海大生物反应工程原理大全

均相酶促反应动力学 均相酶促反应动力学 是以研究酶促反应机制为目的 解释了酶促反应机制和过程 还应对 影响其反应速率的因素进行定量的分析 建立可信赖的反应速率方程 并以此为基础进行 反应器的合理设计和确定反应过程的最佳条件 均相酶催化反应 均相酶催化反应 酶与反应物系同处液相的酶催化反应 单底物酶促反应 单底物酶促反应 一种反应物参与的不可逆反应 返混 返混 不同停留时间的物料的混合 称为返混 酶的固定化技术酶的固定化技术 是指将水溶性酶分子通过一定的方式如静电吸附 共价键等与载体结合 制成固相酶的技术 能量生长偶联型能量生长偶联型 当有大量合成菌体材料存在时 微生物生长取决于 ATP 的供能 这种生 长就是能量生长偶联型 有效电子转移有效电子转移 是指物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移 生物反应工程生物反应工程 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 酶酶 是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂 生物反应过程生物反应过程 是指将实验室的成果经放大而成为可供工业化生产的工艺过程 包括实现 工业化生产过程的高效率运转 或者说提高生产过程效率 生物反应器生物反应器 是指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设 备或者场所 生物反应过程的缩小生物反应过程的缩小 根据生产实际 在实验室中使用小型反应器来模拟生产过程 以进 行深入研究 转化率转化率 某反应物的转化浓度与该反应物起始比值的百分比 收率收率 指按反应物进行量计算 生成目的产物的百分数 用质量百分数或者体积百分数表 示 系统生物学系统生物学 用生物遗传物理的方法 对生物学进行扰动 从而通过生物系统产生的影响 进而研究 进而所得的数据进行挖掘和综合构建描述系统结构及相应于上述各种扰动的数 学模型 生长得率生长得率 消耗 1g 基质生成干细胞的克数 分批式操作分批式操作 是指基质一次性加入反应器内 在适宜条件下将微生物菌种接入 反应完成 后将全部反应物料取出的操作方式 反复分批式操作反复分批式操作 是指分批操作完成后 不全部取出反应物料 剩余部分重新加入一定量 的基质 再按照分批式操作方式 反复进行 半分批式操作半分批式操作 是指先将一定量基质加入反应器内 在适宜条件下将微生物菌种接入反应器 中 反应开始 反应过程中将特定的限制性基质按照一定要求加入到反应器内 以控制限 制性基质保持一定 当反应终止时取出反应物料的操作方式 反复半分批式操作反复半分批式操作 指流加操作完成后 不全部取出反应物料 剩余部分重新加入一定量 的基质 再按照流加操作方式进行 反复进行 连续式操作连续式操作 指在分批式操作进行到一定阶段 一方面将基质连续不断地加入反应器内 另一方面又把反应物料连续不断的取出 使反应条件 如反应液体积等 不随时间变化的 操作方式 活性污泥法处理废水 固定化微生物反应等多采用连续式操作 指数流加操作指数流加操作 通过采用随时间呈指数变化的方式流加基质 维持微生物细胞对数生长的 操作方式 非结构模型非结构模型 在确定论模型的基础上 不考虑细胞内部结构的不同 即认为细胞为单一组 分 在这种理想状态下建立起来的动力学模型 外扩散效率因子外扩散效率因子 out 是指有外扩散影响是的实际反应速率和无外扩散的固定化酶外表 面处的反应速率之比 Da 准数准数 最大反应速率和最大传质速率之比 分批发酵分批发酵 是指将新鲜的培养基一次性加入发酵罐中 在适宜的条件下接种后开始培养 培养结束后 将全部发酵液取出的培养方法 连续培养发酵连续式操作连续培养发酵连续式操作 是指以一定的速率不断向发酵罐中供给新鲜的培养基 同时等 量地排出发酵液 维持发酵罐中液量一定的培养方法 稀释率稀释率 培养液流入速度和反应器内培养液的体积之比 他表示连续反应器中物料的更新 快慢程度 得率系数得率系数 是对碳元素等物质生成细胞或是其他产物的潜力进行定量评价的重要参数 细胞得率细胞得率 消耗 1 克基质生成细胞的克数成为细胞得率或是生长得率 动植物细胞培养动植物细胞培养 是一项将动植物的组织 器官或细胞在适当的培养基上进行无菌培养的 技术 悬浮培养悬浮培养 通过震荡或是转动装置使细胞始终处于分散悬浮于培养液内的培养方法 停留时间停留时间 停留时间 是指反应物料进入反应器时算起 至离开反应器时为止所经历的时 间 22 填充床型反应器反应器 PBR 把催化剂填充在固定床 填充床 中的反应器叫做填充床 固定床 型反应器 流化床型反应器流化床型反应器 FBR 装有较小颗粒的垂直塔式反应器 底物以一定流速从下向上流过 使固定化酶颗粒在流体中维持悬浮状态进行反应 生物膜反应器生物膜反应器 MBR 利用膜的分离功能 同时完成反应和分离过程的反应器 酶反应器酶反应器 酶作为催化剂进行生物反应的场所 微生物的生长速率微生物的生长速率 在单位时间内微生物细胞浓度的变化量 微生物的比生长速率微生物的比生长速率 单位重量菌体的瞬时增量 固定化酶固定化酶 是通过物理或化学方法使溶液酶转变为在一定的空间内运动受到完全或局部约 束的一种不溶于水 但仍具有活性的酶 酶活力测定酶活力测定 通过测定初始短时间内底物的消耗量或产物的生成量进行酶活力 初速度 的测定 速率 速率 rate 指变化快慢程度 包含反应速率和传质速率 反应速率反应速率 reaction rate 单位时间 单位反应体积生成的产物量 传质速率传质速率 transfer rate 单位面积上单位时间的传递量 失活作用失活作用 指物理或化学因素部分或全部破坏了酶的三维结构 引起酶的变性 导致酶部 分或全部丧失活性 抑制作用 抑制作用 指酶在不变性条件下 由于活性中心化学性质的改变而引起酶活性的降低或丧 失 影响酶促反应的主要因素有哪些 影响酶促反应的主要因素有哪些 主要因素 浓度 酶 底物 外因 压力 pH 温度 溶液的介电常数与离子强度 等 内因 底物 效应物浓度 酶结构等 固定化酶的特性 固定化酶的特性 1 底物专一性的改变 底物专一性的改变 由于立体障碍 使的底物特异性发生改变 例如 胰蛋白酶既作 用于高分子的蛋白质 又作用于低分子的肽或多肽 采用羧甲基纤维素对胰蛋白酶进行固 定化后 胰蛋白酶对二肽或多肽的作用不变 但对酪蛋白的作用仅为游离酶的 3 左右 2 稳定性增强 稳定性增强 一般固定化酶比游离酶稳定性好 表现在热稳定性 保存和使用稳定性 的增加 及对蛋白酶的抵抗性和耐受性增强 3 最适 最适 pH 值和最适温度变化值和最适温度变化 酶固定化 载体为多聚阳离子性质时 固定化酶的最适 pH 值向酸性一侧移动 酶固定化载体为多聚 阴离子性质时 固定化酶的最适 pH 值向碱性一侧移动 产物为酸性时 固定化酶最适 pH 值向酶性一侧移动 产物为中性时 最适 pH 值一般无变化 4 动力学参数的变化 动力学参数的变化 酶经固定化后 表观米氏常数发生变化 影响固定化酶促反应的主要因素 影响固定化酶促反应的主要因素 1 分子构象的改变 分子构象的改变指固定化过程中酶与载体的相互作用引起酶的活性中心或调节中心的 构象发生了变化 导致酶与底物的结合力下降 2 位阻效应 位阻效应由于载体的遮蔽作用或固定化方法不当 给酶的活性中心或调节中心造成空 间障碍 使底物和酶无法与酶接触 3 微扰效应 微扰效应由于载体的亲水性 疏水性 介电常数等性质 使酶所处的微环境与宏观环 境不同 从而改变了酶的催化能力或酶对效应物的调节能力的效应 4 分配效应 分配效应 由于载体与底物之间疏水性 亲水性或静电作用引起微环境和宏观环境之 间物质的不等分配 从而影响酶促反应速率的一种效应 5 扩散效应扩散效应由于底物 产物或其他效应物的迁移和传递速度所受到的限制 当物质扩散 系数很低 酶活性较高时 在固定化周围形成浓度梯度 造成微观环境和宏观环境间底物 产物浓度产生差别 快速平衡法快速平衡法 几点假设 1 S 初始酶浓度 e 中间复合物 ES 的形成不会降低 S 2 不考虑 E P ES 这个可逆反应 3 ES E P 为整个反应的限速阶段 此 ES 分解 成产物不足以破坏这个平衡 稳态法稳态法 几点假设 1 2 与快速平衡法相同 3 中间复合物 ES 一经分解 产生的 游离酶立即与底物结合 使中间复合物 ES 浓度保持衡定 影响影响 Kla 的因素 如何影响 的因素 如何影响 操作变量 温度 压力 通风量 转速 Kla 培养液的理化性质 黏度 表面张力 氧的溶解度 培养液组成 培养液流动状态 发酵 类型 黏度 表面张力 氧的溶解度 Cpro C 酯醇酮 Kla 反应器的结构 反应器的类型 各部分尺寸的比例 空气分布器的型式 有挡板或冷却管 高径比 Kla 搅拌器的组成与间距要根据培养液的特性决定 外扩散过程与内扩散过程的比较外扩散过程与内扩散过程的比较 外扩散过程内扩散过程 Da 准数是决定外扩散效率因子的唯一参数 准数是决定内扩散效率因子的主要参数 Da 准数定义 SLaC k r Da max 西勒准数定义 DeK rR m 9 max 2 2 外扩散效率因子定义 0 r rout out 内扩散效率因子定义 out in in r r Da1 过程为外扩散控制 out Da 准数越大 越趋近于零 out 0 3 时 1 过程为内扩散控制 in 举例简要说明何为微生物反应的结构模型 举例简要说明何为微生物反应的结构模型 答 由于细胞的组成是复结的 当微生物细胞内部所含有的蛋白质 脂肪 碳水化合物 核酸 维生素等的含量随环境条件的变化而变化时 建立起的动力学模型称为结构模型 Monod 方程建立的几点假设是什么 方程建立的几点假设是什么 Monod 方程与米氏方程主要区别是什么 方程与米氏方程主要区别是什么 答 Monod 方程建立的基本假设 微生物生长中 生长培养基中只有一种物 质的浓度会影响其生长速率 这种物质被称为限制性基质 并且认为微生物为 均衡生长且为简单的单一反应 莫诺方程 SK S S max 米氏方程 SK Sr r m max 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 生长比速 h 1 max 最大生长比速 h 1 S 单一限制性底物浓度 mol L KS 半饱和常数 mol L 方程中各项含义 r 反应速率 mol L h rmax 最大反应速率 mol L h S 底物浓度 mol L Km 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 简要回答微生物反应与酶促反应的最主要区别 简要回答微生物反应与酶促反应的最主要区别 答 微生物反应与酶促反应的最主要区别在于 微生物反应是自催化反应 而酶促反应不 是 此外 二者还有以下区别 1 酶促反应由于其专一性 没有或少有副产物 有利于提取操作 对于微生物反应 而言 基质不可能全部转化为目的产物 副产物的产生不可避免 给后期的提取和精制带 来困难 这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一 2 对于微生物反应 除产生产物外 菌体自身也可是一种产物 如果其富含维生素 或蛋白质或酶等有用产物时 可用于提取这些物质 3 与微生物反应相比 酶促反应体系较简单 反应过程的最适条件易于控制 微生 物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产 因此 产物的获得除受环境因素影响外 也受细胞因素的影响 并且微生物会发生遗传变异 因此 实际控制有一定难度 4 酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程 与微生物反应相比 在经济 上有时并不理想 举例说明连续培养的应用 举例说明连续培养的应用 由于连续培养存在杂菌污染问题 菌种变异问题 成本问题 使其在生产中的应用受 到限制 目前主要用于面包酵母的生产 及污水处理 连续培养在科研领域有着重要的应 用 主要表现在以下几个方面 1 利用恒化器测定微生物反应动力学参数 例如 m Ks 的测定 2 确定最佳培养条件 例如面包酵母生产中最佳葡萄糖浓度的确定 3 利用冲出现象进行菌种的筛选 CSTR PFR 代表什么含义 比较代表什么含义 比较 CSTR 型和型和 PFR 型酶反应器的性能 型酶反应器的性能 CSTR 代表连续全混流酶反应器 PFR 代表连续活塞式酶反应器 CSTR 型和 PFR 型酶反应器的性能比较 1 达到相同转化率时 PFR 型酶反应器所需停留时间较短 2 在相同的停留时间达到相同转化率时 CSTR 型反应器所需酶量要大大高于 PFR 型 反应器 因此一般来说 CSTR 型反应器的效果比 PFR 型差 但是 将多个 CSTR 型反应 器串联时 可克服这种不利情况 3 与 CSTR 型酶反应器相比 PFR 型酶反应器中底物浓度较高 而产物浓度较低 因 此 发生底物抑制时 PFR 型酶反应器转化率的降低要比 CSTR 型剧烈得多 而产物抑制 对 CSTR 型酶反应器影响更显著 在啤酒酵母的生长试验中 消耗了在啤酒酵母的生长试验中 消耗了 0 2kg 葡萄糖和葡萄糖和 0 0672kgO2 生成 生成 0 0746kg 酵母菌和酵母菌和 0 121kgCO2 请写出该反应的质量平衡式 计算酵母得率 请写出该反应的质量平衡式 计算酵母得率 YX S 和呼和呼 吸商吸商 RQ 解 假设反应的质量平衡式为 OeHdCOOcCHbOOHaC 2226126 则 11 1 61612612 10002 0 a1 2 32 10000672 0 b 75 2 21612 1000121 0 d4 18 1000 121 0 0746 0 0672 0 2 0 e 根据元素平衡式 有 C 75 2 611 1 c H 241211 1 c O 4275 2 1 22611 1 c 联立求解 得 91 3 c36 1 35 0 所以 可确定该反应的质量量平衡式为 OHCOOCHOOHC 2235 036 126126 475 291 31 211 1 373 0 2 0 0746 0 kgkg S X Y SX 3 1 32 0672 0 44 121 0 2 2 O CO RQ 微生物物繁殖过程中分裂一次生成两个子细胞 也有微生物物繁殖过程中分裂一次生成两个子细胞 也有 4 分裂或分裂或 8 分裂的 试证分裂的 试证 明当明当 n 分裂时 有如下式子 分裂时 有如下式子 式中 式中 为倍增时间 为倍增时间 为世为世ntt gd ln 2ln d t g t 代时间 代时间 证 边界条件 Xdt dX 0 0XXt 积分 得t X X 0 ln 2ln 2 0 dd t X X tt n tn X X ntt gg ln 0 于 于于 于于 于于 于 ntt gd ln 2ln 葡萄糖为碳源进行酿酒酵母培养 呼吸商为葡萄糖为碳源进行酿酒酵母培养 呼吸商为 1 04 氨为氮源 消耗 氨为氮源 消耗 100mol 葡萄糖和葡萄糖和 48mol 氨 生成菌体氨 生成菌体 48mol 二氧化碳 二氧化碳 312mol 和水和水 432mol 求氧的消耗量和酵母菌体的化学组 求氧的消耗量和酵母菌体的化学组 成 成 解 根据题意 可假定反应的质量平衡式为 OHCOONHCNHbOOHC 22326126 4323124848100 04 1 312 2 2 bO CO RQ 解得 即氧的消耗量为 300mol 300 b 根据元素平衡 有 C 31248600 H 2432483481200 N 4848 O 4322312483002600 联立方程求解 得 6 10 1 3 酵母菌体的化学组成为 31106 ONHC 分别采用含有蛋白胨和牛肉膏的复合培养基 含有分别采用含有蛋白胨和牛肉膏的复合培养基 含有 20 余种氨基酸的合成培养基和基本培养余种氨基酸的合成培养基和基本培养 基进行运动发酵单胞菌厌氧培养 碳源为葡萄糖 获得如下表所示结果 已知菌体的含碳基进行运动发酵单胞菌厌氧培养 碳源为葡萄糖 获得如下表所示结果 已知菌体的含碳 量 以碳源量 以碳源 细胞计 为细胞计 为 0 45g g 求采用不同培养基时的 求采用不同培养基时的 YKJ 培养基YX S g mol 以细胞 葡萄糖计 YP S mol mol 以乙醇 葡萄糖计 YP S mol mol 以乳酸 葡萄糖计 菌体中由葡萄糖 所来碳元素的量 基本4 11 50 21 0 合成5 01 50 20 62 复合8 01 60 20 48 解 由化工手册可知 gKJmol molmolKJH a G 15 22H 1363KJH 1368KJ H 2816 L E 于 于 于 于于 于 1 采用基本培养基时 k 1 0 SPPSPSSXSXa SX KJ YHYHY k Y Y Y 1 2 1 H 于 于 13632 013685 1 28161 4 72 0 145 0 11 415 22 1 4 2 采用合成培养基时 k 0 62 0080 0 KJg SPPSPSSXSXa SX KJ YHYHY k YH Y Y 1 2 1 13632 013685 1 28160 5 72 62 0 45 0 10 515 22 0 5 3 采用复合培养基时 k 0 48 0091 0 KJg SPPSPSSXSXa SX KJ YHYHY k YH Y Y 1 2 1 13632 013686 1 28160 8 72 48 0 45 0 10 815 22 0 8 一个新发现的微生物在每一次细胞分裂时 可产生一个新发现的微生物在每一次细胞分裂时 可产生 3 个新细胞 由下列生长数据求 个新细胞 由下列生长数据求 1 此微生物理学的比生长速率此微生物理学的比生长速率 2 此微生物细胞的平均世代时间 此微生物细胞的平均世代时间 1 h 时间 h00 51 01 52 0 细胞干重 g L 0 100 150 230 340 51 解 1 16 1 Xdt dX 边界条件 0 0 XXt 对 16 1 式积分 得 16 2 tXX ln 0 以作图 将得一条直线 直线斜率为 tXX ln 0 根据已知数据 计算 列入表中 并绘制曲线 ln 0 XXtXX ln 0 t h00 51 01 52 0 X g L 0 100 150 230 340 51 ln X X0 00 4050 8331 221 63 y 0 8167x R2 0 9999 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 00 511 522 5 t h ln X X0