生物反应工程复习资料

1、知知识是人类进步的阶梯生物反应工程原理复习资料生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应。生物反应工程是指将实验室的成果经放大而成为可提供工业化生产的工艺工程。酶和酶的反应特征酶是一种生物催化剂，具有蛋白质的一切属性；具有催化剂的所有特征；具有其特有的催化特征。酶的来源：动物、植物和微生物酶的分类：氧化还原酶、水解酶、裂合酶、转移酶、连接酶和异构酶酶的性质：1）催化共性：降低反应的活化能加快反应速率不能改变反应的平衡常数。2）催化特性：较高的催化效率很强的专一性 温和的反应条件易变性和失活3）调节功能：浓度、激素、共价修饰、抑制剂、反馈调节等固定化酶的性质固定化酶：在一定空间

2、呈封闭状态的酶，能够进行连续反应，反应后可以回收利用。与游离酶的区别：游离酶-一般一次性使用（近来借助于膜分离技术可实现反复使用）固定化酶-能长期、连续使用（底物产物的扩散过程对反应速率有一定的影响;一般情况下稳定性有所提高；以离子键、物理吸附、疏水结合等法固定的酶在活性降低后，可添加新鲜酶溶液，使有活性的酶再次固定，再生活性）固定化对酶性质的影响：底物专一性的改变 、稳定性增强、最适pH值和最适温度变化、动力学参数的变化单底物均相酶反应动力学米氏方程kik2E S ESk 1快速平衡法假设: 这个可逆反应（1） CSCE,中间复合物ES的形成不会降低 CS （2）不考虑3） E S 会速平衡

3、,ES 若整午反应的限速阶段，因此 破坏这个平衡ES E PES分解成产物不足以ES E P ES E P 这个可逆ES浓度保持衡定，即稳态法假设：（1） CSCE,中间复合物 ES的形成不会降低 CS （2）不考虑反应（3）中间复合物ES一经分解，产生的游离酶立即与底物结合，使中间复合物dCESES 0IILLAT双倒数法（Linewear Burk对米氏方程两侧取倒数得 11& 1rrmaxrmax C S得一直线，直线斜率为以1工作图r csKm-1，截距为rmaxrmax根据直线斜率和截距可计算出Km和rmax抑制剂对酶反应的影响:失活作用（不可逆抑制）抑制作用（可逆抑制 竞争抑制反应

4、机理：k1k 2E S ES Ek 1KiE I EI）:竞争抑制、反竞争抑制、非竞争抑制、混合型抑制快速平阳法推导动力学方也稳态法推导动力学方程式中:寸九速平4*i寸九速平4*i法始字动力学齿建CF(t = c I C . + Cr EJr AJi J非竞争抑制反应机理：k1k2E S ES E Pk 1KiE I EI Ki ES I ESI可逆抑制各自的特点：P37冷却、机械力 化学因素有：酸、碱、盐、溶剂、表面活性剂、 酶失活过程的动力学未反应时的失活动力学Lkd表征方法（数学模型）：一级失活卞II型E D注：E-具有活性的酶可逆抑制各自的特点：P37冷却、机械力 化学因素有：酸、碱、

5、盐、溶剂、表面活性剂、 酶失活过程的动力学未反应时的失活动力学Lkd表征方法（数学模型）：一级失活卞II型E D注：E-具有活性的酶D-失活的酶kd-衰艾常数几个视K 7：,宾羹带般：重金属、蛋白酶。建立前失活动力学方程：_dC_kC dt*/捋 C代=e）（反应时的失活动力学&征方法数学/空）.。：小盘辄当 =E -h S o 1坨十eMdIn 2%也立验失活动力方崔联或求解，得学方枪_ k超瞑心品）%瞑温出一”江前亦力dr drr中一%。小空二矿工厂如斗 at.f -f +式+； a* :、刖T霹SKk +5C.Ar +Cs.竞争抑制非竞争抑制竞争抑制 超竞争抑制r九 C瓦方i C, tK

6、 J+cT（T+cTTaTka c3多底物均相酶反应动力学（这里讨论：双底物双产物情况A B P Q ）J强制有序机制/顺序机制j西-钱氏机制双底物双产物反应机制：jL随即有序机制乒乓机制注思在工业级反应中，反应速度一般是由改变所用 酶浓度和（或）反应时间，而不是改变底物浓度来控制的，并且要测定的最重要参数是可测的转化率，而不是反应速度酶失活的因素有哪些？酶会由于种种因素发生失活。其中热失活最重要。酶的热失活随温度升高而失活程度加剧。物理因素有：加热、模型中：=1时，底物对酶失活无影响=0时，酶完全被底物所保护0 1时，底物加速酶的失活因此，称 为底物对酶稳定性影响系数影响固定化酶促反应的主要

7、因素：子构象的改变、位阻效应、微扰效应、分配效应（可用Kp定量描述）、扩散效应（可定量描述）评价酶反应器指标：转化率、产率、选择性、停留时间均相酶反应器的分类：均相反应器（理想反应器 按反阈体系混合状态I非均相反应学生物团块（包拈细胞r絮状物，菌整体）反应同按催化剂在反拽J器的分布方式生物膜反应器几式反应器（间歇反应器）按操作方式连续反应器看间歇反应器批式反应器连续反应器批式反应器 cC H O N +dCO2+eH2O底物碳源氮源细胞 TOC o 1-5 h z 对c元素：m cd（i）对h元素：n 3 b c 2e对。元素：12a c 2d e（3）对N元素：b c（4）上述4个细胞反应的

8、计量方程，不足以计算a、b、c、d、e等5个未知量，因而再寻找 1个方程如在好氧型培养时，可定义呼吸商（仪器测定）作为第5个方程； HYPERLINK l bookmark2 o Current Document RQ d/a或采用还原度平衡的方法（C=4, H=1,N=-3 , O=-2, P=5, S=6)联立15式，有0010a m030 2b n202 1c l0100d0RQ0010e0解得细胞反应方程的a、b、c、d、e等5个系数例：某以葡萄糖为底物的微生物细胞培养过程，有2/3例：某以葡萄糖为底物的微生物细胞培养过程，有2/3的碳转化为细胞。其细胞培养的反应方程为C6H12O6+

9、aNH3+ bO2= cC4.4H7.3O1.2N0.86+ dH2O+ eCO2葡萄糖微生物细胞C6H12O6+aNH3+ bO2= cC4.4H7.3O1.2N0.86+ dH2O+ eCO2葡萄糖微生物细胞(1)试确定计量系数 a、b、c、d、e;(2)试计算其细胞对底物的得率YX / S(3)试计算呼吸商RQ。解：(1)细胞反应的方程式系数的计算1mol葡萄糖所含有的C48gc 0.9094.4 12则有：转化为 CO2的1mol葡萄糖所含有的C48gc 0.9094.4 12则有：转化为 CO2的C元素为:元素为根据题意48ol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为：72 4& 24则:2

10、4 12e对N元素平衡, 对H元素平衡,有:有:a12e0.86c3a2 0.7827.3c2d7.3 c21230.7827 .30.9097.3 c21230.7827 .30.90923.855对O元素平衡,有:1.2c6 2bd 2e 61.2c d 2e所以:a= 0.782 ,即:21.2 0.909 3.85521.473b=1.473 , c= 0.909, d=3.855 , e=2C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2细胞对底物的得率 YX / S的计算0.909(4.4 12 7.3 1

11、1.2 16 0.86 14)10.909 91.341对O元素平衡,有:1.2c6 2bd 2e 61.2c d 2e所以:a= 0.782 ,即:21.2 0.909 3.85521.473b=1.473 , c= 0.909, d=3.855 , e=2C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2细胞对底物的得率 YX / S的计算0.909(4.4 12 7.3 1 1.2 16 0.86 14)10.909 91.34183.02818083.028g细胞/mol葡萄糖0.461g细胞/g葡萄糖呼吸商RQ的

12、计算RQCO2的生成速率O2的消耗速率e 2 1.358b 1.473呼吸商的计算比消耗速率比生成速率微生物反应动力学模型的分类：有，按是否对细胞的生长进行平衡生长化假设,分的类型：结构模型、非结构模型（非平衡生长时，采用结构 模型）有，按是否考虑细胞群体中的个体的随机（即时）变化，分的类型：随机性模型、确定性模型（当细胞浓度在 104个/ml以下时，需足够重视个体的影响，采用随机性模型如，灭菌动力学；发酵过程中，细胞浓度经常在 1071010个/ml范围内，可忽略个体的影响，采用确定性模型）平衡生长条件下微生物细胞的dXXdt式中平衡生长条件下微生物细胞的dXXdt式中X为微生物的浓度， 由

13、上式可知，科与倍增时间 定义，比生长速率生长速率rx的定义式为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。rX为细胞的生长速率（(doubling time) td 的关系为：rX (1/h):Xg.DCW/L.h );pXp的质量浓度(g.DCW/L )In 2 0.693ITmaxKsmaxKs SMonod方程注： 比生长速率（h-1）mat大比生长速率（h-1） 一K-饱和常数（g/L ）S限制性底物浓度（g/L）代谢产物的生成动力学根据产物生成速率与细胞生成速率之间的关系，将其分成三种类型。相关模型，是指产物生成与细胞生长呈相关的过程。产物是细胞能量代谢

14、的结果。此时产物通常是基质的分解代谢产物。例如：乙醇、葡萄糖酸等。部分相关模型，反应产物生成与基质消耗仅有间接的关系。产物是能量代谢的间接结果。在细胞生长期内，基本 无产物生成。属于这类的有柠檬酸和氨基酸的生产等。非相关模型，产物的生成与细胞的生长无直接关系。在微生物生长阶段，无产物积累，当细胞停止生长，产物却 大量生成。属于这类的有青霉素等二级代谢产物的生产。微生物反应器操作深层培养的几种方式：分批式操作 （batch operation）:是指基 质一次性加入反应器内，在适宜条件下将微 生物菌种接入，反应完成后将全部反应物料 取出的操作方式半分批式操作 （ semi-batch opera

15、tion ）: 又 称流加操作，是指先将一定量基质加入反应器 内，在适宜条件下将微生物菌种接入反应器中， 反应开始，反应过程中将特定的限制性基质按 照一定要求加入到反应器内，以控制限制性基 质保持一定，当反应终止时取出反应物料的操 作方式 。反复分批式操作 （ repeated batch operation）:指分批操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照分批式操作方式，反复 进行。反复半分批式操作（repeated semi-batch operation）：是指流加操作完成后，不全部取出反应物料，剩余部分重新加入一定量的基质，再按照流加操作方式进行，反复进行。

16、连续式操作（continuous operation）:是指在分批式操作进行到一定阶段，一方面将基质连续不断地加入 反应器内，另一方面又把反应物料连续不断的取出，使反应条件（如反应液体积等）不随时间变化的操 作方式。分批式培养过程的状态方程式基质：基质（底物）消耗速率基质（底物）比消耗速率菌体：dX/dt=（1X产物：产物的生成速率分批式培养过程的状态方程式基质：基质（底物）消耗速率基质（底物）比消耗速率菌体：dX/dt=（1X产物：产物的生成速率产物的比生成速率（环境过程的状态方程式）可表示为:VSV/Yx-SrSVVSCxrsxqsrPqp rPxYp s rsYp s qs流加操作的2种

17、方式：无反馈和有反馈各有什么特点?前者包括定流量流加、指数流加和反馈控制流加操作等。后者分间接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操作。连续操作有两大类型，即 CSTR （continuous stirred tank reactor）型和 CPFR（continuous plug flow tulular reactor ）型。根据达成稳定状态的方法不同，CSTR型连续操作，大致可分为三种。一是恒化器法（chemostat）,二是恒浊器法（第三是营养物恒定法）。各有什么特点？恒化器法 是指在连续培养过程中，基质流加速度恒定，以调节微生物细胞的生长速率与恒定流量相适应的方法。恒浊器法是指预

18、先规定细胞浓度，通过基质流量控制，以适应细胞的既定浓度的方法。营养物恒定法是指通过流加一定成分，使培养基中的营养成分恒定的方法。实际应用中多采用恒化器法。（注意:恒化培养的冲出现象）（恒化器法连续）变化量=流入量+生成量-流出量微生物菌体工V-VftX-FXdt 基质：=标atdP产物：V二F疝-FPdtF为反应液流入与流出速度V为反应器内反应液的体积微生物菌体工V-VftX-FXdt 基质：=标atdP产物：V二F疝-FPdtF为反应液流入与流出速度V为反应器内反应液的体积L,Sin为流入液中限制性底物的浓度 为反应器内和流出液中限制性底物浓度其余符号同前。D称为稀释率:D F/V物质传递L

19、/h,mol/L , mol/L ,以液相浓度为基准可得下式：推动力 Ci C C CiN i阻力1.kL1kG1 kL H kGKl(CC)kL为液膜传质系数；kG为气膜传质系数；Ci为气液界面上的平衡浓度；C为反应液主流中氧的浓度；C*为与气相氧分压相平衡的氧浓度; U气加1界面H为亨利常数；H为亨利常数；KL为以液膜为基准的总传质系数。气液界面附近氧传递的双膜理论模型影响物质传递的因素?如何提高氧的传质速率?营养通过细胞膜的传递形式有：被动传递、主动传递、促进传递稳态法）体积传质系数的测定方法：亚硫酸盐法、溶氧电极法（包括动态法、稳态法）生物反应器的放大放大原则：即使是最常用的通气搅拌罐

20、，其规模放大仍然存在许多问题，在很大程度上还需要逐级放大数据和实际经验应用理论分析和实验研究相结合的方法,总结生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研究解决质量传际经验应用理论分析和实验研究相结合的方法,递、动量传递和热量传递问题，使在反应器放大过程中尽可能维持生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率细胞反应器放大的具体方法：1几何尺寸的放大（Di）; 2通气量的放大（Q/V、s）; 3以单位体积的通气量相同的原则放大；4以通气线速度相同的原则放大；5以KL “相同的原则放大;体雷诺数相同的原则放大; 原则放大。8以搅拌桨叶尖速度相同的原则放大;6搅拌功率的放大（；4以通气线速度相同的原则放大；

21、5以KL “相同的原则放大;体雷诺数相同的原则放大; 原则放大。8以搅拌桨叶尖速度相同的原则放大;6搅拌功率的放大（n）;9以单位体积液体消耗功率7以流P/V相等的几何尺寸的放大（Di）D2DD通气量的放大（反应器直径Q/V、s s)23H L1H L21Di2V2 3DV1Di 搅拌器直径反应器的装料容积2D 3Di1Di2知：大罐的Q要比小罐的小得多以KL “相同的原则放大经过实验和有关准数的整理，可把KLa体积溶氧系数（Q与KLa关联如下:1/h）KLaHlQ-以KL “相同的原则放大经过实验和有关准数的整理，可把KLa体积溶氧系数（Q与KLa关联如下:1/h）KLaHlQ-V-HL通风

22、量（m3/min、或vvm）发酵液体积（发酵液深度（m3)m)1KLa 2H L2KLa 1HLi醒：实际反应体系搅拌功率的放大（KLa的关联式具有随反应器结构和发酵体系的多变性n）搅拌功率的放大实际上是 n和Di的放大。若几何相似，则 Di 一定，放大问题就只是选择搅拌转速n的问题P/VP/V恒定的方法进行的，这种方法应用得非常成功湍流 P n3 DiP/VP/V恒定的方法进行的，这种方法应用得非常成功湍流 P n3 Di5则：Pn3 Di2V重点一由几何放大%:Dii通风发酵设备（了解，自己看一下方面）n2niDiiDi223（以流体雷诺数相同的原则放大） TOC o 1-5 h z L2细胞反应器中，此方法很少采用Re n Di2L2Ren9 D： 91 一2 一0小n2DiiReini Di2k丁以搅拌桨叶