生化反應(yīng)工程與反應(yīng)器分析new

生化反應(yīng)工程與反應(yīng)器分析張贛道1第一章緒論1.1(計(jì)算)生化工程與生化反應(yīng)工程1.1.1計(jì)算生化工程●過(guò)程工業(yè)－工業(yè)生物催化（Fer,Enz,Cell,Gene）；分離工程；MS；

●生化工程發(fā)展方向（MS

isimportant!）

－－交叉、滲透、集成：（chem-Bio(harven

，Tsinghua，B.U)）

(C.Bio)calcu.Bio-Chem.ε

-CBChE.(CFD(Tran),not-linear,mult-

Phf);CAMD;Prot.ε;Mol.Bio(Chem.)ε;Bio.inf.;……CMolBio

－－延伸：

●微觀；闡述；酶；大分子；溫和條件；簡(jiǎn)單工藝；極端Bio；耦合過(guò)程；多相；動(dòng)態(tài)；實(shí)際過(guò)程；多參數(shù)；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

●反應(yīng)工程～基礎(chǔ)－各工程理論方法－定量研究、分析（CBChE）21.1.2生化反應(yīng)工程

(1)生物工程（bioengineering）:生物學(xué)與工程學(xué)物理過(guò)程的結(jié)合。包括…..

(2)biotechnology:應(yīng)用自然科學(xué)、工程學(xué)原理，依靠生物催化劑的作用，提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的技術(shù)。（thebiotech.tree/athree-companetcentralcore）

unifiedbiotechnology

Fermentation;Enzyme

E;cell

engineering;Geneengineering;

Biologicaltreatmentforwastwater

(3)biochemicalengineering:運(yùn)用化學(xué)工程學(xué)原理、方法將生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行工程化、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的一門學(xué)科?！?.

(4)biochemicalreactionengineering:以生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用傳遞過(guò)程原理及工程學(xué)原理與方法，進(jìn)行生化反應(yīng)過(guò)程的工程技術(shù)分析、開發(fā)以及生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大、操作控制等綜合邊緣學(xué)科。31.2生物反應(yīng)器(Bioreactor)①釜式(間歇式,半連續(xù)式,連續(xù)式…)(Batch,Autoclave,Semi-continuous…)

Alcohol,SCP,Antibotics,VB2,L-Glu,…

②連續(xù)管式反應(yīng)器(Continuoustubularbr)

Grapewine

③固定床反應(yīng)器(Fixedbedbr)

L-Phe,L-Val,L-Ala,L-Asp,Fru-Glu,…

④流化床反應(yīng)器(Fluidizedbedbr)

Beer,Alcohol

⑤滴流床反應(yīng)器(Tricklingbedbr)

Citricacid

⑥氣升式環(huán)流反應(yīng)器(Airliftr-ALR)

α-amylase,plantcellculture

●轉(zhuǎn)化率,副產(chǎn)物,工藝～成本,質(zhì)量,能耗,三廢(分離)…41.3 反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型與數(shù)學(xué)模擬1.3.1數(shù)學(xué)模型疊加、相似論、因次論—數(shù)學(xué)模型（’50）：簡(jiǎn)化、不失真、匹配反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型—3TIR；of

sys.；of

rea.；Theo，Emp，KL1.3.2數(shù)學(xué)模擬

‘80●CADCAO(73/79；84印/86蘇、瑞士；mod./p.c./Ins.；PSE’82)

①CAO層次—·戰(zhàn)略(1-5a)、戰(zhàn)術(shù)(3-12m)、系統(tǒng)操作規(guī)劃；●裝置操作優(yōu)化、時(shí)序化、單元過(guò)程優(yōu)化、監(jiān)督控制、常規(guī)控制②CAO課題—●數(shù)據(jù)采集、校正●過(guò)程模擬優(yōu)化●排產(chǎn)規(guī)劃、時(shí)序化●CAMMS、CAT·診斷、專家系統(tǒng)●CAMD、CADNP1.3.3數(shù)學(xué)模擬的作用與應(yīng)用

－－作用：過(guò)程分析；最優(yōu)化；放大；故障診斷、事故處理、予測(cè)；（特性）－－應(yīng)用：農(nóng)業(yè)“專家系統(tǒng)技術(shù)”，20C。70’US、J，-96(100商用工具)，我20C，80’，-20C末，20省500縣，－diag.(Medi,chem,ε);軍事；人工智能；VirtualLosAngeles生、化、材、巖土工程、機(jī)械、信息、土木工程、城市規(guī)劃、管理決策51.4生物技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用高新技術(shù)—信息（龍頭）；生物技術(shù)（基礎(chǔ)），生物學(xué)（帶頭學(xué)科）；NM（活力）產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值排序（US）—化工，食品，電器，汽車，礦產(chǎn)，…..

投資的產(chǎn)業(yè)取向—85%投資取向在信息、生物技術(shù)及納米材料產(chǎn)業(yè)1.4.1生物學(xué)—21世紀(jì)帶頭學(xué)科

(1)17-18世紀(jì)—力學(xué):Newtonianlaws;蒸汽機(jī)（1712）；第一次工業(yè)革命。

(2)19世紀(jì)—物理、化學(xué)：Faraday-Maxwelllaw,Mendeleev’slaw;電力（1832）；第二次工業(yè)革命

(3)20世紀(jì)—現(xiàn)代物理、控制論：（Einstein）theoryofrelativity，

Quantum—mechanics；原子能、宇航工業(yè)

(4)21世紀(jì)—biology

——“生物學(xué)的機(jī)會(huì)”，“2000生物技術(shù)”，“生物技術(shù)未來(lái)”，“未來(lái)生物技術(shù)”……

——1900：荷、德、奧證實(shí)“孟德爾遺傳論”

1944：（摩根：染色體，gene理論）美分離得細(xì)菌中的DNA生命遺傳物質(zhì)分子

1953：Watson，Crick：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，里程碑！

1972：Cohen，Boyer：reco，tran.（clone）

1993：KaryMullis:PCR-NobelPrize(chem)

1989~2000.6.26人類基因組計(jì)劃“工作框架圖”，2005年（3萬(wàn)人年、30億$）6

——thelst:antibiotics1928-1945-50/4000(株)

mono.Anti.1975-1984(N.P.)_diag:..…

gene.phar.1982-2002(18/50)_87EPO.G-CSF/tPA（genetechCo）

genetherapy2100例/97；3476人（425項(xiàng)）/2001

——the2nd:植物雄性不育（雜種優(yōu)勢(shì)）；抗逆性植物；Bt;Dolly

——the3rd:[m]1,3-PD*,DCA,(P)LA*,PHA,PAA;

[AA*];[E];[OS*];[Bt];[Fa*];

[BE]Alco*(fuel),Bdiesel,B.H,P.E.O/G;丙烯酰胺1.4.2生物技術(shù)展望（1）深入研究基因工程菌（質(zhì)粒復(fù)制表達(dá)）動(dòng)植物細(xì)胞生長(zhǎng)（界面、形態(tài)）等動(dòng)力學(xué)。（2）研究復(fù)雜體系（多相流、超臨界相態(tài)、雙液相等）生物反應(yīng)；（3）發(fā)展計(jì)算生化工程（反應(yīng)器、過(guò)程、合理藥物設(shè)計(jì)（CAMD）、蛋白質(zhì)工程（CAPD），結(jié)合組合化學(xué)、Genemics,Proteomics）；（4）生化過(guò)程集成技術(shù)的研究；（5）工業(yè)生物（催化）技術(shù)研發(fā)應(yīng)用：生物醫(yī)藥（海洋）；生物農(nóng)業(yè)；生態(tài)農(nóng)業(yè)（microbiral~P~A~Citysewage）；海洋藥物（藍(lán)色農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥，海水工程）；生物資源、生物能源；環(huán)境生物技術(shù)；生化工業(yè)等。新興學(xué)科（50’—ferm,70’—enzyme,…...）,任重道遠(yuǎn)，發(fā)展空間。71.4.3生物技術(shù)應(yīng)用生物能源Photosynthesis-theultimateenergyresource

●fossilfules:coal(1000a),n.gas(35a),oil(16a),93%of…

●harnessingog

hydro,wind；captureofsolar,geoth；nuc.p.

●photosyn:fixesC2×1011T/awith2×1021J.(10/100times…)~

4%ofsolarenergy;fossilearbon

sources.[sugarcane;maize;

sorghum;cassava]

●biomass-combustion:(elc.；HPS)

-dry.:hydrogasi.(CH4,C2H6,char)；

pyrolysis(oils,gas,char)；

gasifi(CH4,CH3OH,NH3,elc.)

-aqueouspro.:chem.red.(oils)；ferm(C2H5OH)；

anaeroferm.(CH4)<rumen>；

●Biodiesel排放氣（CO2±O）CO-9.25%，塵－13.6%，SO2-20%,多環(huán)芳烴－50%德、法、意、比（rapeseed）2000年：20－60萬(wàn)噸，2020占總?cè)剂?2%，大眾、奔馳等直接使用；US（soybean）1999：25萬(wàn)噸，免稅；日（廢油）2000：40萬(wàn)噸；我冀、川、閩均為：萬(wàn)噸/a

2008.1.1巴西法定：加2%Biodiesel（0.9:5%）。07年生物能源占總量的44%（世界平均13.6%），現(xiàn)年產(chǎn)b.d.25億/L

●H2/microbialrecoveryofpetroleum/biofuel(battery)8工業(yè)生物技術(shù)

●2004，US200億＄（＞生物醫(yī)藥）；2020年：原料、水、能源、污染排放與擴(kuò)散均降低30%

●產(chǎn)業(yè)革命：碳水（取代碳?xì)洌┗衔飼r(shí)代（的高分子化工），（后石油化工時(shí)代）

●生物加工生物質(zhì)制造大宗原料化學(xué)品、（生物）高分子材料－－石油替代戰(zhàn)略。2003年我進(jìn)口原油9000萬(wàn)噸；2000萬(wàn)噸石腦油/600萬(wàn)噸C2H4－－35＄/桶，生物材料有競(jìng)爭(zhēng)力；45＄/桶，生物C2H4成本更低；

●生物醇；印、巴西40萬(wàn)噸/a生物乙烯；CargillDow:14萬(wàn)噸/a聚乳酸;

Dupont:1,3-丙二醇聚合物（PTT）4.5萬(wàn)噸/a；陳糧原料路線

●生物芯片：基因芯片，細(xì)胞微陣列芯片9蛋白質(zhì)SingleCellProtein●aquaculture:farmingofshrimps,prawns,trout,salmon●advantages—growatrapidrates“thetimereg.Todoubletheirmass”—moreeasilymodifiedgeneticallythanplantsandanimals—highprotein,nutritionalvalue—smallreactorsandlandarea,independentofclimates—growonawiderangeofrawmaterials:wastes,cellulose

●rawmaterials—METHANOL(CH4×)(n-alkames×)ICI75M3;prices；

scale；ALR—ETHANOLforhumanconsumption:ethylene

crak；agri.；poli.—WASTES:MOLASSES,WHEY；STARCHYW.:Sweden,variousyeasts,W.FRUITSandWOOD…:Japan,fungi,doesn’thavecommer.

LIGNIN:mushroom-typefungi,solid

subs.fermentation—AGRI.CROPS:(cassava,sugarcane,tapiocaplam)ethand—ALGAE:Jap.Afr.Mex.,protein,V.,removaloforg.pollution10醫(yī)藥Medicine●infantmortality25%；<2%ofpopu.>65years；epidemics；chronicdiseasis(Ca.cardiovascular);dificultcases.●biopharmaceuticals—recombinantproteindrugs(antibiotics)—rec.Vaccines(HIV,polio,hepatitis

B,herps,influenza)—monoclonalantibodies(diagnosis/therapy,prevention,puri.,detec.)●insulin,HGH,α-IFN,tPA,EPO,IL-2,…,●Genetherapy—personalusage/genetherapy(germ

cell×somaticl)環(huán)境●水、垃圾生物處理（生物工程－微生物生態(tài)學(xué)）；

biodegradable～environmentallyfriendly；2×106Toil/aentersea●環(huán)境友好技術(shù)－－綠色生產(chǎn)

11生物煉油；石油菌（2＊106t/a）;——生物材料

PHB;PGlu;——循環(huán)經(jīng)濟(jì)：“資源—產(chǎn)品（消費(fèi)）—廢棄物—再生資源”。除石化燃料外的幾百種材料均可回收：81年丹麥法令啤酒、軟飲料只能使用“可重復(fù)使用的包裝”，其99%瓶子得到回收（使用達(dá)30次），寶馬法國(guó)公司回收處理再利用的配件達(dá)90%，2000年廢鋼回收率為：法80%，荷78%，奧地利75%。美67%，中僅20%。——生態(tài)經(jīng)濟(jì)：恢復(fù)自然界生態(tài)平衡的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。1950~2000年世界經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)出增加6倍，我1952~2002年GDP增加146倍。

2003美.加電網(wǎng)癱瘓人口穩(wěn)定；C

H能源；復(fù)合農(nóng)林業(yè)；水平衡12——資源瓶頸:人口占世界21%，石油儲(chǔ)量1.8%，天然氣0.7%，鐵礦〈9%，Cu〈5%，鋁土礦〈2%；到2010年我石油對(duì)外依存度達(dá)57%，鐵57%，銅70%，鋁80%（2004.2）；能耗；水耗——環(huán)境容量：荒漠化土地267.4萬(wàn)平方公里（27.9%），年增1萬(wàn)多平方公里；廢水排放總量439.5億噸，超過(guò)環(huán)境容量的82%，7大水系劣五類水質(zhì)占40.9%，75%的湖泊出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，是世界13個(gè)貧水國(guó)之一，人均占水為世界平均1/4，而污水量=缺水量，2/3城市供水不足，1/6嚴(yán)重缺水，3.6億農(nóng)民喝不上符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的水，我國(guó)廢氣中SO2排放量為1927萬(wàn)噸，煙塵為1013萬(wàn)噸，工業(yè)粉塵為941萬(wàn)（2004.2）

2007太湖藍(lán)藻，無(wú)錫百萬(wàn)人飲水外供；沭陽(yáng)水源污染13農(nóng)業(yè)、林業(yè)、食品、飲料●plantbiotech—micropropagation,tissue

cal.(callus

tu)

—protoplastfusion

—geneticeng.●animal—selectivebreeding,mol.biology,embryo

manipu.,

transgenic,●alco.beve.,wines,beers,coffee(tea,cocoa),dairyprod.vege.fer.,legume,安全、社會(huì)、道德和倫理方面的考慮●safetyinbiotech—pathogenicity；toxicityandallergy；medicallyrelevanteffects；spentmicrobialandeffluents；mutationofprocessstrains;useofmicroorg.conta.inritro

recom

DNA；might(accid.)escape；envi.releaseofGMOs●social,moralandethicalconsiderations

—acceptsuchmedi.thansuchfood.

—whowillbeabletocarrythecostburden(notthe3rdWorld)

—substitutability:traditionaleconomies；jobs；value

judge；aid

—‘unnaturalness’(unease)

—humangenesintofoodanimals(feed)；JewsandMuslims；vegans；animalssufferingseverearthritics●人類活動(dòng)~生態(tài)平衡：”長(zhǎng)江保護(hù)與發(fā)展報(bào)告2007”（首次）中科院，1次/2年馬寅初141.5研究?jī)?nèi)容與方法1.5.1內(nèi)容生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（本征—宏觀；分子水平—細(xì)胞水平—群體；…..）反應(yīng)器中傳遞過(guò)程反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型與數(shù)學(xué)模擬（設(shè)計(jì)、放大、分析、模擬、控制、優(yōu)化）1.5.2研究方法（MM,MS,Eng~Opt.）Math.Model,Math

Simu●三傳一反；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型判別、參數(shù)估計(jì)；數(shù)據(jù)

●標(biāo)準(zhǔn)程序、算法—清晰目標(biāo)；計(jì)算結(jié)果的分析判斷

●概念—分析—方法15第二章生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.1均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.1.1酶的特性酶的分類及命名

EC系統(tǒng)分類及命名法—IUB（1964）：“EC大類.亞類.亞亞類.統(tǒng)一編號(hào)”‘大類’—按生化反應(yīng)類型分為6類，依次為：氧化還原，轉(zhuǎn)移，水解，裂合，異構(gòu)，合成例：EC—甘油酯水解酶，其慣用名為L(zhǎng)ipase，脂肪酶（底物前有時(shí)還有說(shuō)明酶來(lái)源的詞）酶的特性——酶的催化特性、酶活力⑴cat：r/K；分子活力；催化中心活力（酶的轉(zhuǎn)換數(shù)）；活性極高⑵酶活力單位[mol/s]，[nmol/s]（U，1kat=6*107U）（比活力：U/mg，kat/Kg）16——酶的專一性包括絕對(duì)、相對(duì)、反應(yīng)*、底物、立體*、基團(tuán)、序列專一性——酶的變性與失活物理因素：熱、壓力、UV、X-ray、聲波、振蕩、凍結(jié)…化學(xué)因素：酸、堿、丙酮、乙醇、尿素、表面活性劑、重金屬鹽、氧化劑、O2...⑴熱變性：Topt⑵酸堿變性：（pH）opt⑶氧化變性：巰基酶（SH酶）易在空氣中氧化-SHS-S而失活——酶的輔助因子⑴金屬離子：金屬酶（金屬為輔基）；與酶為可逆的結(jié)合：Na+，K+，Mg2+，Ca2+，

Zn2+，Mn2+，Co2+，F(xiàn)e3+，Mo6+等⑵輔酶、輔基、全酶；輔底物，輔底物的熱穩(wěn)定性—pH——單體酶、寡聚酶及多酶復(fù)合物（化學(xué)結(jié)構(gòu)；動(dòng)力學(xué)特征）⑴變構(gòu)酶（調(diào)節(jié)酶）—由多個(gè)分別具有調(diào)節(jié)（變構(gòu)）中心（分激活與抑制中心）和催化中心的亞基構(gòu)成。其r-Cs為S型曲線。⑵同功酶、多功酶17酶的固定化——均相（水溶液）酶反應(yīng)的缺點(diǎn)⑴分離難、費(fèi)用高、影響質(zhì)量⑵難以重復(fù)使用⑶酶易變性失活——固定化酶⑴優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，反復(fù)使用，連續(xù)操作，高純度的產(chǎn)品，環(huán)境友好⑵缺點(diǎn)：酶損失，增加費(fèi)用，非均相反應(yīng)的內(nèi)擴(kuò)散影響⑶方法：載體結(jié)合，交聯(lián)，包埋，混合法⑷再生：載體結(jié)合法中用離子鍵、物理吸附及疏水鍵法制備時(shí)，其失活的酶可在新鮮酶溶液中進(jìn)行酶“置換”并重新固定化。18⑸酶性質(zhì)的變化：（a）底物專一性：立體障礙（b）（pH）opt：載體的離子極性（c）穩(wěn)定性（d）動(dòng)力學(xué)常數(shù)：D使Km增大，若分配系數(shù)>Km是有利⑹固定化微生物：（a）應(yīng)用條件：酶分離費(fèi)用高，分離出的酶不穩(wěn)定，該固定化酶不穩(wěn)定；微生物中不含有活性的催化其它不希望發(fā)生反應(yīng)的酶（b）優(yōu)點(diǎn)：成本低，制備周期短，能大規(guī)模生產(chǎn)，不受地理季節(jié)限制，不會(huì)產(chǎn)生胞內(nèi)酶在懸浮中出現(xiàn)的酶外泄的問(wèn)題；不會(huì)產(chǎn)生小微生物在攪拌釜中受壓大的問(wèn)題。⑺酶和細(xì)胞固定化技術(shù)的其它應(yīng)用：（a）根據(jù)體外溶液中進(jìn)行的固定化酶反應(yīng)現(xiàn)象來(lái)了解、描述細(xì)胞內(nèi)的各種代謝機(jī)理、途徑（b）生物燃料電池（c）自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)19酶反應(yīng)的特性——優(yōu)點(diǎn)：⑴條件溫和，能耗低⑵反應(yīng)專一，精制易，體系較純易于控制，產(chǎn)物濃度高⑶立體專一性利于不對(duì)稱合成、制備自然界沒(méi)有的新物質(zhì)⑷用組合酶、底物完成指定的多步合成轉(zhuǎn)換反應(yīng)——缺點(diǎn)：⑴只能利用底物中部分組分，一般只能在水溶液中進(jìn)行⑵溫和的反應(yīng)條件也易于微生物繁殖易使酶染雜菌。失活后難以再生與復(fù)性⑶只限一、二步反應(yīng)，酶昂貴，較脆弱易變性，失活2.1.2均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)—系統(tǒng)可成為均相；預(yù)混合rM》r（隱蔽的放大效應(yīng)）單底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)—“活性中間復(fù)合物”學(xué)說(shuō)⑴反應(yīng)機(jī)理（2.1）

（2.2）20⑵“平衡”假設(shè)理論（LMichaelis和MLMenten（1913））：（a）CS》CE（b）不考慮k-2（c）基元反應(yīng)[ES]E+P為控制步驟（2.3）而（2.4）

由式（2.2）得（2.5）⑶“擬穩(wěn)態(tài)”理論（GEBriggs和JBSHaldane，1925）（2.6）

（2.7）

（2.8）21由式（2.7）描繪得-rS（rP）—Cs曲線為圖2.1（a）Km—最重要的動(dòng)力學(xué)常數(shù)，表達(dá)了反應(yīng)性質(zhì)、反應(yīng)條件對(duì)rP的影響。當(dāng)反應(yīng)速率rP=（1/2）rP，max時(shí)的Cs值即為Km

圖2.1米氏方程（2.7）22rP，max—酶活力，當(dāng)全部酶呈[ES]時(shí)的rP（b）Cs—rP關(guān)系Cs《Km：（2.9）

Cs》Km：Cs與Km相當(dāng)：由IC：t=0Cs=Cso及定積分式（2.7）得：

（2.10）

⑷Levenspil

用冪函數(shù)表示的米氏方程：（2.11）23Moser酶促反應(yīng)普遍化機(jī)理

k+1k+2k+3E+S[ES][EP]E+P（2.12）

k-1k-2k-3(1)當(dāng)k+2=k-2=k-3=0即為式(2.5)或式(2.7)(2)當(dāng)k-2=0則可適用于不可逆非均相生化反應(yīng)過(guò)程,成為L(zhǎng)angmuir-Hinshelwood

方法(3)若k+2=k-2=0則為可逆米氏方程2.1.2.4米氏方程參數(shù)求解()(1)由曲線(圖2.1)求近似值

(2)將式(2.7)求倒數(shù):

（2.13）曲線稱作Lineweaver-Buck曲線見圖2.2(3)由L-B演變至H-W曲線見圖2.3。（2.14）

(4)由式（2.7）的E-H曲線見圖2.4。（2.15）

為避免上述微分求，有以下的從式（2.7）的積分。圖2.3H-W曲線Km/rmaxCs/rsSCs24(5)積分法：（圖2.5）（2.16）[例2.1]有一均相酶反應(yīng)，其Km=2×10-3mol/L,當(dāng)Cso=1×10-5mol/L時(shí)反應(yīng)1min有2.0%的底物（單底物）轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，求(1)t=3min底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的百分?jǐn)?shù)為多少？Cs=？，Cp=?(2)當(dāng)Cso=1×10-6mol/l時(shí)t=3min時(shí)的Cs=？，Cp=?(3)rp,max=?2.1.3有抑制的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因底物或產(chǎn)物濃度過(guò)高或其他外源化合物（抑制劑）影響而降低。抑制分為可逆抑制與不可逆抑制。（1）可逆抑制：可用某些物理方法（透析等）把抑制劑（I）去除而恢復(fù)酶活性的抑制作用，此時(shí)E與I的結(jié)合存在解離平衡關(guān)系。按抑制的機(jī)理，又分為競(jìng)爭(zhēng)性、非競(jìng)爭(zhēng)性、反競(jìng)爭(zhēng)性及混合型抑制等。（2）不可逆抑制：E與I的基團(tuán)成共價(jià)結(jié)合而使酶永遠(yuǎn)失活，如重金屬離子Hg2+，Pb2+對(duì)木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶的抑制。rmaxrsrs/Cs圖2.4E-H曲線25競(jìng)爭(zhēng)性抑制酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與底物結(jié)構(gòu)類似的I也能在酶的活性部位上結(jié)合與底物競(jìng)爭(zhēng)降低了。如琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸脫氫為延胡索酸時(shí)丙二酸與底物是競(jìng)爭(zhēng)性的I。其機(jī)理：k+1k+2k+3E+S[ES]E+P；E+I[EI]k-1k-326當(dāng)酶的活性部位與一個(gè)抑制劑分子結(jié)合時(shí)KmI與CI為線形關(guān)系(見式(2.19),圖2.8)稱為線形競(jìng)爭(zhēng)抑制?！歉?jìng)爭(zhēng)性抑制酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

I在酶的非活性部位與E結(jié)合進(jìn)而與S結(jié)合成非活性中間體，I亦可與[ES]結(jié)合為無(wú)活性或低活性的中間化合物。如核苷對(duì)霉菌酸性磷酸酯酶的抑制。其機(jī)理為：27反競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)

I只能與活性復(fù)合物[ES]結(jié)合。如肼對(duì)芳香基硫酸酯酶的抑制。其機(jī)理為：2829產(chǎn)物抑制動(dòng)力學(xué)[例2.2]在有相同濃度的五個(gè)反應(yīng)物系中加入不同濃度的底物測(cè)其初始反應(yīng)速率（rS0）再在上述相同的五個(gè)反應(yīng)物系中分別加入CI=2.2×10-1mmoL/L的抑制劑，亦測(cè)定其初始反應(yīng)速率（rSI），測(cè)定其值如下：試問(wèn)其抑制類型并求其動(dòng)力學(xué)參數(shù)（作圖rS（rS0

，rSI

）-1~CS-1）30解：實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的倒數(shù)列表如下：2.1.4復(fù)雜的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可逆酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

如木糖異構(gòu)酶催化葡萄糖為果糖的反應(yīng)至一定程度即達(dá)到平衡,其機(jī)理可認(rèn)為是:其反應(yīng)凈速率可近似表達(dá)為:

由穩(wěn)態(tài)及酶衡算得:(2.31)(2.32)式中:，，，反應(yīng)平衡常數(shù)多底物酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一般通式為

如氧化酶,轉(zhuǎn)移酶和連接酶的反應(yīng).討論雙底物酶反應(yīng).——隨機(jī)機(jī)制31兩底物隨機(jī)地與酶活性部位結(jié)合，而兩產(chǎn)物隨機(jī)地釋放出來(lái)。其機(jī)理：(2.32)32

如為常數(shù)，則(2.33)式中：(2.34)如均為變量則:(2.35)33——順序機(jī)制大部份脫氫酶屬此機(jī)制,酶依次與兩底物(或)結(jié)合再產(chǎn)生產(chǎn)物,例如按順序的機(jī)理為:導(dǎo)得：(2.36)式中：—單底物時(shí)的常數(shù)，—濃度飽和時(shí)的米氏常數(shù)（與此類似）34——乒乓機(jī)制

S1與S2始終不同時(shí)與酶結(jié)合，其機(jī)理可表示為（E*為修改

過(guò)的酶）導(dǎo)得：（2.37）

變構(gòu)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如磷酸果糖激酶，天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶，蘇氨酸脫氫酶和己糖激酶等的催化反應(yīng)，底物分子與這類酶結(jié)合時(shí)能誘導(dǎo)酶的結(jié)構(gòu)改變?cè)黾覧與S的結(jié)合能力，表現(xiàn)出底物對(duì)酶的激活效應(yīng)。其機(jī)理復(fù)雜提出的模型較多，一般用Hill經(jīng)驗(yàn)公式：

（2.38）

式中：n—Hill指數(shù)表示每個(gè)酶分子結(jié)合底物的分子數(shù)目，

n=1~3.2

參數(shù)求取：35（2.39）2.1.5影響酶催化反應(yīng)的因素內(nèi)部因素——酶的結(jié)構(gòu)特征，底物的結(jié)構(gòu)特征。外部因素——PH,t,p,離子強(qiáng)度，……2.1.5.1PH值的影響與式(2.38),(2.39)相應(yīng)的曲線見圖2.15,圖2.16。（還有常用的表達(dá)式：等）圖2.15Hill經(jīng)驗(yàn)方程圖2.16變構(gòu)酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)36

酶分子上AA側(cè)鏈基團(tuán)一定的解離狀態(tài)及其解離度（催化活性）~PHMichaelis：三狀態(tài)模型何設(shè)一般酶活性與PH呈鐘型曲線為圖2.9溫度的影響

T<Topt則其對(duì)K+2的影響符合Arr.eq:K+2=A.exp(-Ea/RT)(2.40)求參數(shù):

其圖解形式為圖2.10,T>Topt則引起酶明顯失活。2.1.6酶的失活動(dòng)力學(xué)胞外酶較穩(wěn)定，胞內(nèi)酶在外部環(huán)境中易失活，酶在保存與反應(yīng)中均可能失活，最主要的是熱失活（熱變性）。未反應(yīng)時(shí)酶的熱失活動(dòng)力學(xué)——可逆一步失活模型()在時(shí)間t(Cet,+CD)酶減少速率而CEO=Cet+CD,由I,Ct=0CET=CEO積上式得:37見圖2.11

蛋白質(zhì)失活受溫度影響大(失活活化能>125kl/mol為化學(xué)反應(yīng)的4倍);失活速率與酶純度有關(guān),酶溶液俞稀俞不穩(wěn)定;競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑對(duì)E有保護(hù)作用(圖2.11B).——不可逆失活模型一般用一級(jí)失活反應(yīng)表示:

(2.47)由t=0:CEO,,t=t:CET積上式(式(2.44)kr=0):CET=CEOexp(-kdt)

(2.48)38反應(yīng)時(shí)酶的熱失活動(dòng)力學(xué)隨著溫度升高酶反應(yīng)及失活速率均增加,在這種雙重作用下,對(duì)一定的反應(yīng)時(shí)間就有其相應(yīng)的Topt (見圖2.12與圖2.13)

在酶催化反應(yīng)中,底物和產(chǎn)物可能會(huì)使酶的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，或者相反。底物濃度對(duì)酶穩(wěn)定性影響有如下模型：

即游離酶（Ef）與活性中間復(fù)合物（ES）均可能失活，其失活方程為（t=t:Cet=Cef+C[Es]）顯然:即為式(2.48),底物對(duì)酶失活無(wú)影響;

[ES]不失活,則Ef的失活亦被底物部份保護(hù)了;

總體上底物對(duì)酶有保護(hù)作用,部份抑制了酶（ES）的失活;

底物加速了酶（ES）的失活.Dδkd392.2固定化酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.2.1固定化酶催化的動(dòng)力學(xué)特征酶的固定化對(duì)基動(dòng)力學(xué)特性的影響(1)活性。酶活力收率<100%;酶活力表現(xiàn)率一般降低(Km)(2)穩(wěn)定性.保存期t1/2增1倍;熱穩(wěn)定性提高10倍以上(空間結(jié)構(gòu)堅(jiān)固)影響固定化酶動(dòng)力學(xué)的因素——空間效應(yīng)。酶三維結(jié)構(gòu)變形，減弱與底物結(jié)合的能力—構(gòu)象效應(yīng)；屏蔽效應(yīng)——分配效應(yīng).由親()水性、靜電作用引起微環(huán)境CS、CP的改變導(dǎo)致rs的變化——擴(kuò)散效應(yīng)。內(nèi)外擴(kuò)散。分配效應(yīng)引起的界面濃度差是階躍式而擴(kuò)散引起的為曲線(圖2.14)考慮到上述這些效應(yīng)，對(duì)固定化酶就有下述動(dòng)力學(xué)形式：（1）游離酶本征動(dòng)力學(xué)（2）固定化酶本征動(dòng)力學(xué)（考慮空間）（3）固定化酶固有速率（考慮了空間與分配效應(yīng)）40（4）固定化酶宏觀動(dòng)力學(xué)（考慮了空間（分配）與擴(kuò)散效應(yīng)）2.2.2外擴(kuò)散限制效應(yīng)穩(wěn)態(tài)雙膜理論(WhitmanWG,LewisWK(1923))——一般外擴(kuò)散傳質(zhì)速率邊界層極薄,δ與R比可忽略傳質(zhì)推動(dòng)力為濃度差，傳質(zhì)機(jī)理為分子擴(kuò)散。顆粒界面?zhèn)髻|(zhì)通量41某些KL值為如下：體系管式—滯流管式—湍流酶膜填充床（固定化酶系統(tǒng)）kl，m/s5*10-62*10-51*10-52*10-4微膠帶型固定化酶（膠帶不帶電荷）Csm—膠囊膜內(nèi)側(cè)處Cs，Dm—底物在膠囊膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，δm—膠囊膜厚度，Csi—膠囊膜（外）表面處Cs非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)理論(kl!)（2.53）（2.54）（2.55）（2.56）（2.57）42（2.58）（2.59）（2.60）（2.61）（2.62）（2.63）（2.64）（2.65）（2.66）43[例2.3]某酶固定在無(wú)微孔的球載體上,在無(wú)外擴(kuò)散時(shí)測(cè)得γmax=4*10-5mol/（L*S）,Km=2*10-5mol/L,將其放在一底物濃度為1*10-5mol/L液相反應(yīng)器中,已知體積傳質(zhì)系數(shù)為4*10-1/s（2.67）（2.69）（2.68）44求(1)底物在固定化酶表面上的反應(yīng)速率(2)該固定化酶的有效因子ηx2.2.3內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)流體在微孔內(nèi)的擴(kuò)散(1)載體結(jié)構(gòu):(a)比表面積Sg(20~30m2/g),內(nèi)表面積、外表面積45（2）流缽在微孔內(nèi)的擴(kuò)散圖2.17球形粒內(nèi)物料衡算（2.70）（2.71）46

整理得：

令

則(2.72)(2.73)(2.74)數(shù)值解見圖2.18圖2.18顆粒內(nèi)的分布47對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)（）則有有解析解：(2.75)(2.76)——膜片狀固定化酶內(nèi)部的底物濃度分布（圖2.19)圖2.19多孔薄膜內(nèi)的傳質(zhì)48令則(數(shù)值解見圖2.20)(2.79)圖2.20膜片內(nèi)分布(2.78)(2.77)49——內(nèi)擴(kuò)散有效因子一，球粒：穩(wěn)態(tài)下(2.80)無(wú)外擴(kuò)散時(shí)：對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)：(2.81)(2.82)(2.83)(2.84)50二，膜狀固定化酶（一級(jí)不可逆反應(yīng)）（生物膜類似）*膜雙面接觸底物則取L=L/2三，圓柱狀固定化酶（一級(jí)不可逆反應(yīng)）一級(jí)，零級(jí)是塞爾函數(shù)實(shí)際上，只要求出相應(yīng)的，式（2.84)~(2.87)均可由式（2.84）統(tǒng)一求出，見圖2.21(2.86)(2.87)(2.85)51對(duì)單位體積酶：如：當(dāng)<0.4時(shí)，>3:四.對(duì)一般的米式方程用數(shù)值解求：1）Atkinson對(duì)膜狀固定化酶：令(2.88)(2.89)2)Kobayashi經(jīng)驗(yàn)方程（誤差<5%)(分別為零，1級(jí)反應(yīng)時(shí)的

)膜狀a=b=1,球狀a=2.6,b=0.83)表觀Thiele模數(shù)法(),可免去求所需的實(shí)驗(yàn)及引起的誤差引入相應(yīng)無(wú)因次參數(shù)，式2.82)改作：由式（2.83）等求得：(2.91)(2.90)(2.92)圖2.21固定化酶-關(guān)系（rs=kCs）52則（一般），(2.93)若上式為一級(jí)反應(yīng)即(2.94)故只要實(shí)驗(yàn)測(cè)得則可近似求得見圖2.22——影響內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)的各種因素

1）固定化酶的結(jié)構(gòu)特性a)顆粒度b)微孔孔徑

反應(yīng)速率低內(nèi)擴(kuò)散影響小C)反應(yīng)2)酶的化學(xué)抑制的影響-----與擴(kuò)散的負(fù)協(xié)同效應(yīng)如一級(jí)不可逆反應(yīng)的非競(jìng)爭(zhēng)抑制（酶變性亦與其類似）其,即3）外擴(kuò)散限制的影響：由式（2.62）和（2.74）：(2.95)(2.96)(2.97)534)有分配效應(yīng)的一級(jí)不可逆反應(yīng)的球體：(異電荷K>1,反之K<1)膜片狀酶：（同上式：均為一級(jí)不可逆反應(yīng)）——擴(kuò)散干擾下的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象a)L-B與E-H圖嚴(yán)重偏離直線，擴(kuò)散的結(jié)果使本征動(dòng)力學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)>1的表觀級(jí)數(shù)下降，而使原<1的級(jí)數(shù)上升。（2.98）（2.99）54B.℃:擴(kuò)散控制反應(yīng)表觀活化能明顯降低。在低濃度或高濃度高溫時(shí)受擴(kuò)散控制。見圖2.23。

C.對(duì)失活速率影響：提高了表觀熱穩(wěn)定性。

固定化酶內(nèi)的傳熱過(guò)程擴(kuò)散控制E=24J/MOLE=41J/MOL化學(xué)控制低CS高CS圖2.23固定化乙酰膽堿脂酶的活化能

（2.100）55[習(xí)題2.1]根據(jù)“活性中間復(fù)合物”的單底物均相酶催化反應(yīng)機(jī)理學(xué)說(shuō)：假定過(guò)程為“擬穩(wěn)態(tài)”：

，求導(dǎo)該反應(yīng)的產(chǎn)物生成速率為：，其中[習(xí)題2.2]米氏方程中Km與rp,max為常數(shù)，①令t=0:Cs=Cso,求解該微分方程；②當(dāng)Cs?Km,令t=0:Cs=Cso,求解該微分方程；⑴解：

式中：⑵解：

56[習(xí)題2.3]已知米氏方程：（1）推導(dǎo)：（2）試說(shuō)明：如何利用上式由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖求解rp,max與Km?（3）試說(shuō)明：由上述（2）的作圖求解米氏方程參數(shù)的缺點(diǎn)是什么？Cso/(mol/L)0.00320.00490.00620.00800.0095-rso/(mol.L-1.min-1)0.1110.1480.1530.1660.200-rSI/(mol.L-1.min-1)0.0590.0710.0910.1110.125[習(xí)題2.4]

實(shí)驗(yàn)測(cè)定的乙酰膽堿酶水解在無(wú)抑制劑和存在抑制劑兩種條件下的初始反應(yīng)速率（分別為rso和rSI）數(shù)據(jù)為：判斷該抑制反應(yīng)屬何種類型？求該抑制反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。57[習(xí)題2.5]

以相同的酶和載體制成球型、高徑相等的圓柱體及高徑相等而壁厚為直徑的1/3的圓環(huán)體三種固定化酶，它們的體積均為0.1cm3，顆粒表觀密度均為1.2g/cm3，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，已知：以酶質(zhì)量計(jì)的反應(yīng)速率常數(shù)kw=50cm3/(s.g)，De=0.001cm2/s，反應(yīng)體系中酶濃度為20g/L，底物初始濃度Cso=0.1mol/L，不計(jì)外擴(kuò)散及分配效應(yīng)，對(duì)這三種催化劑的相關(guān)計(jì)算均可采用球型固定化酶的公式，試求這三種催化劑的：（1）、η及其數(shù)值大小的排序，并討論為什么呈這樣的排序？（2）反應(yīng)速率：①以酶質(zhì)量計(jì)的Rs[mol.s-1.g-1]=?

②以反應(yīng)器體積計(jì)的Rs[mol/(s.cm3)]=?

提示：對(duì)同一反應(yīng)體系，酶反應(yīng)速率一般有如下關(guān)系式：

Rs=kvVr=kwWE=kpVp(對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng))

式中Rs-反應(yīng)速率，[cm3/s]

kv-以反應(yīng)器體積計(jì)的反應(yīng)速率常數(shù)，[cm3/(s.cm3);(Kv:[S-1])];

Vr-反應(yīng)器體積，[cm3]

WE-酶的質(zhì)量，[g]

kp-以酶體積計(jì)的反應(yīng)速率常數(shù)，[cm3/(s.cm3);Kv:[S-1]]

Vp-固定化酶顆粒的體積，[cm3]（解習(xí)題2.5時(shí)可任取一反應(yīng)器（單位）體積作為計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。）58（3）若De=0.01cm2/s，這三種催化劑的、η將如何變化？為什么？2.3微生物反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)2.3.1概論微生物反應(yīng)過(guò)程主要特征：微生物是主體.cat;本質(zhì)是酶反應(yīng)；復(fù)雜反應(yīng)，

多種途徑，難以描述。一：優(yōu)點(diǎn)：能分泌有用物質(zhì)，改良生產(chǎn)品種；生長(zhǎng)速率快；條件溫和；兼cat與產(chǎn)品一體。二：缺點(diǎn)：稀溶液.同化作用，提純難；復(fù)雜反應(yīng)影響產(chǎn)品質(zhì)量；遺傳變異難穩(wěn)定；純培養(yǎng)微生物反應(yīng)的計(jì)量學(xué)（一）計(jì)量一：菌體（細(xì)胞）濃度，干菌體質(zhì)量濃度二：元素衡算：營(yíng)養(yǎng)物（C,N,O,M+…..)細(xì)胞（菌體）+代謝產(chǎn)物（產(chǎn)品，co2。。。。。。）（2.101）59（二）菌體（細(xì)胞）得率一：二：三：（三）微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的描述（2.102）（2.103）60(1)模型的簡(jiǎn)化：Cells/ml(確定）；P、F、CH2O、NA、V（非結(jié)構(gòu)）；均衡；均相（2）反應(yīng)速率（a）（絕對(duì)）速率：（b）比速率：（2.104）2.3.2細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞分批培養(yǎng)分5個(gè)時(shí)期為圖2.24所示。無(wú)抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)（減速期）（一）Monod（1942）經(jīng)驗(yàn)方程（一個(gè)限制性基質(zhì)）（見圖2.25）即圖2.24分批培養(yǎng)細(xì)胞濃度變化（2.105）（2.107）（2.106）61（二）其它的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(1)△:(

μmax-μ)

其普遍形式:(2.108)(2.109)則可導(dǎo)出下表中的各個(gè)模型：JMonodCTeissierHMoserDEContoism=0n=2，m=0n=1，(2.106)m=1-1/nn=1+1/n，m=0n=2，圖2.25無(wú)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)(2.110)(2.111)(2.112)62(2)多底物Monod方程（2底物）(3)DMG（雙M氏生長(zhǎng)）此時(shí)S2消耗將被抑制直至（在一合適的K1值下）S1先被消耗盡。

有抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)（基質(zhì)抑制常數(shù)：KIS）（一）基質(zhì)抑制動(dòng)力學(xué)（1）Andrew:為圖2.26當(dāng)CS<<KS(2.113)(求KIS)CS>>KS(2)Aiba(3)Teisser圖2.26Andrew基質(zhì)抑制模型(2.114)(2.115)(2.116)(2.117)(2.118)(2.119)63（二）產(chǎn)物抑制動(dòng)力學(xué)分批培養(yǎng)的細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的結(jié)構(gòu)模型（SKM）（2.120）（2.121）（2.122）（2.123）（2.124）（2.125）（2.126）（2.127）64μ~（（1）質(zhì)粒喪失（2）基因的誘導(dǎo)、阻遏（3）細(xì)胞RNA、E的變化（4）儲(chǔ)存物質(zhì)的累積（5）細(xì)胞形體的改變（（3）~（5）常為DO的函數(shù)等）。SKM還較難建立，它用于設(shè)計(jì)、控制、闡述生物系統(tǒng)中傳遞過(guò)程。1982年Harder等提出簡(jiǎn)單的雙區(qū)模型為圖2.27。該細(xì)胞生長(zhǎng)分兩組生物質(zhì)合成區(qū)即K區(qū)和G區(qū)2.3.3基質(zhì)與氧消耗動(dòng)力學(xué)當(dāng)[DO]>[DO]cri:qo2=f([DO]0)(酶反應(yīng)控制)此時(shí)[DO]∝time(通常培養(yǎng)條件控制區(qū))（2.128）（2.129）（2.130）（2.131）（2.132）（2.133）（見圖2.28）（2.134）65包括維持代謝及產(chǎn)物生成的基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)2.3.4產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)代謝產(chǎn)物動(dòng)力學(xué)模型（Gaden分類法）（2.135）（2.136）（2.137）（2.138）（2.139）（2.140）（2.141）（2.142）（2.143）66微生物反應(yīng)中的產(chǎn)熱速率（6—10（40）KW/m3，6.3—11.3KJ/g(cell)(dry)）式中:CHV-J/L(Reactor),YX/HV-g/J(forcell)(一)需氧反應(yīng)，代謝產(chǎn)物為CO2：Q=△HR（-△O2）（復(fù)合培養(yǎng)基中，絲狀真菌：385~494細(xì)菌為385~565，以細(xì)菌、酵母、霉菌順序遞減）其中：△Hc，x測(cè)定得為-17.6[KJ/g],代謝產(chǎn)物CO2(g)、O2、H2O、N2（g）、SO2、NH3（N源為NH3，且燃燒S、P及X中的N最終產(chǎn)物均為NH3）的△Hc,p均為0，其余可查手冊(cè)。(三)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)算式（2.102）:Q/△X=△Ha(ssimilation)+△Hd(issimilation)[J/g]2.3.5非均相微生物反應(yīng)過(guò)程

質(zhì)量傳遞過(guò)程（2.144）（2.145）（2.146）（2.147）67胞內(nèi)控制步驟為kin.(MT);l~細(xì)胞膜hom;超細(xì)胞（如氧）MT.G-G/L(kL1)-L-(kL2)L/Ss-l/s;medi-Well-cell-in-cell.

ds(mm):kL1aL>kL2as;

ds(μm):kL2as>kL1aL.好氣培養(yǎng)(O.T.):kG>>kl,[kla]

關(guān)于kLa

kLa(Rea);a;kL、a;kLa——影響kLa的因素(一)操作變量.(a)通風(fēng)與攪拌[DO]:n(Pg);Q+n(Pg不變);通O2

（b）t/p：t（μL

，D，）；P[γ[DO]]，↑kLa

）68(二)反應(yīng)液理化性質(zhì)（a）有機(jī)物（a）：（kL~flow）pro.(kLa↓)酮、醇、酯（kLa↑）（b）離子強(qiáng)度（a）：多種鹽0.2-0.5mol/l，a↑；Pg↑、Q↑：kLa隨離子強(qiáng)度上升影響更顯著

(c)表面活性劑:基質(zhì)中或微生物分泌出δ表面↓(dGB↓,a↑);泡沫在相界面使kL↓(d)CX:懸浮粒使kLa↓(三)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)影響不大(a)H/D≥2.5多層槳(+大Q+大Pg)(b)檔極?H/D↑均可改善kLa

?！獪y(cè)定kLa

方法(一)亞硫酸鹽法:

式中:C*-與氣相分壓(ρ)相平衡的液相濃度[mol/m3]；下標(biāo)A-Air;VL-反應(yīng)液體積[m3];Y1(2)-進(jìn)(出)口氣體中O2摩分率適用:kLa

高的體系.簡(jiǎn)便.CNa+↑使kLa↑,大反應(yīng)器耗大量。（二）葡萄糖氧化法（glucoseoxidae）：生成葡萄糖酸，用NaOH中和滴定計(jì)算No2，用氧電極測(cè)氧濃度C：（E價(jià)高，用于實(shí)驗(yàn)室，接近真實(shí)體系）(三)動(dòng)態(tài)法:有菌體呼吸時(shí)某時(shí)刻停止通氣:再通氣后(圖2.30)可由式(2.152)作圖2.31解kLa（2.148）（2.149）（2.150）（2.151）（2.152）70適用:一般實(shí)際系統(tǒng)。>10m3不宜用。C不能低于[DO]cri，如反復(fù)停氣以致接近[DO]cri會(huì)造成微生物死亡。71固相微生物的傳質(zhì)限制效應(yīng)——固相微生物的形成及其顆粒度大小(一)形成⑴絮凝物（體）：酵母，植物細(xì)胞⑵菌絲團(tuán)：fila.⑶微生物膜⑷固定化細(xì)胞——其它固相微生物的RS絮凝物顆?！蛐晤w粒；菌絲團(tuán)亦作球狀。并假定：顆粒內(nèi)菌體密度分布均勻，粒內(nèi)無(wú)主體流動(dòng)僅為擴(kuò)散，-qs無(wú)分布,定常態(tài)。（2.153）（2.154）（2.155）（2.156）（2.157）722.3.6影響發(fā)酵的主要因素及其控制菌種——反應(yīng)條件——反應(yīng)工程，CAO等應(yīng)用——發(fā)酵工藝控制優(yōu)化

(二)[DO]值與異常2況：（a）污染好氣性雜菌：[DO]提前→O，長(zhǎng)時(shí)間不回升。污染不好氣雜菌、生產(chǎn)菌被抑制：[DO]↑。（b）污染噬菌體等：[DO]↑。（c）補(bǔ)料過(guò)密：（赤霉素發(fā)酵）氨基N2↑，[DO]↑，發(fā)酵液發(fā)酵酸。（d）攪拌故障或不正常操作。（三）[DO]與發(fā)酵中間控制：（a）質(zhì)量：天門冬酰氨酶（0.45[DO]*轉(zhuǎn)為厭氧(b)代謝方向:P[DO]（同化）>P[DO]cri>P[DO](異化)（c）[DO]*—kLa—PH協(xié)調(diào)（自動(dòng)）控制系統(tǒng)：PH~補(bǔ)糖~[DO]、kLa、[DO]cri

(四)PH的影響與控制（a）Phopt（x，stage）（b）PH↓：（C：N）↑；由：H+/PH↑：（N：C）↑；OH-；補(bǔ)料(NH3·H2O…)73(五)CO2和RQCO2:S,P;bal.c:γx,p

;(CO2)l:AA,Ab;RQ:met(a)γx，p：CCO2，out>4%γmet/res↓-γx↓，Sdics↓，γATP↓，γP↓CO2/→mcell（CO2—FA，—prot）（b）前期CER∝γx，CCO2，out→Fs

（c）CER—補(bǔ)糖速率補(bǔ)糖—CO2、有機(jī)酸—PH（d）RQ：met.pathway(yea.[1]→x,[1.1]→C2H5OH,[0.93]→citrica.)DifS/Stages(ini.<[1],tra.↑,P···)/RQ<Rqtheo(六)Foam(Froth)(a)foaming,resulting,(b)eff.factors:Qair,Ci(s),Methstex,Meta,(c)Cont:mech;def.agent;mutant,mix.cul.742.3.7