生化工程 課程串講

生化工程課程串講第一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第二章培養(yǎng)基滅菌第一節(jié)

分批滅菌ln(N/N0)=-Kt

第二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

ln(N/N0)

=-K

tln(C/C0)

=-Kdt雜菌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)△T，△K，

△Kd也就是K對(duì)T的變化率是怎么樣的？第三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三滅菌動(dòng)力學(xué)的重要結(jié)論

細(xì)菌孢子熱死滅反應(yīng)的△E很高，而大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)熱破壞反應(yīng)的△E很低，因而將T提高到一定程度會(huì)加速細(xì)菌孢子的死滅速率，從而縮短在升高溫度下的滅菌時(shí)間（ln(N/N0)

=-K

t）；由于營(yíng)養(yǎng)成分熱破壞的△E很低，上述的溫度提高只能稍微增大其熱破壞溫度，但由于滅菌時(shí)間的顯著縮短，結(jié)果是營(yíng)養(yǎng)成分的破壞量在允許的范圍內(nèi)。第四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、分批滅菌的設(shè)計(jì)要求絕對(duì)的無(wú)菌在工業(yè)上很難做到，因?yàn)椋篘=0，則e-kt=0,1/ekt=0,

ekt=∞,t=∞

因此，絕對(duì)的無(wú)菌很難做到。第五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)分批滅菌過(guò)程：升溫、保溫和降溫，滅菌主要是在保溫過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，在升溫的后期和冷卻的初期，培養(yǎng)基的溫度很高，因而對(duì)滅菌也有一定貢獻(xiàn)。第六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三T滅菌溫度tot1t2t3timeN1N2N升溫保溫降溫N0Ln(N0/N1)Ln(N2/

N)Ln(N1/

N2)LnN0/N=36.8是總的判據(jù)，是由升溫、保溫、降溫三段實(shí)現(xiàn)的ln（N0/N）=ln（×

×）

lnN0/N

=ln

+ln+ln第七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第二節(jié)

連續(xù)滅菌一、連續(xù)滅菌方法與間歇滅菌相比，連續(xù)滅菌的優(yōu)點(diǎn)：1升溫和降溫速度快2滅菌溫度高，保溫時(shí)間短3蒸汽用量平穩(wěn)缺點(diǎn)：1設(shè)備復(fù)雜，投資大。第八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三返混現(xiàn)象：

反應(yīng)器中停留時(shí)間不同的物料之間的混合稱為返混。按照返混的程度，在化學(xué)工程中建立了兩種理想的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器模型。連續(xù)攪拌罐（CSTR）和活塞流反應(yīng)器（PFR）反應(yīng)器返混為∞

返混為零

第九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（1）PFR模型（活塞流模型）plugflowreactor恒溫?zé)釡缇鸂顩r：1同一截面上活孢子濃度（N）相等，熱死滅速率相等。2沿流動(dòng)的方向，活孢子濃度（N）下降，熱死滅速率也相應(yīng)下降。第十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（4）擴(kuò)散模型返混：是不同反應(yīng)時(shí)間的物料之間的混合。PFR：返混程度最小CSTR：返混程度最大高/徑↑，返混程度↓高/徑↓，返混程度↑實(shí)際操作的大部分反應(yīng)器都介于這兩種理想的反應(yīng)器之間。第十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第三章空氣除菌1、空氣除菌的目的及重要性

在好氧深層培養(yǎng)中，微生物細(xì)胞的繁殖代謝需要溶解氧，因?yàn)橛醒跹趸瘜?duì)生物體來(lái)說(shuō)是能量放出最多的途徑。在該過(guò)程中脫去了很多H，H經(jīng)電子傳遞鏈，最后被O2吸收，所以要提供氧?，F(xiàn)在深層培養(yǎng)都是純種培養(yǎng)，培養(yǎng)基接種之前都經(jīng)過(guò)滅菌，通入的氧氣也應(yīng)是無(wú)菌的。第十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第三節(jié)

空氣過(guò)濾設(shè)計(jì)空氣過(guò)濾器使用的過(guò)濾介質(zhì)，按其孔徑大小可分為二類：1)

絕對(duì)過(guò)濾介質(zhì)：絕對(duì)過(guò)濾介質(zhì)的孔隙小于細(xì)菌和孢子，當(dāng)空氣通過(guò)時(shí)微生物被阻留在介質(zhì)的一側(cè)。2)

深層過(guò)濾介質(zhì)：深層過(guò)濾介質(zhì)的截面孔隙大于微生物，為了達(dá)到所需的除菌效果，介質(zhì)必須有一定的厚度，因此稱為深層過(guò)濾介質(zhì)。第十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、深層過(guò)濾原理第十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三1、慣性沖撞機(jī)制（η1

）（大顆粒）氣流中運(yùn)動(dòng)的顆粒，質(zhì)量，速度，具有慣性，當(dāng)微粒隨氣流以一定的速度向著纖維垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣受阻改變方向，繞過(guò)纖維前進(jìn)，微粒由于慣性的作用，不能及時(shí)改變方向，便沖向纖維表面，并滯留在纖維表面。η1式中：微粒密度μ：空氣粘度 V：微粒流速dp：微粒直徑df：纖維直徑C：修正系數(shù)第十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、阻截（截留）機(jī)制（η2）

（小顆粒）阻截機(jī)制對(duì)阻截小顆粒比較有效。細(xì)菌的質(zhì)量小，緊隨空氣流的流線前進(jìn)，當(dāng)空氣流線中所攜帶的顆粒和纖維接觸時(shí)被捕集。截留微粒的捕集效率幾乎完全取決于微粒的直徑，和氣流速度關(guān)系不大。

η2=

NR=

NRe

=

dfuρ/μ

第十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、布朗擴(kuò)散機(jī)制平均自由程M：氣體分子量；ρ：氣體密度。

Vη3第十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、深層過(guò)濾計(jì)算

要解決的問(wèn)題是：處理空氣量為Q時(shí)，含菌個(gè)數(shù)No的空氣要達(dá)到N=10-3，需要的介質(zhì)層厚度L=？Q0，N0

Q，N第十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

那么與L的關(guān)系怎樣？有學(xué)者作了實(shí)驗(yàn)：測(cè)定與L之間的關(guān)系。

lnLSlope=Kln=-KL對(duì)數(shù)穿透定律：

L：濾床厚度、K：與纖維捕集效率有關(guān)的系數(shù)第十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第四節(jié)

其它空氣滅菌方法1熱滅菌法2射線殺菌3靜電除菌第二十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第四章通氣與攪拌三、影響微生物需氧量的因素1.碳源種類碳源種類不同，利用速度不同。

C6H12O6+6O2＝6H2O+6CO22.碳源濃度與碳源濃度是否成為限制性有關(guān)第二十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.培養(yǎng)條件(pH、T)

pH、T影響生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物生成速率。4.(有害)代謝產(chǎn)物抑制細(xì)胞呼吸作用。5.培養(yǎng)時(shí)期的影響不同時(shí)期微生物生命活動(dòng)能力不同。注意：溶解氧濃度對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的影響可能不同。第二十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、氣體溶解過(guò)程的雙膜理論1.氣液兩相間存在穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一層有效膜，溶質(zhì)(氧)以分子擴(kuò)散的傳質(zhì)方式由氣相主體進(jìn)入液相主體。2.在相界面處，氣液兩相達(dá)到平衡。3.在氣、液兩相主體中，溶質(zhì)(氧)濃度均勻。過(guò)程：氧由氣相→→→氣液界面→→→液相氣膜液膜第二十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三ppip-piCi-CL氣膜液膜氣液界面CiCL第二十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三氧分壓pi和氧濃度Ci難測(cè)定，改用總傳質(zhì)系數(shù)KG或KL和總推動(dòng)力。則，在穩(wěn)定傳遞狀態(tài)時(shí)，p*：與液相氧濃度CL平衡的氧分壓；C*：氣相中氧分壓P達(dá)平衡時(shí)的氧濃度；KG：以氧分壓差為推動(dòng)力總傳質(zhì)系數(shù)；KL：以氧濃度差為推動(dòng)力總傳質(zhì)系數(shù)；第二十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三其中，kG或kL與KG或KL的關(guān)系，可根據(jù)亨利定律來(lái)求得，即：第二十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三三、氧傳質(zhì)方程式采用體積溶氧系數(shù)或體積傳質(zhì)系數(shù)：KLa(或KGa)，據(jù)此氧傳質(zhì)(溶氧速率)方程可表示為：第二十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三§4-3影響氧供給的因素根據(jù)氣液傳質(zhì)速率方程式：可知：凡影響推動(dòng)力(C*－CL)或(p－p*)、比表面積a和傳質(zhì)系數(shù)KL的因素，都會(huì)影響氧傳遞速率。第二十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、影響推動(dòng)力的因素1.溫度氧是氣體，它在水中的溶解度隨溫度升高而降低。在常壓、4-33℃內(nèi)，純水中氧的濃度CW*為：第二十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.電解質(zhì)鹽析作用可降低氧的溶解。在電解質(zhì)溶液中，有如下關(guān)系式：：氧在水的溶解度；mol/M3：氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度;mol/M3：電解質(zhì)溶液的濃度；kmol/M3K：Sechenov常數(shù)；第三十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.非電解質(zhì)在非電解質(zhì)溶氧中，氧的溶解度隨溶質(zhì)濃度增加而降低，其規(guī)律類似于電解質(zhì)溶液：：氧在非電解質(zhì)溶液中的溶解度；：非電解質(zhì)中溶質(zhì)的濃度或有機(jī)物濃度；第三十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.氧分壓(1)增加罐壓提高罐壓可提高氧分壓。(2)提高空氣中氧的含量(富氧通氣)a.深冷分離b.吸附分離c.膜分離(3)提高H/D第三十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、影響KLa的因素KLa是a與KL合并作為一個(gè)參數(shù)，實(shí)際中影響該參數(shù)的因素有：(一)操作條件1.攪拌A.攪拌的作用：(1)打碎，防合并，增大氣液接觸面積；(2)產(chǎn)生渦流，螺旋，延長(zhǎng)停留時(shí)間；(3)產(chǎn)生湍流，減厚度，降阻力；(4)均勻混合，利吸收和積累；第三十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三B.攪拌器(1)型式：旋槳式，軸向推動(dòng)；渦輪式，徑向推動(dòng)，形成上下兩個(gè)翻動(dòng)；后者常被采用。多組時(shí)，上常為平槳式，下常為渦輪式；(2)轉(zhuǎn)速n和直徑d：影響溶氧水平和混合程度。P∝H攪Q攪∝n3d5，攪拌循環(huán)量Q攪∝nd3，H攪∝n2d2；增加n對(duì)提高溶氧有利，增加d對(duì)均勻混合有利。第三十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(3)間距(相對(duì)位置)：太大，產(chǎn)生攪拌死角；太小，相互干擾；因流體力學(xué)性質(zhì)不同而有所差別，牛頓型:d=(3-4)D，非牛頓型:d<2D；(4)位置(距罐底的距離)：h太大，最底部液體難提升，造成局部缺氧。太小，造成功率損失。一般為：(0.8-1)d。(5)組數(shù)：確定與H/D有關(guān)，綜合考慮溶氧和功率消耗等因素。第三十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.通氣的影響對(duì)特定發(fā)酵罐，α、β是定值。隨增加,增加；增加，增加。影響α、β的因素可以影響KLa值，與罐的形狀、結(jié)構(gòu)有關(guān)，隨罐徑增加而降低。通氣表觀線速度第三十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(二)液體性質(zhì)的影響(1)液體密度ρ：(2)粘度μ：(3)表面張力σ：(4)擴(kuò)散系數(shù)DL：綜上所述，影響可歸納為：第三十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(三)其它因素的影響(1)表面活性劑：定向排列；(2)離子強(qiáng)度：KLa比水大(見(jiàn)圖1)；(3)細(xì)胞濃度：非牛頓型增加(見(jiàn)圖2)；溶質(zhì)濃度(g/L)X圖1圖2第三十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三§4-4溶氧系數(shù)的測(cè)定（Kla）化學(xué)方法：亞硫酸鹽氧化法極譜法電極法取樣排氣一、亞硫酸鹽氧化法二、極譜法三、復(fù)膜電極法四、氧平衡法它們的作用原理：第三十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第5章生物反應(yīng)器的比擬放大一般說(shuō)來(lái)，菌種的接入方式、菌齡、接種量、培養(yǎng)基組成、加料方式、pH值、操作溫度、罐壓、溶氧速率、攪拌混合強(qiáng)度等因素，都不同程度地影響細(xì)胞的反應(yīng)過(guò)程。第四十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三5.1幾何尺寸放大

在反應(yīng)罐的放大中，放大倍數(shù)實(shí)際上就是罐的體積增加倍數(shù)。放大倍數(shù)m=V放大/V模型一般要保持幾何相似的原則，那么H1/D1=H2/D2=A(常數(shù))

V2/V1=(D2/D1)3=mD2/D1=m1/3(H2/H1)3=mH2/H1=m1/3第四十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三5.2空氣流量放大

生物反應(yīng)中空氣流量一般有兩種表示方法：

1．以單位培養(yǎng)液體積在單位時(shí)間內(nèi)通入的空氣量VVM（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）來(lái)表示（m3/m3·

h）2．以操作狀態(tài)下的空氣直線速度Vs表示，m/min兩種空氣流量表示方式可以換算。第四十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三整理出:

(VVM)=(VVM)∝Vs1PLD227465.6VL(273+t)m3/m3·

min標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下面討論三種空氣流量的放大方法:(1)以單位培養(yǎng)液體積中空氣流量相同的原則放大：(vvm)1=(vvm)2

Vs∝(vvm)VL/PD2∝(vvm)D/PVs1PLD2VLVs2Vs1=D2

D1P1P2,Vs2可求第四十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(2)以空氣直線流速相同的原則放大:

VS1=VS2

(VVM)2(VVM)1=P2P1D2D1()2VL1VL2=P2P1D1D2(VVM)2可求。因?yàn)閂2/V1=(D2/D1)3第四十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三（3）以KLa

值相同的原則放大

Kd=(2.36+3.30Ni)·(Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9式中有Pg、N等未定參數(shù)?？煽紤]用其它經(jīng)驗(yàn)式，如Kla∝（）（HL）2/3

最后推導(dǎo)出：QVL（VVM）2（VVM）1=（）

2/3

D1D2P2P1第四十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三5.3

攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)數(shù)的放大攪拌功率以及攪拌轉(zhuǎn)數(shù)放大的方法很多，用于發(fā)酵罐的三種放大方法如下：（1）以單位體積培養(yǎng)液所消耗的功率相同原則放大(Po/V)1=(Po/V)2Rem=104-106,Np不變功率準(zhǔn)數(shù)：Np=Po/(ρN3D5)∴Po∝N3D5V∝D3因此Po/V∝N3D2，(

N3D2)1

=(

N3D2)2

∴確定轉(zhuǎn)數(shù)N2=N1(D1/D2)2/3

（P0）2/（P0）1=(N2/N1)3(D2/D1)5

下標(biāo)1是模型罐，下標(biāo)2是放大罐。第四十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三（2）以單位培養(yǎng)液體積所消耗的通氣功率相同原則放大

此時(shí)(Pg/V)1=(Pg/V)2∵Po=NpρN3D5Np:功率準(zhǔn)數(shù)Rem>104

時(shí)Np趨于常量

Po∝N3D5根據(jù)Michel計(jì)算Pg的公式Pg=C(Po2·ND3/Q0.56)0.45第四十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三Pg∝[(N3D5)2ND3/(D2Vs)0.56]0.45

∝N3.15·D5.346/Vs0.252Pg/V=N3.15·D2.346/Vs0.252∴N2/N1=(D1/D2)0.745[Vs2/Vs1]0.08Pg2/Pg1=(N2/N1)3·(D2/D1)5=(D2/D1)2.756[Vs2/Vs1]0.24下標(biāo)1為模型罐，下標(biāo)2為放大罐第四十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三（3）以體積傳質(zhì)系數(shù)KLa相等的原則放大

由于氣液接觸過(guò)程中，傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式較多，以福田秀雄的關(guān)聯(lián)式為放大基準(zhǔn)

Kd=(2.36+3.30Ni)·(Pg/V)0.56*Vs0.7*N0.7*10-9KLa∝(Pg/V)0.

56Vs0.7N0.7因Pg/V

∝N3.15·D2.346/Vs0.252KLa∝N2.45Vs0.56D1.32按(KLa)2=(KLa)1原則N2=

N1[Vs]1/(Vs)2]0.23(D1/D2)0.533(pg)2=(pg)1[Vs]2/(Vs)1]0.067(D2/D1)3.667第四十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第六章連續(xù)培養(yǎng)的基本原理

微生物的生長(zhǎng)一般分五個(gè)階段各段微生物所呈現(xiàn)狀態(tài)的原因

遲緩期（適應(yīng)期）對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期減速期靜止期（平衡期）衰退期（死亡期）第五十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三在微生物培養(yǎng)過(guò)程中，菌體濃度的生長(zhǎng)速率是菌體濃度、基質(zhì)濃度和抑制劑濃度的函數(shù)，即

dx/dt=f(X.S.I)以上兩式表明菌體濃度的增長(zhǎng)速率與培養(yǎng)液中菌體濃度成正比。

第五十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三比生長(zhǎng)速率的意義：比生長(zhǎng)速率就是菌體生長(zhǎng)速率與培養(yǎng)基中菌體濃度之比，它與微生物的生命活動(dòng)有聯(lián)系。

在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，μ是一個(gè)常數(shù)，這時(shí)第五十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

（2）無(wú)抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

——Monod方程

理解并討論公式細(xì)胞的比生長(zhǎng)速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系可用下式表示：第五十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)生長(zhǎng)的影響

所有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均存在一上限濃度，超過(guò)此限，反而會(huì)引起生長(zhǎng)速率的下降。這種效應(yīng)稱為基質(zhì)抑制作用（高滲透壓作用）。另外，某些代謝產(chǎn)物也能抑制生長(zhǎng)。其反應(yīng)方程式為：

Kp為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；P為代謝產(chǎn)物濃度

第五十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第二節(jié)連續(xù)培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)及連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用2、單級(jí)恒化器生產(chǎn)率與分批發(fā)酵生產(chǎn)率的比較連續(xù)培養(yǎng)的生產(chǎn)率為：

P=DX得第五十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三連續(xù)培養(yǎng)的最大生產(chǎn)率對(duì)（5.2.2）求一階導(dǎo)數(shù)并使其為零，計(jì)算出：第五十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三Pc與Pb的比較（分批培養(yǎng)與連續(xù)培養(yǎng)）第五十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三限制性基質(zhì)為碳源時(shí)，部分消耗的碳源作為能量供生命活動(dòng)，X偏低；N，S為限制性基質(zhì)，D較小時(shí)會(huì)積累多糖，脂肪等，X偏高；Mg,P,K為限制性基質(zhì)時(shí)，同上，但細(xì)胞內(nèi)這些物質(zhì)下降，YX/S增大，細(xì)胞濃度偏高；復(fù)合培養(yǎng)基時(shí)，情況復(fù)雜，隨著μ變化，限制性基質(zhì)會(huì)改變，X下降。連續(xù)培養(yǎng)結(jié)果與正常情況發(fā)生偏差第五十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

第七章固定化細(xì)胞和酶

7.1

固定化方法及固定化后酶和細(xì)胞的性質(zhì)

一、固定化的原則和方法由于酶催化作用依靠它的高級(jí)結(jié)構(gòu)及活性中心。固定化時(shí)，活性中心的必需基團(tuán)避免參加反應(yīng)；避免高溫、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑以及高濃度鹽的處理，保護(hù)靠氫鍵、離子鍵、疏水鍵等弱鍵維系的酶蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)。盡可能在溫和條件下進(jìn)行固定化反應(yīng)。第五十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三固定化方法：載體結(jié)合法：將酶（細(xì)胞）固定在不溶性載體上。靠共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、和物理吸附。常用的載體：纖維素、葡聚糖、瓊脂糖等多糖衍生物顆?；蚨嗫撞ＡУ?。載體結(jié)合法交聯(lián)法包埋法8.1

固定化方法及固定化后酶和細(xì)胞的的性質(zhì)第六十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三交聯(lián)法：使酶與具有兩個(gè)以上官能團(tuán)的試劑（戊二醛）進(jìn)行反應(yīng)，應(yīng)用化學(xué)鍵把酶固定。

包埋法：將酶包在凝膠微小格子內(nèi)，或是將酶包裹在半透性聚合物膜內(nèi)的固定化方法。常用的凝膠為聚丙烯酰胺、海藻酸鈣、膠原、卡拉膠等。包埋法簡(jiǎn)單，可適用于大多數(shù)酶。第六十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、穩(wěn)定性酶或細(xì)胞被固定化后，由于載體的存在，酶分子的結(jié)構(gòu)或細(xì)胞被約束，對(duì)外部惡劣環(huán)境的敏感性下降，使其穩(wěn)定性增加（對(duì)熱、對(duì)各種化學(xué)試劑等）。而且有時(shí)穩(wěn)定性增加的幅度比較大。第六十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、催化活性（底物專一性，反應(yīng)的pH值，T，動(dòng)力學(xué)常數(shù)）a.

底物專一性：當(dāng)?shù)孜餅榇蠓肿訒r(shí)，酶或細(xì)胞對(duì)底物專一性下降；當(dāng)?shù)孜餅樾》肿訒r(shí)，酶或細(xì)胞對(duì)底物專一性變化不大。b．最適pH：依固定化載體與酶分子、細(xì)胞上所分布電荷的相互作用不同而異。有的變化，有的不變化，有的向pH小的方向移動(dòng)，有的向pH大的方向移動(dòng)。第六十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、催化活性（底物專一性，反應(yīng)的pH值，T，動(dòng)力學(xué)常數(shù)）c.反應(yīng)的最適溫度固定化酶、細(xì)胞的最適溫度往往升高，升高的幅度不同，2~15oC不等。d.動(dòng)力學(xué)常數(shù)酶：米氏常數(shù)km反映了酶和底物的親和力。固定化酶的表現(xiàn)Km(app)與游離酶的Km相比有些不變，有的變化很大。第六十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三固定化酶和細(xì)胞技術(shù)的顯著特點(diǎn)：1．連續(xù)反應(yīng)；2．獲得的產(chǎn)物純度高；3．固定化酶或細(xì)胞可重復(fù)使用，減少了浪費(fèi)；4．易實(shí)現(xiàn)自控。第六十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三底物從反應(yīng)液移向載體表面（外擴(kuò)散）底物從載體表面移向酶活性中心（內(nèi)擴(kuò)散）酶反應(yīng)產(chǎn)物由反應(yīng)位點(diǎn)移向載體表面（內(nèi)擴(kuò)散）產(chǎn)物移到反應(yīng)液中（外擴(kuò)散）總的反應(yīng)速度取決于最慢的步驟3、擴(kuò)散阻力第六十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三5、內(nèi)擴(kuò)散限制的分析以及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響

內(nèi)擴(kuò)散限制對(duì)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，比外擴(kuò)散更為突出，因?yàn)橥鈹U(kuò)散限制可以通過(guò)攪拌來(lái)基本消除，而內(nèi)擴(kuò)散限制無(wú)法消除。在固定化酶、固定化細(xì)胞的內(nèi)部，不存在流體流動(dòng)，其傳質(zhì)完全依賴于分子被動(dòng)擴(kuò)散作用。定義η為有效系數(shù)：η==V有V無(wú)有微孔內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)下的反應(yīng)速度無(wú)微孔內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)的反應(yīng)速度第六十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三5、內(nèi)擴(kuò)散限制的分析以及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響固定化酶、細(xì)胞的反應(yīng)速度：

V=ηVm·Sa/(Km+Sa)Sa：載體表面底物濃度η是與內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)Φ有關(guān)的因子Φ=R√Vm/Km·Deη∝1/ΦR為固定化顆粒半徑第六十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三表示反應(yīng)器性能的重要操作參數(shù)：①空間時(shí)間②轉(zhuǎn)化率x③生產(chǎn)率Pr④選擇率Ssp第六十九頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第七十頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三（3）PFR和CSTR反應(yīng)器的生產(chǎn)時(shí)間比較為了方便比較，把操作方程改寫為：……CSTR

……PFR

第七十一頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三PFR和CSTR的生產(chǎn)時(shí)間比較結(jié)論：PFR的停留時(shí)間小于CSTR的停留時(shí)間第七十二頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三反應(yīng)器體積一定，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，ECSTR/EPFR與轉(zhuǎn)化率的比較在給定的反應(yīng)體系下，反應(yīng)器中的裝酶量為定值，達(dá)一定x下反應(yīng)器所需酶量愈少，反應(yīng)器的反應(yīng)容量能力也就愈大?？梢?jiàn)PFR的生產(chǎn)能力比CSTR的大。

第七十三頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、固定化酶、固定化細(xì)胞反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性

在使用期間，固定化酶、細(xì)胞的活性會(huì)下降，主要原因是：酶變性，細(xì)胞自消化；可能由于pH、T、毒物作用，該過(guò)程比較緩慢，而且底物往往有保護(hù)作用。吸附抑制物；染菌；酶、細(xì)胞流失；載體崩解；

第七十四頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第八章

微生物生化反應(yīng)的質(zhì)量和能量衡算微生物反應(yīng)過(guò)程的特點(diǎn)1.微生物反應(yīng)是生物化學(xué)反應(yīng)，通常是在常溫、常壓下進(jìn)行。

2.反應(yīng)中參與反應(yīng)的培養(yǎng)基成分多，反應(yīng)途徑復(fù)雜，因而在微生物生長(zhǎng)的同時(shí)往往還伴隨著生成代謝產(chǎn)物反應(yīng)。

3.微生物反應(yīng)還受到眾多外界環(huán)境因素的影響。

第七十五頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三質(zhì)量和能量衡算在工程上的意義通過(guò)衡算，可以了解反應(yīng)物和生成物之間定量關(guān)系，反應(yīng)過(guò)程需要消耗和釋放多少能量。通過(guò)衡算式由已知量可以求出未知量。所以它是研究反應(yīng)過(guò)程的一個(gè)有效手段，對(duì)解決工程問(wèn)題特別有用。

第七十六頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、微生物反應(yīng)過(guò)程中主要基質(zhì)

碳源的衡算

大部分的發(fā)酵過(guò)程中都是以糖作為碳源。在微生物中碳源主要消耗于：1、滿足于微生物菌體生長(zhǎng)的需要，可用(ΔS)G表示。2、維持微生物生存的消耗（如菌體的運(yùn)動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取和代謝產(chǎn)物排泄等主動(dòng)運(yùn)輸?shù)暮哪?，可?ΔS)m3、生成代謝產(chǎn)物的消耗，可用(ΔS)P則有-ΔS=(-ΔS)G+(-ΔS)m+(-ΔS)P得率系數(shù)是對(duì)碳源等物質(zhì)生成細(xì)胞或其他產(chǎn)物的潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。

第七十七頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三在相同微生物不同培養(yǎng)條件和限制性基質(zhì)情況下，微生物細(xì)胞的元素組成有些差別，但差別不大，可以看作相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（S），菌體（X），產(chǎn)物（P）和二氧化碳中含碳元素的數(shù)量可以寫出微生物反應(yīng)過(guò)程碳元素的衡算式：

(-dS/dt)α1=(dX/dt)α2+(dCO2/dt)α3+(dP/dt)α4να1=μα2+QCO2α3+QPα4

Ν：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗比速，ν=(1/X)(-dS/dt)(mol/g.h)Μ：微生物菌體生長(zhǎng)比速，μ=(1/X)(dX/dt)(h-1)QCO2：二氧化碳生成比速，QCO2=(1/X)(dCO2/dt)(mol/g.h)QP

：代謝產(chǎn)物生成比速，QP=(1/X)(dP/dt)(mol/g.h)α1：每摩爾基質(zhì)中碳的含量(g/mol),葡萄糖α1=72α2：每克干菌體中碳的含量(g/g),一般α1=0.5α3：每摩爾二氧化碳碳的含量（g/mol),α3=12α4：每摩爾產(chǎn)物內(nèi)碳的含量（g/mol），對(duì)乙醇α4=24，對(duì)醋酸α4=24，對(duì)乳酸α4=36等。

第七十八頁(yè)，共八十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、氧和ATP衡算若為單一碳源培養(yǎng)基，微生物生長(zhǎng)菌體并生成產(chǎn)物的條件下，按碳源和產(chǎn)物完全氧化所需的氧，可建立下列氧的衡算式：A(-ΔS)=BΔX+ΔO2+CΔP

A：碳源S完全氧化需氧量，如葡糖:A=6(mol/mol)B：菌體X完全氧化需氧量，一般可B=0.042(mol/g)C：代謝產(chǎn)物