第11章生化反應器

1、第十一章 生化反應器 生化反應器一般是指利用生物催化劑進行生化反應的設備。 生化反應器可以給活細胞或酶提供適宜的反應環(huán)境和條件，在生物體外實現生物細胞內進行的多種化學反應及物質代謝過程。 以生物反應器為核心的有關生化反應過程，包括酶催化反應動力學和細胞培養(yǎng)動力學、常見的生物反應器以及相關計算等。1 生物和酶催化反應生物產品生產過程 1-1 生物反應過程 利用生物催化劑將原料轉化為產品過程中發(fā)生的一系列生物化學變化過程。生物催化劑是游離的或固定化的細胞和酶的總稱。 當采用游離的整體活微生物細胞作催化劑時，其生物反應過程稱為發(fā)酵過程(在特定情況下有時也稱之為微生物轉化過程)； 當所用生物催化劑為游

2、離或固定化酶時，其生物反應過程稱為酶反應過程(有時也稱為酶促反應過程或酶催化反應過程)。 1-2 生物反應過程的特點1.發(fā)酵過程的特點 反應步驟簡單。 反應條件溫和，消耗能量較少。 反應產物的含量低，副產物較多，產品分離過程復雜。 在反應過程中反應體系容易被雜菌污染。 利用微生物作為催化劑時，細胞的穩(wěn)定性較高。 原料來源豐富，價格低廉。 生產設備簡單，同一裝置可以生產多種產品，設備投資較少。2.酶催化反應的特點 酶催化反應具有專一性。 酶催化劑具有非常高的活性和選擇性。 酶催化反應條件溫和。 酶對于環(huán)境條件的改變比較敏感，穩(wěn)定性差。 酶催化反應對原料的要求較高。 酶催化劑制作工藝復雜，價格昂貴

3、。1-2 酶催化劑的主要類型和用途 1.酶的命名 習慣命名法：通常根據底物和酶所催化的反應性質來命名，如淀粉酶，氧化酶等；有些酶的命名還加上酶的來源或酶的特點，如胃蛋白酶等。 系統(tǒng)命名法：酶的名稱應包括酶的系統(tǒng)名和分類編號，其中酶的系統(tǒng)名依次由底物名稱、反應類型和表示酶的后綴詞-ase構成。2.酶的分類和用途按酶的催化反應類型，可將酶分成六類： 氧化還原酶類（Oxido-reductases） 轉移酶類(Transferases) 水解酶類(Hydrolases) 裂合酶類(Lyases) 異構酶類（Isomerases） 連接酶類（Ligases）2 生物反應動力學 生物反應動力學是研究生物

4、反應速率的規(guī)律，即在一定條件下研究生物反應過程中底物或基質的消耗速率或細胞的生長速率以及產物生成速率等。這種研究不考慮反應器的結構形式，也不考慮熱量傳遞和質量傳遞等工程因素對反應速率的影響，僅專門研究生物反應的本征動力學（微觀動力學） 。 根據生物催化劑種類的不同，生物反應過程有以下兩種情況： 一種是底物在游離或固定化酶催化劑的作用下進行反應，即酶催化反應； 另一種是促進細菌生長的發(fā)酵過程或細胞培養(yǎng)過程，利用細胞中的酶把培養(yǎng)基通過復雜的生物反應轉化成新的細胞及其代謝產物。 2-1 酶催化反應動力學 酶催化反應動力學主要是研究各種因素對酶催化反應速度的影響，以及反應物到產物之間可能進行的歷程，希

5、望用數學原理和質量作用定律解釋酶反應的進程。 酶催化反應有許多類型，酶催化反應動力學方程也有多種模型。 1.米氏方程及動力學參數的求法 米氏方程(MichaelisMenten Equation)酶反應反應機理為米氏方程PSEEPESSEkkk211mSSEKccckpr0,2Km米氏常數，kmolm-3s-1； rP產物P的生成速率，kmolm-3s-1。 米氏方程動力學參數的求法 米氏方程是一個雙曲線函數，不容易直接從rP-cS曲線求出動力學參數，故常將米氏方程轉變?yōu)榫€性形式，然后用作圖法求出動力學常數Km和最大反應速率rmax。 萊恩威弗-伯克（也稱雙倒數作圖） 法smpmssKccck

6、pcrKrrKccrrmSSE111maxmaxmax0,2 伊迪-霍夫施蒂（Eadic-Hofstee）法 黑尼斯-伍爾夫（Hanes-Woolf，簡稱H-W法，又稱蘭格繆爾（Langmuir）作圖法spmpmssKccckpcrKrrKccrrmSSEmaxmax0,2得：由maxmaxmax0,2rcrKrcKccrrsmpsmssKccckpmSSE得由2.影響酶催化反應的因素 底物抑制 抑制劑的影響 pH值對酶催化反應的影響 溫度對酶催化反應的影響 金屬離子的影響 2-2 發(fā)酵和細胞培養(yǎng)動力學 發(fā)酵或細胞培養(yǎng)過程的生物反應動力學就是探討細胞生長、基質消耗和產物形成的動力學。 1.細胞

7、分批培養(yǎng)動力學微生物分批培養(yǎng)時的生長曲線 XXXcdtdcr細胞生長速率： 2. 基質消耗和產物形成速率 在細胞培養(yǎng)過程中，基質的消耗主要用于細胞的增長；而在發(fā)酵過程中，基質除了消耗于細胞增長之外，還消耗于產物的生成。此外還要消耗部分基質用于產生能量以維持細胞正常的生命活動。 對于單細胞培養(yǎng)過程，限制性基質消耗速率表示為：=XSXXSXsscYdtdcYdtdcr/11)( 如果以碳源為限制性基質，當有產物生成時，根據物料衡算，表示基質的消耗速率為： 產物生成動力學較為復雜，產物的生成與細胞的增長以及基質消耗的關系會因培養(yǎng)條件和細胞種類的不同而各異。 dtdcY1mcc1dtdPPXXSGYc

8、 關于產物動力學研究，首先需要通過實驗找到細胞生長、基質消耗和產物生成的規(guī)律，然后建立合理的數學模型并確定模型參數，用數學模型就可以模擬分批培養(yǎng)過程從而達到優(yōu)化控制過程的目的。 3 生化反應器3-1 生化反應器的特殊要求 結構嚴密，內壁光滑無死角，盡量減少內部構件。 盡量少開口，減少閥門、接口和法蘭的數量。 在操作過程中反應器應保持一定表壓。 盡可能減少泡沫的產生以提高裝料量。 應能保持良好的氣液接觸和液固混和狀態(tài)以及熱量交換能力。3-2 生化反應器類型 按幾何外形和內部結構：釜(罐)式、管式、塔式、膜式等； 按生物催化劑類型：酶促反應器、微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細胞反應器、動物細胞反應器等； 按反應器動力輸入方式：機械攪拌式、氣升式和液體噴射環(huán)流式反應器； 按操作方式：間歇式、連續(xù)式和半連續(xù)式生化反應器； 按生物催化劑在反應器中的分布方式：填充床生化反應器、流化床生化反應器、生物轉盤生化反應器、膜生物反應器等； 按物料的流動和混合狀態(tài)：全混流型生化反應器和活塞流型生化反應器； 按培養(yǎng)基質的物料狀態(tài)：液態(tài)生化反應器和固態(tài)生化反應器。機械攪拌式發(fā)酵罐 高位篩板式發(fā)酵罐 環(huán)流式生