生物反应与酶促反应的最主要区别 从反应动力学的角度来看 1 微生物反 微生物反 应应是自催化反应 在反应过程中催化剂本身在增殖 而酶促反应在反应过程中催化剂的量 不变化 2 酶催化的底物是专一性的 在 M M 方程中的 S 是指反应的专一性底物 而微生物反应的底物有很多 Monod 方程中的 S 是指限制性底物 3 微生物反应本 质上是同由许许多多酶促反应组成的 而酶反应相对比较简单 14 酶的固定化及其优缺点酶的固定化及其优缺点 载体结合法载体结合法 1 共价给合法 优 酶与载体结合牢固 不会轻易脱落 可连续使用 缺 反应条 件较激烈 易影响酶的空间构象而影响酶的催化活性 重氮化法 叠氮法 2 离子结合 法 优 条件温和 操作简便 酶活力损失少 缺 结合力弱 易解吸附 DEAE 纤维素 3 物 理吸附法 优 成本低 可再生 缺 结合力弱 酶活力低 氧化铝 硅藻土 交联法交联法 优 通常活性位点不受影响 固定化后近乎保留全部活力 缺 反应条件激烈 酶分 子的多个基团被交联 酶活力损失大 制备的固定化酶颗粒较小 给使用带来不便 戊 二醛有两个醛基 均可与酶或蛋白质的游离氨基反应 使酶蛋白交联 包埋法包埋法 优 不与酶蛋白氨基酸残基反应 很少改变酶的高级结构 酶活回收率高 缺 只适 合作用于小分子底物和产物的酶 海藻酸钠的包埋法制备固定化脂肪酶 固定化酶与游离酶固定化酶与游离酶 固定化酶固定化酶 优 可重复利用 产品纯 减少污染 为酶活性提供了良好 环境 可连续稳定操作 缺 增加了扩散抑制 减缓了反应速率 游