生化工程知识点

1、生物反应工程知识点第一章 绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。 其实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。生物反应过程 最重要特征：有生物催化剂的参与 *由四部分组成：原材料的预处理-生物催化剂的制备-生物反应器及反应条件的选择与监控-产品的分离纯化 。整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。反应过程的特点：1）采用可再生资源

2、为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。2）反应条件温和。 3）生物催化剂易失活，难以长期使用。4）生产设备较简单、能耗较低。 5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。6）反应机理复杂，较难检测与控制。 7）反应液杂质多，分离提纯困难.1生物反应动力学 本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。该速率除反应本身的特性 外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。 宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热

3、等。 研究方法（细胞反应动力学模型-数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。第二章 均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T

4、=1/KcatKm是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。受外界条件如pH、温度、离子强度等因素影响。全酶(双成分酶)=酶蛋白(或酶RNA)+辅助因子（辅酶、辅基）酶的化学结构：*氨基酸的排列次序从N端算起。 酶蛋白的空间结构的作用力：氢键；盐键（-NH3+-OOC-）；酯键；二硫键；疏水键；范德华力；金属键 二级结构的基本构象主要包括：1)螺旋结构；2)片状结构；3)转角结构；4)无规则卷曲 四级结构：指寡蛋白中亚基的种类、数目、各亚基的空间排布及其相互作用等。酶的结构与催化功能的关系 1）一级结构决定空间结构,主链的断裂可能使酶的活力保持不变、显示出来或完

5、全丧失； 2）二、三级结构利于维持酶的活性中心的空间构象，若破坏将使酶的催化活性丧失； 3） 四级结构完整时，酶的催化功能充分发挥出来，而受到破坏时，亚基的酶活性减弱或者消失。 4）别构酶只有在四级结构完整时才显示其调节作用，分开的调节亚基不具有调节功能。 亚基是指寡蛋白中各个具有三级结构的单位，是蛋白质分子中最小的共价单位。亚基之间通过非共价键(主要是疏水键)相结合*酶的催化机制：趋近与定向效应；构象变化效应；酸碱催化机制；共价催化机制；微环境效应微环境效应：由于酶分子活性中心的催化基团处于特殊的疏水反应环境，影响酶与底物的结合，并影响催化基团的解 离，使反应加速进行，这种作用称为微环境效应

6、。残存酶活：在一定条件下，使酶溶液恒温保持一定的时间，然后再在最适宜的PH和温度下测定残存的酶活力，即残存 酶活。第三章 固定化酶催化反应动力学 影响固定化酶动力学的因素：空间效应（构象效应、位阻效应）、分配效应、扩散效应（内/外扩散）固定化酶动力学最主要特征：酶的催化反应速率、传质速率*固定化酶与反应物系相接触，该反应过程包括三步：1）底物从液相主体扩散到达固定化酶的外表面； 2)底物在固定化酶的外表面上进行反应； 3)产物从酶外表面扩散进入液相主体。11、何谓固定化酶？固定化酶的制备原则是什么？·制备原则：（1）维持酶的催化活性及专一性； （2）固定化应该有利于生产自动化、连续化

7、；（3）固定化酶应有最小的空间位阻，尽可能不妨碍酶与底物的接近，以提高产品的产量；（4）酶与载体必须结合牢固，从而使固定化酶能回收贮藏，利于反复使用。（5）固定化酶应有最大的稳定性，所选载体不与废物、产物或反应液发生化学反应；（6）固定化酶成本要低，以利于工业使用33、固定化对酶稳定性有哪些影响？（1）热稳定性提高 （2）保存稳定性增强 （3）对蛋白酶的抵抗性增强（4）对变性剂的耐受性提高:在尿素、有机溶剂、盐酸胍等蛋白质变性剂作用下，仍保留较高酶活力*44、固定化酶与游离酶比较有哪些优缺点？优点：1.可多次使用，且酶的稳定性提高；2.反应后，酶易与底物和产物分离；3.反应条件易于控制，利于实

8、现生产连续化和自动化。例子：固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸，固定化糖化酶生产葡萄糖等缺点：费用太高；大分子的底物不易使用； 固定化时，酶活力有损失 。*55、固定化植物细胞有哪些特点？（1）固定化后，由于有载体的保护作用，可减轻剪切力和其他外界因素对植物细胞的影响，提高植物细胞的存活率和稳定性。（2）固定化后，被束缚在一定的空间范围内进行生命活动，不易聚集成团。（3）不同培养阶段可更换不同培养液。可先在生长培养基中增殖，再更换发酵培养基，生产各种所需的次级代谢产物。（4）可反复使用或连续使用一段时间，缩短生产周期，提高产率。（5）易于与培养液分离，利于产品的分离纯化，提高产品质量。66、固定化

9、动物细胞有哪些特点？（1）提高细胞存活率：由于有载体的保护作用，可减轻或免受剪切力的影响，动物细胞可附着生长，提高细胞的存活率。（2）提高产率：先在生长培养基中生长繁殖，达到一定细胞密度后，改换成发酵培养基，控制发酵条件，使细胞从生长期转变到生产期，提高产率。（3）可反复使用或连续使用较长时期，利于连续化自动化生产。（4）易于与产物分开，利于产物的分离纯化，提高产品质量。第四章 微生物反应动力学 微生物的分类与命名原核微生物主要有六类：细、放、支、立、衣、蓝。真核微生物：真菌，显微藻类，原生动物非细胞微生物: 酵母菌、丝状真菌霉菌、大型真菌细胞元素：C、O、N、H、P、K为多；其次是钙、镁、硫

10、、钠、氯、铁、锌、硅等，含有微量的铝、铜、锰、钴等影响微生物反应的环境因素:营养物质、温度、溶解氧和氧化还原电位、湿度、其他（水活度）4.1. 微生物反应的特点优点：1. 微生物反应是生物化学反应，通常是在常温常压下进行； 2. 微生物的生长速率快，微生物的代谢产率较高。 3. 原料多为农产品，来源丰富。 4. 易于生产复杂的高分子化合物和光学活性物质。 5. 除生产产物外，菌体自身也可是一种产物。 6. 微生物反应是自催化(autocatalytic)反应。缺点：1. 基质不可能全部转化成目的产物，副产物的产生不可避免。 2. 产物的获得受环境因素、细胞内因素的影响；且菌体会发生遗传变异。因

11、此，实际控制有一定难度。 3. 生产前的准备工作量大，且花费高；相对化学反应器而言效率低微生物反应过程主要特征1）微生物是该反应过程的主体2）反应的本质是复杂的酶催化反应体系3）微生物反应是非常复杂的反应过程微生物反应过程的质量衡算： 碳源氮源氧菌体有机产物CO2H2O碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CHxOyNzCHmOnaO2bNH3 cCHxOyNzdCHuOvNweH2O+fCO2第五章 动植物细胞培养动力学1、大规模细胞培养的主要危险是微生物污染；主要问题是原料的质量控制和生产动植物细胞培养基的配方十分复杂，并且还需要补充血清和蛋白胨。植物细胞培养的先天不足生长

12、缓慢。2、生产的4类产品：疫苗、干扰素、单克隆抗体、遗传重组产品3、细胞培养过程的特征：1）细胞个体大且无壁，对环境敏感，因此应慎重解决供氧(搅拌与通风)与细胞脆弱的矛盾。 2）生长速率慢，易被微生物污染，但可采用在培养基中加入抗生素等措施来解决。 3）设备放大是一新课题，不能完全按照微生物反应过程的经验。 4）反应成本高，主要应用于高附加值产物的生产。4、分批式培养过程中，微生物的生长可分为： 迟缓期、对数生长期、减速期、静止期、衰退期*支配分批培养的主要因素是基质与微生物的浓度的初始值。 经过减速期到达静止期的原因一般认为是：必须的营养物质不足；氧的供应不足；抑制剂的积累；生长因子不足；生

13、物的生长空间不够等*5、为什么说支配分批培养的主要因素是基质与微生物的浓度的初始值？一般微生物的最适温度、最适PH值范围较窄。生长中一般采用定值控制。在这样的条件下，可以认为分批培养过程中的动态特性取决于基质与微生物浓度（接种量）及微生物反应的诸如比速率的（初始值）。6、固定化微生物反应具有如下特点： 由于微生物固定于载体上，因而不受操作上的“冲出”现象所制约，流加基质的流量范围可适当增大； 能够在一定程度上避免悬浮微生物连续反应中最危险的杂菌污染问题； 单细胞悬浮微生物的反应速率几乎不受物质传递影响，但固定化微生物的反应速率却较强的受到物质传递的影响。第七章：生物反应器1、生物反应器不仅是生

14、物反应工程的核心设备，也是生物反应工程所研究中心内容。2、生物反应器中的传递特性：即质量、热量及动量的传递 优良反应器特征：严密的结构；良好的液体混和性能；较高的传质、传热速率；可靠的测控系统。唯一标准：满足工艺要求，获得最大生产效率机械搅拌首要作用：打碎气泡；其次是混合。3、生物反应器放大机制：原则是相似性；理论基础是相似原理放大原则：（1）反应器的几何特征 （2）氧的体积传递系数 （3）最大剪切力（4）单位液体体积的功率输入 （5）单位反应器有效体积的通气速率 （6）通气表观线速度 （7）混合时间 （8）搅拌雷诺数 （9）动量因子放大方法：经验放大法、量纲分析法、数学模拟法、缩小-放大法、

15、第七章 生物反应器的流变特性1、流体的流动特性：是以剪应力与速度梯度的关系来表示。 影响因素：细胞浓度与形态；胞外产物牛顿型流体：当剪应力与速度梯度成正比时称为牛顿型流体。如气体、低分子的液体。非牛顿型流体：不服从牛顿粘性定律的流体，如，宾汉塑性流体、拟塑性流体、涨塑性流体、凯松流体2、氧的气液传质速率方程为：OTR=kLa(c*-cL) OTR为单位体积培养液中氧的传质速率，mol/(m3.s)；a为比表面积，m2/m3; kLa为体积传质系数,s-1; c*为与气相分压平衡的的液相氧浓度,mol/m3影响因素：1)氧在培养基内的溶解度; 2)氧的传质系数KL; 3)气液比表面积a，m2/m

16、3;4)体积传质系数【大小取决于反应器的几何形状/搅拌桨的类型和速度/气体的线速度/输入能量的大小/培养基的粘度和表面张力等】3、营养物质通过细胞膜的传递形式主要有：被动传递、主动传递、促进传递。一、名词解释：*生物反应工程：是以生物反应动力学为基础，通过运用传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学的方法，进行生物反应工程的工程分析与开发，以及生化反应器的设计、放大、操作和控制等。作为生物工程的一个重要内容和化学反应工程的一个分支。*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。 其实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。*生化工

17、程：是运用化学工程的原理与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科。（实质上就是研究生化反应过程中带有共性的工程技术问题的学科）*生物反应动力学：研究生物反应过程的速率及其影响因素，这是生物反应工程学的基础。*酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标，通常用每微摩尔的酶活力单位数表示，单位为min-1。*有效电子数：当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的摩尔数的4倍称为该基质的有效电子数。(源为葡萄糖， 其完全燃烧时每摩尔葡萄糖需要6mol氧，有效电子数6×424)*生物反应器：指一个能为生物反应提供适宜的反应条件,以达到特定生产目标的设

18、备。是生物技术产业化的核心。*1个酶活力单位：每1min催化1mol的底物转化为产物的酶量。*比活力：指在特定条件下，单位质量酶所具有的酶活力单位。（用于比较酶制剂的纯度和活力的高低）*外扩散：底物从液相主体向固定化酶的外表面的一种扩散，或是产物从固定化酶的外表面向液相主体中的扩散。 内扩散：指对一有微孔载体的固定化酶，其底物从固定化酶外表面扩散到微孔内部的酶催化中心处，或是产物沿着相反途径的扩散。*固定化酶：指固定在载体上并在一定的空间范围内起催化反应的酶。固定化酶：指通过物理或化学的方法使溶液酶转变为在一定的空间内其运动受到完全约束、或受到局部约束的一种不溶于水，但仍具有活性的酶。二、简答题：1、细菌的迟缓期是其分裂繁殖前的准备时期。此时期内，细胞内某种活性物质未能达到细胞分裂所需的最低浓度，因此出现了对数期前的“静止期”。工业生产中选用对数生长期后期的种子接种，正是为了缩短迟缓期。2、 经过减速期到达静止期的原因，一般认为是：必须的营养物质不足；氧的供应不足；抑制剂的积累；生长因子不足；生物的生长空间不够等3、微生物培养的特性：1）微生物所处的环境是不断变化的； 2）可进行少量多品种的发酵生产，发生杂菌污染能够很容易终止操作； 3）当