XX生物反應工程復習資料

1、. 生物反應工程原理復習資料 生物反應過程與化學反應過程的本質(zhì)區(qū)別在于有生物催化劑參與反應。 是指將實驗室的成果經(jīng)放大而成為可提供工業(yè)化生產(chǎn)的工藝工程。生物反應工程 酶和酶的反應特征 是一種生物催化劑，具有蛋白質(zhì)的一切屬性；具有催化劑的所有特征；具有其特有的催化特征。酶 ：動物、植物和微生物酶的來源 氧化還原酶、水解酶、裂合酶、轉(zhuǎn)移酶、連接酶和異構酶酶的分類： 1）催化共性：降低反應的活化能加快反應速率不能改變反應的平衡常數(shù)。酶的性質(zhì)： 易變性和失活 很強的專一性 溫和的反應條件 催化特性：較高的催化效率 2) 3）調(diào)節(jié)功能：濃度、激素、共價修飾、抑制劑、反饋調(diào)節(jié)等 固定化酶的性質(zhì) 固定化酶：

2、在一定空間呈封閉狀態(tài)的酶，能夠進行連續(xù)反應，反應后可以回收利用。 與游離酶的區(qū)別： -一般一次性使用（近來借助于膜分離技術可實現(xiàn)反復使用）游離酶-固定化酶-能長期、連續(xù)使用（底物產(chǎn)物的擴散過程對反應速率有一定的影響；一般情況下穩(wěn)定性有所提高；以離子鍵、物理吸附、疏水結合等法固定的酶在活性降低后，可添加新鮮酶溶液，使有活性的酶再次固定，“再生”活性） 固定化對酶性質(zhì)的影響：底物專一性的改變 、穩(wěn)定性增強 、最適pH值和最適溫度變化、動力學參數(shù)的變化 單底物均相酶反應動力學 米氏方程 kk12 ?P?E?SES?E k1? 快速平衡法假設：（1）CSCE，中間復合物ES的形成不會降 專業(yè)資料 .

3、（2）不考慮低CSP?EESE?S?ES分解成產(chǎn)物不足以ES 為整個反應的限速階段，因此 這個可逆反應（3） 為快速平衡， 破壞這個平衡 PE?ES這個可逆）不考慮（，中間復合物）1CSCEES的形成不會降低CS2 （穩(wěn)態(tài)法假設：dCES）中間復合物3 反應（ ES一經(jīng)分解，產(chǎn)生的游離酶立即與底物結合，使中間復合物ES濃度保持衡定，即0? dt 專業(yè)資料 . ）：雙倒數(shù)法（Linewear Burk 對米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)11K111m?CrCrrrSSmaxmax 以 作圖 得 K1mrrmaxmax 得一直線，直線斜率為 ，截距為 根據(jù)直線斜率和截距可計算出Km和rmax 抑制劑對酶反應的影

4、響： 失活作用（不可逆抑制） 抑制作用（可逆抑制 ）：競爭抑制 、反競爭抑制 、非競爭抑制 、 混合型抑制 競爭抑制反應機理： kk12?PES?ESE?k1? KIEI?I?E 專業(yè)資料 . 非競爭抑制反應機理： kk12 ?P?S?ES?EEk1? KIEI?E?IKI ES?I?ESI 專業(yè)資料 . 可逆抑制各自的特點：P37 A?B?P?Q) 這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況 多底物均相酶反應動力學 (強制有序機制 順序機制 西-錢氏機制 雙底物雙產(chǎn)物反應機制： 隨即有序機制 乒乓機制 注意，而不是改變底物濃度來控制的，并且酶濃度反應速度一般是由改變所用和（或）反應時間 在工業(yè)級反應中， 要

5、測定的最重要參數(shù)是可測的轉(zhuǎn)化率，而不是反應速度 酶失活的因素有哪些？加熱、酶會由于種種因素發(fā)生失活。其中熱失活最重要。酶的熱失活隨溫度升高而失活程度加劇。物理因素有： 專業(yè)資料 . 化學因素有：酸、堿、鹽、溶劑、表面活性劑、重金屬、蛋白酶。冷卻、機械力 酶失活過程的動力學 未反應時的失活動力學kdDE? ：一級失活模型表征方法（數(shù)學模型） E 具有活性的酶-注:D 失活的酶-kd - 衰變常數(shù) 模型中： 時，底物對酶失活無影響1? 專業(yè)資料 . 0時，酶完全被底物所保護? 時，底物對酶有部分保護作用101 ?為底物對酶穩(wěn)定性影響系數(shù) 因此，稱 : 影響固定化酶促反應的主要因素 （可定量描述）

6、（可用Kp 定量描述）、擴散效應子構象的改變、位阻效應、微擾效應、分配效應 ：轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、選擇性、停留時間評價酶反應器指標 均相酶反應器的分類： 批式反應器（間歇反應器） 連續(xù)反應器 按操作方式 半間歇反應器 濃度將底物一次加入反應器內(nèi)，在反應的過程中無底物和產(chǎn)物的輸入和輸出，底物和產(chǎn)物的 批式反應器 隨反應時間變化 專業(yè)資料 . 不隨反應時底物等連續(xù)輸入反應器，產(chǎn)物連續(xù)從反應器輸出，反應器的任何部位的各組分均 連續(xù)反應器間變化（穩(wěn)定態(tài)） 半連續(xù)反應器 在一次反應的過程中，底物分次補入 批式全混型反應器（間歇式攪拌罐反應器）（batch stirred-tank reactor， BSTR）

7、 連續(xù)全混型反應器（連續(xù)式攪拌罐反應器）（continuous stirred-tank reactor，CSTR ） 活塞流反應器（plug flow reactor，PFR） 全混流流入的液體在裝置內(nèi)瞬間完全混合。也就是說，各組分的濃度及粒子的分散無論在什么地方都完全相同。 活塞流反應器內(nèi)反應液象活塞樣的流動。通過裝置的液體在垂直于從入口到出口的流向的方向上的速率完全相同，在流動方向上既沒有混合也沒有擴散。 非均相酶反應器 用于由固定化酶催化的非均相反應的反應器 非均相酶反應器的類型及結構設計要考慮：固定化酶更換操作難易 底物性質(zhì) 反應體系粘度 PH值范圍控制等因素 非均相酶反應器有： 攪

8、拌罐反應器 可以是：批式的BSTR（一般只適用于實驗室研究，如用于工業(yè)生產(chǎn)，則每批反應結束都要進行固液分離） 連續(xù)式的CSTR（更適宜與工業(yè)生產(chǎn)，但應在出口處設置過濾器防止固定化酶顆粒的流失） 專業(yè)資料 . 固定床反應器 是最廣泛適用的固定化酶反應器。 缺點：對固定化酶顆粒的強度要求高；液相的連續(xù)流動致溫度和PH控制難。 優(yōu)點：連續(xù)操作、負載力大、效率高、生產(chǎn)能力大等 操作：液相的流速和Re數(shù)都采用較小值、延長停留時間將有利于達到一定的轉(zhuǎn)化率 流化床反應器 流化流速范圍窄，不易工業(yè)應用。 缺點：流化態(tài)要求流體流速必須提高到一定程度致停留時間不足、轉(zhuǎn)化率不能足夠高（克服辦法：部分反應液回補再循環(huán)

9、） 優(yōu)點：1液相和固相的微環(huán)境較易控制2傳熱、傳質(zhì)性能好3不會堵塞4 能處理微小粉末狀底物 5固定化酶顆?？梢宰龅米銐蛐。?可以足夠高） 細胞反應工程 細胞的基本特征： 菌體成分：由80%左右的水分，以及蛋白質(zhì)、糖、脂類、核酸、維生素和無機物等構成。 物理性質(zhì)： 密度：單細胞微生物的密度會因培養(yǎng)條件而異；菌體絮凝物及菌絲團的濕密度近似于水（流化速率低）；低濃度單細胞菌體懸浮液為牛頓流體；一般，含菌絲的培養(yǎng)液顯示非牛頓流體特性；分泌了大量高分子化合物的菌體懸浮液為非牛頓流體（非牛頓流體的攪拌和通氣效果很差） 微生物反應的特征： 特點：常溫常壓不爆炸、主要原料碳源價廉源廣、反應過程受生物的自控 、

10、產(chǎn)高分子和特異反應易進行、細胞本身也是產(chǎn)品、遺傳改變可大幅度改良性能或獲得新性能 但是 ：1底物相當多地用于繁殖；2副產(chǎn)物較多、反應條件影響產(chǎn)品品質(zhì)； 3容易發(fā)生遺傳變異，有利于維持性能穩(wěn)定的固定化技術不成熟 細胞反應的計量 得率系數(shù) 細胞（菌體）得率： 專業(yè)資料 . 底物消耗速率 / / 消耗底物的質(zhì)量=微生物生長速率 YX/S=生成菌體的干重 底物消耗量 / 產(chǎn)物得率：YP/S=代謝產(chǎn)物的生成量 ：碳得率（碳轉(zhuǎn)化率） /消耗的碳源量碳源的含碳量生成物含碳量/消耗的碳量=生成的菌體量菌體含碳量 YC= 細胞反應的化學平衡通式 對忽略產(chǎn)物生成的細胞生長過程的計量關系可表示為c?ab?demnl

11、H2O O C+HCON+HO2+CO2+ NH3 ?底物碳源 氮源 細胞 d?m?c? ）（1 C對元素： e2c3n?b?對H元素： （2） ?c?2d?el?2a? 3） （ 對O元素： ?c?b? ） （4 N元素： 對 e上述4個細胞反應的計量方程，不足以計算a、b、c、d、等5個未知量，因而再尋找1個方程 如在好氧型培養(yǎng)時，可定義呼吸商（儀器測定）作為第5個方程；RQ?d/a ） （5 H=1或采用還原度平衡的方法（C=4，N=-3，O=-2，P=5，）S=6?0am001? 式，有1聯(lián)立5?nb030?2?l02c21? ?010?0d0?0RQ0100e? 解得細胞反應方程的a

12、、b、c、d、e等5個系數(shù) 例：某以葡萄糖為底物的微生物細胞培養(yǎng)過程，有2/3的碳轉(zhuǎn)化為細胞。其細胞培養(yǎng)的反應方程為 abcdeCO2 H2O+C6H12O6+NH3+O2=C4.4H7.3O1.2N0.86+ 專業(yè)資料 . 葡萄糖 微生物細胞 abcde；、1）試確定計量系數(shù) 、（YX / S ；2）試計算其細胞對底物的得率 （RQ。 （3）試計算呼吸商解：（1）細胞反應的方程式系數(shù)的計算 ?482/72?3 1mol葡萄糖所含有的C元素為72g，根據(jù)題意1mol葡萄糖轉(zhuǎn)化為微生物細胞的C元素為： 48?0?.909c 4.4?12g 72?48?24 g 則有：轉(zhuǎn)化為CO2的C元素為： 2

13、4?12ee?2 ， 則：a?0.86c?0.782 N元素平衡，有：對12?3a?7.3c?2d 對H元素平衡，有： c.7312?3a? ?d 2909012?3?.782?7.3?0.? 2 855.?3 6?2?b?1.2c?d?2e ， 元素平衡，有：對O 1.2c?d?2e?6?b 2 1.2?0.909?3.855?2?2?6? 2 ?1.473 所以： abc=de=2 ，=3.855 ，= 0.782，=1.4730.909， 即： 專業(yè)資料 . C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2 YX

14、/ S的計算 2）細胞對底物的得率（0.909(4.4?12?7.3?1?1.2?16?0.86?14) ?YSX/ 10.909?91.34?83.028g細胞/mol葡萄糖 183.028?0.461g細胞/g葡萄糖 180 CO的生成速率2?RQ O的消耗速率2 （呼吸商 ）3 的計算RQe2?1.358 473.1b 呼吸商的計算 比消耗速率 比生成速率 微生物反應動力學 模型的分類：有，按是否對細胞的生長進行平衡生長化假設，分的類型：結構模型、非結構模型（非平衡生長時，采用結構 模型） 專業(yè)資料 . 有，按是否考慮細胞群體中的個體的隨機（即時）變化，分的類型：隨機性模型、確定性模型（

15、當細胞濃度在104個/ml以下時，需足夠重視個體的影響，采用隨機性模型如，滅菌動力學；發(fā)酵過程中，細胞濃度經(jīng)常在1071010個/ml范圍內(nèi)，可忽略個體的影響，采用確定性模型） 平衡生長條件下微生物細胞的生長速率rx的定義式為 dX? X?r xdt ，其除受細胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素所影響。由式中X為微生物的濃度，為微生物的比生長速率693.20ln?r tt?X? 上式可知，與倍增時間(doubling time) td的關系為： dd X ）： （1/h 定義，比生長速率 rXX ）為細胞的質(zhì)量濃度（g.DCW/Lg.DCW/L.h）； 為細胞的生長速率（ Monod方程?S

16、h-1） -比生長速率（注： ?max? ?SK? -最大比生長速率（h-1） maxSKS ）-飽和常數(shù)（g/L ?S g/L）- 限制性底物濃度（ 代謝產(chǎn)物的生成動力學根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細胞生成速率之間的關系，將其分成三種類型。是指產(chǎn)物生成與細胞生長呈相關的過程。產(chǎn)物是細胞能量代謝的結果。此時產(chǎn)物通常是基質(zhì)的分解代,相關模型 謝產(chǎn)物。例如：乙醇、葡萄糖酸等。反應產(chǎn)物生成與基質(zhì)消耗僅有間接的關系。產(chǎn)物是能量代謝的間接結果。在細胞生長期內(nèi)，基本,部分相關模型 無產(chǎn)物生成。屬于這類的有檸檬酸和氨基酸的生產(chǎn)等。產(chǎn)物的生成與細胞的生長無直接關系。在微生物生長階段，無產(chǎn)物積累，當細胞停止生長，產(chǎn)物卻,

17、非相關模型 大量生成。屬于這類的有青霉素等二級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。 專業(yè)資料 . 微生物反應器操作 深層培養(yǎng)的幾種方式： ? 分批式操作（batch operation）：是指基 質(zhì)一次性加入反應器內(nèi)，在適宜條件下將微 生物菌種接入，反應完成后將全部反應物料 取出的操作方式 ? 半分批式操作（semi-batch operation）：又 稱流加操作，是指先將一定量基質(zhì)加入反應器 內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反應器中， 反應開始，反應過程中將特定的限制性基質(zhì)按 照一定要求加入到反應器內(nèi)，以控制限制性基 質(zhì)保持一定，當反應終止時取出反應物料的操 作方式 。 ? 反復分批式操作（repeated

18、batch operation）： 指分批操作完成后，不全部取出反應物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照分批式操作方式，反復進行。 ? 反復半分批式操作（repeated semi-batch operation）：是指流加操作完成后，不全部取出反應物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照流加操作方式進行，反復進行。 ? 連續(xù)式操作（continuous operation)：是指在分批式操作進行到一定階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷地加入反應器內(nèi)，另一方面又把反應物料連續(xù)不斷的取出，使反應條件（如反應液體積等）不隨時間變化的操作方式。 分批式培養(yǎng)過程的狀態(tài)方程式（環(huán)境過程的狀態(tài)方程式）可表

19、示為： 專業(yè)資料 . Vr?VXYSSSX 基質(zhì)：基質(zhì)（底物）消耗速率 基質(zhì)（底物）比消耗速率rVq?V?sSxCsX X 菌體：dX/dt=r?r?Y spps 產(chǎn)物：產(chǎn)物的生成速率rpq?Y?qxspps 產(chǎn)物的比生成速率 流加操作的2種方式：無反饋和有反饋各有什么特點？ 和反饋控制流加操作等。后者分間接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流前者包括定流量流加、指數(shù)流加 加操作。 CPFR(continuous plug flow tulular continuous stirred tank reactor）型和（連續(xù)操作有兩大類型，即CSTR ）型。 reactor，二是恒） 根據(jù)達成

20、穩(wěn)定狀態(tài)的方法不同，CSTR型連續(xù)操作，大致可分為三種。一是恒化器法（chemostat 濁器法（第三是營養(yǎng)物恒定法）。各有什么特點？ 恒化器法是指在連續(xù)培養(yǎng)過程中，基質(zhì)流加速度恒定，以調(diào)節(jié)微生物細胞的生長速率與恒定流量相適應的方法。 恒濁器法是指預先規(guī)定細胞濃度，通過基質(zhì)流量控制，以適應細胞的既定濃度的方法。（注意： 。使培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分恒定的方法。營養(yǎng)物恒定法是指通過流加一定成分，實際應用中多采用恒化器法 恒化培養(yǎng)的沖出現(xiàn)象） （恒化器法連續(xù)） -流入量+生成量流出量=變化量 ，為反應液流入與流出速度FL/h 專業(yè)資料 . V為反應器內(nèi)反應液的體積L， Sin為流入液中限制性底物的濃度m

21、ol/L， S為反應器內(nèi)和流出液中限制性底物濃度mol/L， 其余符號同前。 D?F/V 稱為稀釋率：D 物質(zhì)傳遞 以液相濃度為基準可得下式：?*C?CCC?C推動力C? *ii)CC?N?K(Lk?H1阻力1k1kkGLLG kL為液膜傳質(zhì)系數(shù)； kG為氣膜傳質(zhì)系數(shù)； Ci為氣液界面上的平衡濃度； C為反應液主流中氧的濃度； C*為與氣相氧分壓相平衡的氧濃度； H為亨利常數(shù)； KL為以液膜為基準的總傳質(zhì)系數(shù)。 氣液界面附近氧傳遞的雙膜理論模型 影響物質(zhì)傳遞的因素？ 專業(yè)資料 . 如何提高氧的傳質(zhì)速率？ 被動傳遞、主動傳遞、促進傳遞營養(yǎng)通過細胞膜的傳遞形式有： ）體積傳質(zhì)系數(shù)的測定方法：亞硫酸

22、鹽法、溶氧電極法（包括動態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法 生物反應器的放大在很大程度上還需要逐級放大數(shù)據(jù)和實其規(guī)模放大仍然存在許多問題，放大原則：即使是最常用的通氣攪拌罐，重點研究解決質(zhì)量傳總結生物反應系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律及影響因素，際經(jīng)驗應用理論分析和實驗研究相結合的方法， 遞、動量傳遞和熱量傳遞問題，使在反應器放大過程中盡可能維持生物細胞的生長速率、代謝產(chǎn)物的生成速率 細胞反應器放大的具體方法： ）； 3以單位體積的通氣量相同的原則放大幾何尺寸的放大（1Di）；2通氣量的放大（Q/V、s以流7 攪拌功率的放大（n）； 4；以通氣線速度相同的原則放大；5以KL相同的原則放大；6相等的P/V 以單位體積液體消耗功率 體

23、雷諾數(shù)相同的原則放大；8以攪拌槳葉尖速度相同的原則放大；91? DVD3?2i22? DDV? 原則放大。111i ）幾何尺寸的放大（Di V- 反應器的裝料容積 Di - 攪拌器直徑 D- 反應器直徑 ）通氣量的放大（Q/V、s22?33?VQ DH?1i1L2? DHVQ?2i2L1 由 專業(yè)資料 . 知：大罐的Q要比小罐的小得多 Q 相同的原則放大以KL2H?a?K3 LLV 關聯(lián)如下：KLa經(jīng)過實驗和有關準數(shù)的整理，可把Q與 注： KLa-體積溶氧系數(shù)（1/h） Q-通風量（m3/min、或vvm） m3） V-發(fā)酵液體積（ ）發(fā)酵液深度（ HL-m 2? 3?aKVQHL?2L22?

24、1? HQVKa? 1LL11 醒：實際反應體系KLa的關聯(lián)式具有隨反應器結構和發(fā)酵體系的多變性 攪拌功率的放大（n） 攪拌功率的放大實際上是n和Di的放大。若幾何相似，則Di一定，放大問題就只是選擇攪拌轉(zhuǎn)速n的問題 ? （以流體雷諾數(shù)相同的原則放大）2LD?Re?n i?L 細胞反應器中，此方法很少采用 22D?nRe?Dn2i221?1i2? 2?Dn?Re Dn11i1?2i1 得： 以攪拌槳葉尖速度（即剪切力）相同的原則放大 如果在小型設備中攪拌器所產(chǎn)生的最大剪切力已接近微生物的剪應力極限，這時就必須按攪拌器末端線速度相等 專業(yè)資料 . 來進行放大 這在利用絲狀菌（霉菌、放線菌）進行的發(fā)酵過程中