生物反应工程原理

1、.微生物反应与酶促反应的主要区别？答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于，微生物反应是自催化反应， 而酶促反应不是。此外，二者还有以下区别：(1)酶促反应由于其专一性，没有或少有副产物，有利于提取操作，对于微生物反应而言，基质不可能全部转化为目的产物，副产物的产生不可避免，给后期的提取和精制带来困难， 这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一。(2)对于微生物反应，除产生产物外，菌体自身也可是一种产物，如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时，可用于提取这些物质。(3)与微生物反应相比，酶促反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制。微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产，因此，产

2、物的获得除受环境因素影响外，也受细胞因素的影响，并且微生物会发生遗传变异，因此，实际控制有一定难度。(4)酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在经济上有 时并不理想。微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行；原料多为农产品， 来源丰富。(5)微生物反应产前准备工作量大，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了生产成本，且氧的利用率不高。(6)相对于酶反应，微生物反应废水有较高BOD值。dx ds dp=-=- 0.何为连续培养的稳定状态？当 dt dt dt 时，一定是微生物连续培养的稳定状 态吗？答：连续培养是将细胞接种于一定体积的

3、培养基后，为了防止衰退期的出现， 在细胞达最大密度之前，以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基；与此同时，含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出，以保持培养体积的恒定。连续培养的稳定状态时，此时反应器的培养状态可以达到恒定，细胞在稳定状态下生长。在稳定状态下细胞所处的环境条件如营养物质浓度、产物浓度、pH值可保持恒定，细胞浓度以及细胞比生长速率可维持不变。稳定状态可有效的延长分批培养中的对数生长期。理论上讲，该过程可无限延续下去。细胞很少受到培养环境变化带来的生理影响，特 别是生物反应器的主要营养物质葡萄糖和谷氨酰胺，维持在一个较低的水平， 从而使他们的利用效率提高，有害产物积累有所减

4、少。当 时，不一定是连续培养的稳定状态。最主要的是菌种易于退化。可以设想，处于如此长期高速繁殖下的微生物，即使其自发突变几率极低，也无法避免变异的发生， 尤其发生比原生产菌株生长速率高、 营养要求低和代谢产物少的负变类型。其次是易遭杂菌污染。可以想象，在长期运转中，要保持各种设备无渗漏，尤其是通气系统不出任何故障，是极其 困难的。在高的稀释率下，虽然死细胞和细胞碎片及时清除，细胞活性高，最终细胞密度得 到提高；可是产物却不断在稀释，因而产物浓度并未提高；尤其是细胞和产物不断的稀释,营养物质利用率、细胞增长速率和产物生产速率低下。此时，即使满足公式条件， 也不再是连续培养的稳定状态了。因此，不能

5、完全以此来观测连续培养的稳定状态。.葡萄糖为碳源进行酿酒酵母培养，呼吸商为1.04 ,氨为氮源。消耗 100mol葡萄糖和48mol氨，生成菌体 48mol、二氧化碳312mol和水432mol 。求氧的消耗量和酵母菌体的 化学组成。解：根据题意，可假定反应的质量平衡式为：工。& + 方。工 +4&VH3 f 48co+3】2cd +432/0RQ =ACO,-AO,312解得，300 = b ,即氧的消耗量为 300mol。根据元素平衡，有C； 600 = 48a 4-312H： 1200 + 48xS= 48p +432x2N： 48 = 48y0= 600 + 2x300= 485+31

6、2x2 + 432联立方程求解,得a = 6p= 10= 1*3酵母菌体的化学组成为3 g微生物反应过程反应方程式：碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO2+H2O为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡算。如果碳源由C、H、O组成，氮源为 NH3,细胞的分子式定义为 CHxOyNz ,忽略其他 微量元素P、S和灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。CHmOn aO2 bNH3 cCHxOyNz dCHuOvNw eH20 fCO2式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的 元素组

7、成。下标 m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原 子数。 对各元素做元素平衡，得到如下方程：C :1 =c d fH : m 3b = xc ud 2eO : n 2a = yc vd e 2fN :b = zc wdO2的消耗速率与CO 2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之COc一的呼吸商(respiratory quotient ),其te义式为：RQ =2O2平衡生长条件下微生物细胞的生长速率rx的定义式为dX二丁 二at式中X为微生物的浓度，科为微生物的比生长速率，其除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素所影响。由上式可知，与

8、倍增时间(doubling time) td的关系为：,ln 2 0.693l =tdtd.提高好氧发酵供氧能力的手段有机械搅拌，通风等方法，这俩种方法那种更有利于提高供氧？为什么？答：两种供氧方式各有长处和不足，适当选取供氧方式能提高供氧效率。影响发酵罐中氧气传递的因素有三个：(1)操作条件(搅拌转速，通气量)；(2)发酵罐的结构和几何参数；(3)物料的物化性质。机械搅拌可以从下列几个方面改善溶氧速率：(1)把大的空气气泡打成微小气泡，增加了接触面积，而且小气泡的上升速度要比大气泡 慢，因此接触时间就增长。(2)使液体作涡流运动，气泡作螺旋运动上升，延长了气泡的运动路线，即增加了气泡的接触时

9、间。(3)使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，因而增大KLa值。(4)使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，使推动力均一。同时， 也减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递。优点：搅拌功率高，具有良好的气液分散功能，因而溶氧速度高。缺点： 过度强烈的搅拌，产生的剪切作用大，对细胞损伤，特别对丝状菌的发酵类型，更应考虑到剪切力对菌体细胞的损伤。对于单细胞生物如球状或杆状的细菌、 酵母、等耐受剪切力比较强，宜采用机械搅拌供氧； 通气供氧：把无菌的空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度较低故

10、向上运动， 而上部的发酵液则下沉， 形成循环流动，实现混合和传质。优点：反应溶液分布均匀，综合循环速率高；较高的溶氧速率和溶氧效率较高的气含量和比气液接触面积；剪切力小没有机械搅拌叶轮，故剪切力小。缺点：通风的增加也是有限的；蒸发量大；中间挥发性代谢产物带走 对于丝状菌的耐受能力弱；动物细胞对剪切特别敏感。所以宜采用通气供氧。5.水-有机溶剂构成的双液相生物反应体系在生物反应体系中占有重要位置，具有广泛的应 用领域。双液相生物反应体系中除酶促反应体系外，还有微生物反应体系。以C113-羟基化反应的研究为例，该反应中不仅需要0113 -羟基化酶，还需要辅酶和细胞膜的磷脂双分子层的协同作用。这样的

11、生物转化反应是不能通过将酶提纯后再进行的。因此，直接利用微生物反应体系更具优势。 因此，此时采用温和压力技术进行 C113-羟基化反应是否可行？ 答：温和压力技术是根据微生物本身特性，通过在生物反应的一定阶段施加温和压力（0.11.0Mpa）,使细胞代谢通量沿着目的产物方向加强，或者提高特定酶促反应效率的一种新的 生物加工方法。温和压力催化改变了传统微生物发酵和生物催化过程中压力作为常量的做 法。由于该技术整合了高压技术与生物催化两项技术的优点，从而提高生物催化效率。通过选择适宜的加压介质和加压方式，可以使微生物活性基本不受影响。压力可以改善难溶底物在水相中的溶解性， 增进微生物细胞膜的通透性

12、，提高基质、产物的传质速率，改变微生物胞内代谢流，最终达到提高产物发酵水平的目的。目前，开展温和压力生物催化的报道甚少。天津科技大学生化工程研究室在国家自然 基金及天津市自然科学重点基金的资助下完成的相关研究结果表明：温和压力生物催化在理论和技术上是可行的，其中利用温和压力提高生物产物一一海藻糖的专利已获得授权；在0.11.0MPa温和压力条件下氢化可的松的转化率较常压提高了15%左右（发明专利），并且能够有效降低副产品的生成。这些为温和压力的商业化提供了必要的技术保证。蓝色犁头霉是生物法转化生产氢化可的松的常用菌种之一，由于管体生物转化过程中管体底物与犁头霉生物酶系分别位于油-水两相，从而大

13、大降低了氢化可的松的转化效率。氢化可的松的生产是一种典型的生物催化反应，该反应不但涉及反应底物溶解性低的问题，而且还涉及到高耗氧、辅酶再生等问题，在微生物法转化生产氢化可的松的过程中，除了微生物自身的转化能力外，氧气的供给、底物在水中的溶解性以及辅酶的再生是限制转化反应的 主要因素，如何有效地解决或缓解以上问题便成了在现有生产菌株基础上提高氢化可的松转 化率的关键。目前常采用的添加有机溶剂的方法、3环状糊精包埋及添加表面活性剂等方法，提高底物在水中的溶解性。采用温和压力技术，其优势在于：（1） 温和压力技术可以提高底物的溶解速率主要体现在两方面： 一压力对底物的影响，物理学上，压力是独立于温度

14、、化学组分的重要参量。压力可以有效地使物质的原子间距离缩短、相邻电子的轨道重叠增加，进而改变物质的晶体结构、电子结构和原（分）子间的相互作用，达到温和压平衡态， 形成全新的物质 状态。二压力对细胞膜的影响，使细胞膜通透性增加，从而使一些酶更容易的从胞内流向胞 外，加快了与底物的融合和反应。（2）改善了菌丝团结构常压条件下菌丝球形态完整、致密，菌丝球边缘菌丝较短，菌球边缘较平整，几乎无游离的菌丝。而在加压条件下菌丝球 形态比较松散，菌球外边缘的菌丝较长，菌球相对比较独立， 有少量菌丝互相连接，发酵液中有少量游离的菌丝。以上变化说明温和压力可以改变蓝色犁头霉的菌丝形态。考虑到氢化可的松前体R.S.

15、A的难溶性，菌丝球之间保持一定的孔隙会增大R.S.A与菌丝球间的有效接触面积，有助于提高底物与细胞的传质效率。只要在保证菌丝活力的前提下，温和压力处理通过改变菌丝球形态， 促进培养基中基质的传递效率，进而影响菌丝球的氢化可的松转化能力。（3）增加生产菌株的细胞膜通透性细胞膜主要由磷脂和蛋白质分子组成，通过氢键和疏水键维持其结构， 在压力的作用下，细胞膜双层结构的容积随着每一磷脂分子横切面积 的缩小而收缩，使通透性增大。菌丝球在温和压力的作用下，胞内电解液、内容物（蛋白质、核酸）不断外渗，从而导致细胞悬浮液的电导率、A260,和A280随压力变化而变化，在0.5MPa压力下，细胞膜通透性显著增强

16、， 各指标均高于常压对照。 而此时菌丝球仍保持很高的生物 活力（相对生物活力为97.8%） o这就说明，0.5MPa的压力处理可以在保证菌丝球生物活力的 前提下，显著提高了细胞膜的通透性。（4）提高了脱氢酶活力和强化了相关途径加压后菌丝球脱氢酶活力还略高于常压对照组，这可能是由于氧分压的增大，促使培养液中溶氧水平提高，进而影响细胞的代谢水平，最终表现为犁头霉菌丝球活力增强，胞内DHA水平提高。压力作为胁迫因子，可以改变细胞正常生理状态下的代谢通量，刺激细胞发生应激反应，促进应激产物的生成。从细胞水平上讲，应激因子 （生物、生理、物理、化学等）刺激生物个 体时，会激活一些基因的表达， 其细胞和生

17、物体会本能地合成一套保护性的物质，从而保护生物免受应激胁迫的损害，这一系列的代谢变化， 就是生物的应激反应，它是生物在长期的进化过程中保留下来的自我保护机制。在正常情况下，微生物体内的新陈代谢活动处于稳定状态，此时合成代谢与分解代谢之间存在着平衡.当机体受到外界刺激时，会产生各种应激反应，原有的平衡被破坏。结果以空气为介质，采用分阶段加压的转化工艺，压力提高了底 物在水相的溶解性，同时犁头霉菌丝球在维持原有活力的基础上，细胞膜通透性显著增强， 胞内DHA7R平提高，这些都促进了氢化可的松两相生物转化的进行。因此，通过选取合适的加压介质、加压方式，以压力为手段可以显著提高蓝色犁头霉氢化可的松生物转化效率。一定压力下影响微牛物活性的主要原因是升降压速度和加压介质的性质，其次是厌氧环境。当选择高纯空气为加压介质，控制合适的条件，微生物活细胞率不会损失。由于一定压 力的影响，微生物的代谢通量和相应的酶活性发生变化。温和压力下有的酵母菌的海藻糖合成酶活力较常压下提高 1倍，相应的酵母菌海藻糖生物合成能力最高提高200%,酵母菌代谢过程分析表明，一定压力下与海藻糖生物合成相关的代谢分