生物反應(yīng)工程復(fù)習(xí)資料全10頁

1、.生物反應(yīng)工程原理復(fù)習(xí)資料生物反應(yīng)過程與化學(xué)反應(yīng)過程的本質(zhì)區(qū)別在于有生物催化劑參與反應(yīng)。生物反應(yīng)工程是指將實(shí)驗(yàn)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。酶和酶的反應(yīng)特征酶是一種生物催化劑，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。酶的來源：動(dòng)物、植物和微生物酶的分類：氧化還原酶、水解酶、裂合酶、轉(zhuǎn)移酶、連接酶和異構(gòu)酶酶的性質(zhì)：1）催化共性：降低反應(yīng)的活化能加快反應(yīng)速率不能改變反應(yīng)的平衡常數(shù)。 2)催化特性：較高的催化效率 很強(qiáng)的專一性 溫和的反應(yīng)條件 易變性和失活 3）調(diào)節(jié)功能：濃度、激素、共價(jià)修飾、抑制劑、反饋調(diào)節(jié)等固定化酶的性質(zhì)固定化酶：在一定空間呈封閉狀態(tài)的

2、酶，能夠進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)后可以回收利用。與游離酶的區(qū)別：游離酶-一般一次性使用（近來借助于膜分離技術(shù)可實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用）固定化酶-能長期、連續(xù)使用（底物產(chǎn)物的擴(kuò)散過程對(duì)反應(yīng)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(jié)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(duì)酶性質(zhì)的影響：底物專一性的改變 、穩(wěn)定性增強(qiáng) 、最適pH值和最適溫度變化、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化 單底物均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)米氏方程快速平衡法假設(shè)：（1）CSCE，中間復(fù)合物ES的形成不會(huì)降低CS（2）不考慮 這個(gè)可逆反應(yīng)（3） 為快速平衡， 為整個(gè)反應(yīng)的限速階段，因此ES分解

3、成產(chǎn)物不足以破壞這個(gè)平衡穩(wěn)態(tài)法假設(shè)：（1）CSCE，中間復(fù)合物ES的形成不會(huì)降低CS（2）不考慮這個(gè)可逆反應(yīng)（3）中間復(fù)合物ES一經(jīng)分解，產(chǎn)生的游離酶立即與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物ES濃度保持衡定，即 雙倒數(shù)法（Linewear Burk）：對(duì)米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)得 以 作圖 得一直線，直線斜率為 ，截距為 根據(jù)直線斜率和截距可計(jì)算出Km和rmax 抑制劑對(duì)酶反應(yīng)的影響：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(yīng)機(jī)理：非競爭抑制反應(yīng)機(jī)理：可逆抑制各自的特點(diǎn)：P37多底物均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué) (這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況)強(qiáng)制有序機(jī)制順

4、序機(jī)制 西-錢氏機(jī)制雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)機(jī)制：隨即有序機(jī)制乒乓機(jī)制注意在工業(yè)級(jí)反應(yīng)中， 反應(yīng)速度一般是由改變所用酶濃度和（或）反應(yīng)時(shí)間，而不是改變底物濃度來控制的，并且要測定的最重要參數(shù)是可測的轉(zhuǎn)化率，而不是反應(yīng)速度酶失活的因素有哪些？酶會(huì)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：加熱、冷卻、機(jī)械力 化學(xué)因素有：酸、堿、鹽、溶劑、表面活性劑、重金屬、蛋白酶。酶失活過程的動(dòng)力學(xué)未反應(yīng)時(shí)的失活動(dòng)力學(xué)表征方法（數(shù)學(xué)模型）：一級(jí)失活模型注: E-具有活性的酶D-失活的酶 kd-衰變常數(shù)模型中：d1時(shí)，底物對(duì)酶失活無影響d0時(shí)，酶完全被底物所保護(hù)0d1時(shí)，底物加

5、速酶的失活因此，稱d為底物對(duì)酶穩(wěn)定性影響系數(shù) 影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素:子構(gòu)象的改變、位阻效應(yīng)、微擾效應(yīng)、分配效應(yīng) （可用Kp 定量描述）、擴(kuò)散效應(yīng) （可定量描述）評(píng)價(jià)酶反應(yīng)器指標(biāo)：轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、選擇性、停留時(shí)間均相酶反應(yīng)器的分類： 批式反應(yīng)器（間歇反應(yīng)器）按操作方式 連續(xù)反應(yīng)器 半間歇反應(yīng)器批式反應(yīng)器 將底物一次加入反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)的過程中無底物和產(chǎn)物的輸入和輸出，底物和產(chǎn)物的濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化連續(xù)反應(yīng)器 底物等連續(xù)輸入反應(yīng)器，產(chǎn)物連續(xù)從反應(yīng)器輸出，反應(yīng)器的任何部位的各組分均不隨反應(yīng)時(shí)間變化（穩(wěn)定態(tài)）半連續(xù)反應(yīng)器 在一次反應(yīng)的過程中，底物分次補(bǔ)入批式全混型反應(yīng)器（間歇式攪拌罐反應(yīng)器）（b

6、atch stirred-tank reactor， BSTR）連續(xù)全混型反應(yīng)器（連續(xù)式攪拌罐反應(yīng)器）（continuous stirred-tank reactor，CSTR ）活塞流反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液象活塞樣的流動(dòng)。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(dòng)方向上既沒有混合也沒有擴(kuò)散。非均相酶反應(yīng)器用于由固定化酶催化的非均相反應(yīng)的反應(yīng)器非均相酶反應(yīng)器的類型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮：固定化酶更換操作難易 底物性質(zhì) 反應(yīng)體系

7、粘度 PH值范圍控制等因素非均相酶反應(yīng)器有：攪拌罐反應(yīng)器 可以是：批式的BSTR（一般只適用于實(shí)驗(yàn)室研究，如用于工業(yè)生產(chǎn)，則每批反應(yīng)結(jié)束都要進(jìn)行固液分離）連續(xù)式的CSTR（更適宜與工業(yè)生產(chǎn)，但應(yīng)在出口處設(shè)置過濾器防止固定化酶顆粒的流失）固定床反應(yīng)器 是最廣泛適用的固定化酶反應(yīng)器。缺點(diǎn)：對(duì)固定化酶顆粒的強(qiáng)度要求高；液相的連續(xù)流動(dòng)致溫度和PH控制難。優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)操作、負(fù)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(shí)間將有利于達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率流化床反應(yīng)器 流化流速范圍窄，不易工業(yè)應(yīng)用。缺點(diǎn)：流化態(tài)要求流體流速必須提高到一定程度致停留時(shí)間不足、轉(zhuǎn)化率不能足夠高（克服辦法：部

8、分反應(yīng)液回補(bǔ)再循環(huán)）優(yōu)點(diǎn)：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(huì)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(xì)胞反應(yīng)工程細(xì)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(jī)物等構(gòu)成。物理性質(zhì)：密度：單細(xì)胞微生物的密度會(huì)因培養(yǎng)條件而異；菌體絮凝物及菌絲團(tuán)的濕密度近似于水（流化速率低）；低濃度單細(xì)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(yīng)的特征：特點(diǎn)：常溫常壓不爆炸、主要原料碳源價(jià)廉源廣、反應(yīng)過程受生物的自控

9、、產(chǎn)高分子和特異反應(yīng)易進(jìn)行、細(xì)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(dāng)多地用于繁殖；2副產(chǎn)物較多、反應(yīng)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(shù)不成熟細(xì)胞反應(yīng)的計(jì)量得率系數(shù)細(xì)胞（菌體）得率： YX/S=生成菌體的干重 / 消耗底物的質(zhì)量=微生物生長速率 / 底物消耗速率產(chǎn)物得率：YP/S=代謝產(chǎn)物的生成量 / 底物消耗量碳得率（碳轉(zhuǎn)化率）： YC=生成物含碳量/消耗的碳量=生成的菌體量菌體含碳量/消耗的碳源量碳源的含碳量 細(xì)胞反應(yīng)的化學(xué)平衡通式對(duì)忽略產(chǎn)物生成的細(xì)胞生長過程的計(jì)量關(guān)系可表示為CmHnOl+aO2+bNH3 cCaHbOdNg

10、+dCO2+eH2O底物碳源 氮源 細(xì)胞對(duì)C元素： （1）對(duì)H元素： （2）對(duì)O元素： （3）對(duì)N元素： （4）上述4個(gè)細(xì)胞反應(yīng)的計(jì)量方程，不足以計(jì)算a、b、c、d、e等5個(gè)未知量，因而再尋找1個(gè)方程如在好氧型培養(yǎng)時(shí)，可定義呼吸商（儀器測定）作為第5個(gè)方程； （5）或采用還原度平衡的方法（C=4，H=1，N=-3，O=-2，P=5，S=6）聯(lián)立15式，有解得細(xì)胞反應(yīng)方程的a、b、c、d、e等5個(gè)系數(shù)例：某以葡萄糖為底物的微生物細(xì)胞培養(yǎng)過程，有2/3的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞。其細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)方程為C6H12O6+aNH3+bO2=cC4.4H7.3O1.2N0.86+dH2O+eCO2 葡萄糖 微生物細(xì)胞

11、（1）試確定計(jì)量系數(shù)a、b、c、d、e；（2）試計(jì)算其細(xì)胞對(duì)底物的得率YX / S ；（3）試計(jì)算呼吸商RQ。解：（1）細(xì)胞反應(yīng)的方程式系數(shù)的計(jì)算 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(xì)胞的C元素為： g則有：轉(zhuǎn)化為CO2的C元素為： g 則： ，對(duì)N元素平衡，有：對(duì)H元素平衡，有： 對(duì)O元素平衡，有： ，所以： a= 0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=2即： C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2（2）細(xì)胞對(duì)底物的得率YX / S的計(jì)算（3）

12、呼吸商RQ的計(jì)算呼吸商的計(jì)算 比消耗速率比生成速率微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的分類：有，按是否對(duì)細(xì)胞的生長進(jìn)行平衡生長化假設(shè)，分的類型：結(jié)構(gòu)模型、非結(jié)構(gòu)模型（非平衡生長時(shí)，采用結(jié)構(gòu)模型）有，按是否考慮細(xì)胞群體中的個(gè)體的隨機(jī)（即時(shí)）變化，分的類型：隨機(jī)性模型、確定性模型（當(dāng)細(xì)胞濃度在104個(gè)/ml以下時(shí)，需足夠重視個(gè)體的影響，采用隨機(jī)性模型如，滅菌動(dòng)力學(xué)；發(fā)酵過程中，細(xì)胞濃度經(jīng)常在1071010個(gè)/ml范圍內(nèi)，可忽略個(gè)體的影響，采用確定性模型）平衡生長條件下微生物細(xì)胞的生長速率rx的定義式為 式中X為微生物的濃度，為微生物的比生長速率，其除受細(xì)胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素所影響。由上式可知，與倍

13、增時(shí)間(doubling time) td的關(guān)系為： 定義，比生長速率 （1/h）：為細(xì)胞的生長速率（g.DCW/L.h）； 為細(xì)胞的質(zhì)量濃度（g.DCW/L）Monod方程注： -比生長速率（h-1） -最大比生長速率（h-1） -飽和常數(shù)（g/L） -限制性底物濃度（g/L）代謝產(chǎn)物的生成動(dòng)力學(xué)根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生成速率之間的關(guān)系，將其分成三種類型。相關(guān)模型,是指產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長呈相關(guān)的過程。產(chǎn)物是細(xì)胞能量代謝的結(jié)果。此時(shí)產(chǎn)物通常是基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物。例如：乙醇、葡萄糖酸等。部分相關(guān)模型,反應(yīng)產(chǎn)物生成與基質(zhì)消耗僅有間接的關(guān)系。產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。在細(xì)胞生長期內(nèi)，基本無產(chǎn)物生成。

14、屬于這類的有檸檬酸和氨基酸的生產(chǎn)等。非相關(guān)模型,產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長無直接關(guān)系。在微生物生長階段，無產(chǎn)物積累，當(dāng)細(xì)胞停止生長，產(chǎn)物卻大量生成。屬于這類的有青霉素等二級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。微生物反應(yīng)器操作深層培養(yǎng)的幾種方式：n 分批式操作（batch operation）：是指基質(zhì)一次性加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入，反應(yīng)完成后將全部反應(yīng)物料取出的操作方式n 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(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反應(yīng)器中，反應(yīng)開始，反應(yīng)過程中將特定的限制性基質(zhì)按照一定要求加入到反應(yīng)器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)保持一

15、定，當(dāng)反應(yīng)終止時(shí)取出反應(yīng)物料的操作方式 。n 反復(fù)分批式操作（repeated batch operation）：指分批操作完成后，不全部取出反應(yīng)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(fù)進(jìn)行。n 反復(fù)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(yīng)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(jìn)行，反復(fù)進(jìn)行。n 連續(xù)式操作（continuous operation)：是指在分批式操作進(jìn)行到一定階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷地加入反應(yīng)器內(nèi)，另一方面又把反應(yīng)物料連續(xù)不斷的取出，使反應(yīng)條件（如反應(yīng)液體積等）不隨時(shí)

16、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）可表示為：基質(zhì)：基質(zhì)（底物）消耗速率 基質(zhì)（底物）比消耗速率 菌體：dX/dt=X產(chǎn)物：產(chǎn)物的生成速率 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(diǎn)？前者包括定流量流加、指數(shù)流加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加操作。 連續(xù)操作有兩大類型，即CSTR（continuous stirred tank reactor）型和CPFR(continuous plug flow tulular reactor）型。 根據(jù)達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)的方法不同，CSTR型連續(xù)操作，大致可分為三種。

17、一是恒化器法（chemostat），二是恒濁器法（第三是營養(yǎng)物恒定法）。各有什么特點(diǎn)？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(xì)胞的生長速率與恒定流量相適應(yīng)的方法。恒濁器法是指預(yù)先規(guī)定細(xì)胞濃度，通過基質(zhì)流量控制，以適應(yīng)細(xì)胞的既定濃度的方法。營養(yǎng)物恒定法是指通過流加一定成分，使培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分恒定的方法。實(shí)際應(yīng)用中多采用恒化器法 。（注意：恒化培養(yǎng)的沖出現(xiàn)象）（恒化器法連續(xù)）變化量=流入量+生成量-流出量F為反應(yīng)液流入與流出速度L/h， V為反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液的體積L， Sin為流入液中限制性底物的濃度mol/L， S為反應(yīng)器內(nèi)和流出液中限制性底物濃度mol/L， 其余符號(hào)同前

18、。 D稱為稀釋率：物質(zhì)傳遞以液相濃度為基準(zhǔn)可得下式：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(yīng)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(zhǔn)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？如何提高氧的傳質(zhì)速率？營養(yǎng)通過細(xì)胞膜的傳遞形式有：被動(dòng)傳遞、主動(dòng)傳遞、促進(jìn)傳遞體積傳質(zhì)系數(shù)的測定方法：亞硫酸鹽法、溶氧電極法（包括動(dòng)態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法）生物反應(yīng)器的放大放大原則：即使是最常用的通氣攪拌罐，其規(guī)模放大仍然存在許多問題，在很大程度上還需要逐級(jí)放大數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，總結(jié)生物反應(yīng)系統(tǒng)

19、的內(nèi)在規(guī)律及影響因素，重點(diǎn)研究解決質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和熱量傳遞問題，使在反應(yīng)器放大過程中盡可能維持生物細(xì)胞的生長速率、代謝產(chǎn)物的生成速率細(xì)胞反應(yīng)器放大的具體方法：1幾何尺寸的放大（Di）；2通氣量的放大（Q/V、s）； 3以單位體積的通氣量相同的原則放大；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攪拌功率的放大（n）； 7以流體雷諾數(shù)相同的原則放大；8以攪拌槳葉尖速度相同的原則放大；9以單位體積液體消耗功率 P/V 相等的原則放大。幾何尺寸的放大（Di）D- 反應(yīng)器直徑 Di - 攪拌器直徑 V- 反應(yīng)器的裝料容積通氣量的放大（Q/V、s）由知：大罐的Q要比小罐的小得多以KL相同

20、的原則放大經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)數(shù)的整理，可把Q與KLa關(guān)聯(lián)如下：注： KLa-體積溶氧系數(shù)（1/h） Q-通風(fēng)量（m3/min、或vvm） V-發(fā)酵液體積（m3） HL-發(fā)酵液深度（m） 醒：實(shí)際反應(yīng)體系KLa的關(guān)聯(lián)式具有隨反應(yīng)器結(jié)構(gòu)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(shí)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）細(xì)胞反應(yīng)器中，此方法很少采用 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(shè)備中攪拌器所產(chǎn)生的最大剪切力已接近微生物的剪應(yīng)力極限，這時(shí)就必須按攪拌器末端線速度相等來進(jìn)行放大這在利用絲狀菌（霉菌、放線菌）進(jìn)行的發(fā)酵過程中尤為明顯，保證剪切力才利于菌絲體的分散和氣泡的破裂細(xì)碎，才利于溶氧傳質(zhì)等維持反應(yīng)正常進(jìn)行的因素的達(dá)到通常對(duì)大多數(shù)的生物發(fā)酵，攪拌葉尖線速度宜取2.55.0 m/s 得：以單位體積液體消耗功率 P/V 相等的原則放大P/V與KLa有密切的關(guān)系且容易測量和計(jì)算。實(shí)踐表明，對(duì)于溶氧速率控制發(fā)酵反應(yīng)的非牛頓發(fā)酵液，把P/V相等作為放大準(zhǔn)則效果較好早期的青霉素發(fā)酵生物反應(yīng)器的放大就是根據(jù)幾何相似和P/V恒定的方法進(jìn)行的，這種方法應(yīng)用得非常成功 重點(diǎn) 得：通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備（了解，自己看一下方面）