生化反应工程

生化反应工程Contents第一节酶催化反应动力学第二节细胞生长和产物生成的动力学第三节生物反应器第四节连续培养几个问题？你们在平常生活中见过那些生化反应？生化反应是怎样进行的？第一节酶催化反应动力学酶是有催化功能的蛋白质，催化剂能影响化学反应的反应速率，但是不能影响反应的平衡状态第一节酶催化反应动力学什么是催化剂：催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。

酶同化学催化剂在催化过程中的作用是相似的，但是化学催化剂常是非专一性的，酶催化剂虽然也有些不是非常专一，但大多数是专一性很强的，它们催化某种底物进行一种反应。例如：将水解蛋白成为小的多肽或氨基酸的水解蛋白酶，并不希望它有太强的专一性，或者称为广谱酶；而催化一种特殊物质异构化的酶确往往要求很强的专一性。而决定催化能力的活性点与酶分子的三维结构密切相关。

酶的另一个特性是经常需要辅因子的共同作用，辅因子是非蛋白质化合物，它与非活性蛋白结合形成具有催化活性的复合物，这种复合物常称为酶。辅因子分为三类:第一节酶催化反应动力学1、金属离子：最简单的辅因子。酶与辅因子结合紧密时，金属离子已成为酶的一部分。有时，酶与金属离子的可逆结合比较弱，这类金属离子成为激活剂。第一节酶催化反应动力学2、辅酶。很多酶是由蛋白质部分和与其相结合的辅基所组成，其蛋白质部分叫作酶蛋白，辅基部分叫作辅酶。3、辅底物。包括NAD、NADP、辅酶Q、谷胱甘肽、ATP、辅酶A和四氢叶酸等，这类物质是作为第二底物（同底物相比较）起作用的，它们以化学计量关系与真正的底物进行反应，反应后辅底物发生变化，不能靠这个酶反应本身把它还原成原来的状态（即），如1-1简单酶反应动力学如果酶催化反应为：

，则反应速率可以定义为：式中Cs和Cp分别为底物和产物的浓度。为测定酶反应动力学，常作如下实验：在时间为零时，把底物和酶溶液在充分搅拌下与pH缓冲溶液混和，保持恒温，然后跟踪底物或产物浓度随时间的变化，由所得的数据求取底物或产物对时间曲线的初始斜率，即其中酶浓度CE＝CE0，CS＝CS0和Cp＝0

1-1简单酶反应动力学一、米氏方程米氏方程取不同的CS0和CE0可得到不同的，如图10-1，从图中可以看出：对底物浓度来说，在低浓度下，反应速率呈一级反应的特征；底物浓度不断增加时，对底物的反应级数从一级逐渐变成零级；反应速率与总酶量成正比。

图1-1酶反应动力学的特点

1-1简单酶反应动力学这种现象最简单的解释是酶催化反应至少必须经过两步。首先，酶E和底物S结合形成酶－底物中间体ES，在中间体形式下，底物转化为产物并释放出来：

如果10-3a反应进行的很快，处于平衡态，有

其中CS，CE，，CES表示底物S酶E，中间体ES的浓度。，中间体变成产物和游离酶是不可逆的，

10-1简单酶反应动力学将1-5、1-6式代入到1-4式中，得

因，且当所有酶都参加了第二步反应，反应速率达到最大值，即，则（1-7式）可变型为其中称作最大反应速率，称为米氏常数。而这个方程我们成为米氏方程

1-1简单酶反应动力学米氏方程是最简单最经典的酶反应动力学表达式，更为一般的情况，常用定态法处理，即

反应速率（的反应速率等于中间产物ES的生成减去分解）酶中间体生成速率因为酶的中间体在反应开始升高后，基本不在改变保持定态，所以

这个假设称为拟定态假设，成立条件为初始底物浓度远远大于总酶浓度。我们将1-5、1-9、1-10和1-11式联立，得到

其中

，不在有解离常数的物理意义我们把米氏方程1-8式积分，得

从式（1-4）或式（1-10）和1-11）都可以得到

1-1简单酶反应动力学1-4式推到过程：

1-10推导过程：

1-1简单酶反应动力学1-1简单酶反应动力学因此，当等于时，总的酶分子中，有一半处于游离态，另一半处于结合态，反应速率为最大可能反应速率的一半。当远大于时大多数的都与底物结合成，反应速率呈零级反应特征；当远小于时，大多数酶以游离状态存在，反应速率呈一级反应特征。

图1-2米氏方程的速率－浓度关系

二、可逆反应、双底物反应、底物抑制和平行反应1、可逆反应在酶催化反应中，如生物大分子的水解其平衡点极有利于产物，多数情况下可看成不可逆的。但是，对于有些酶反应，如葡萄糖异构化酶转化葡萄糖为果糖，在平衡状态下时，底物和产物都有相当的量，必须考虑逆反应。对于最简单的可逆反应动力学模型。

1-1简单酶反应动力学1-1简单酶反应动力学若适用于定态近似，则正反应速率方程为其中和与米氏方程中的和一致，并且

设平衡状态下底物浓度为，产物浓度为，平衡常数为，式1-18的分子项等于零（平衡时反应速率为零），即

1-1简单酶反应动力学又因反应为单分子反应，反应物与生成物的分子个数相等，故将式1-20代入到1-21中，得引入新的底物浓度（因底物浓度很大，所以可以近似看成）

1-1简单酶反应动力学把式（1-20），式（1-22），式（1-23）代入式（1-18），得

其中，式（1-24）与米氏方程形式相同。实际上，当趋于零时和分别表示和（当，由1-19式和1-20式可，，则，同理＝）1-1简单酶反应动力学2、双底物反应有两个底物同时与酶作用的酶催化反应，称为双底物反应。由乙酰辅酶A和草酰乙酸生成柠檬酸的反应，以及氧化磷酸化过程中还原辅酶（NADH＋H＋）与氧分子结合成水的酶催化反应等都是双底物反应的例子速率方程式推导如下：1-1简单酶反应动力学式中为平衡常数，为反应速率常数，根据酶总浓度不变的原则，假定，可推得：在双底物反应中，若其中一种底物处于过量状态，这时,式1-29回复到米氏方程的形式

1-1简单酶反应动力学3、底物抑制在高底物浓度下，酶催化反应往往会减慢，这种现象称为底物抑制，如图1-3所示随着底物浓度的增加，反应速率r经过一个最大值。当底物浓度时，底物浓度的增加反而引起反应速率的减小。

图1-3底物抑制时的反应速率和底物浓度关系图1-1简单酶反应动力学这种动力学行为对生化反应器的性能有重要意义。在最简单的情况下可用类似米氏方程的方法得出，酶－底物中间物ES能够与第二个底物分子S结合生成第二个ESS，且它不能进行下一步反应。平衡下的反应步骤如下：

1-1简单酶反应动力学利用上述关系可推出（应用定态法）在低底物浓度下，若远小于1，上式简化成米氏方程的形式。于是，这个方程的参数和常在低底物浓度下求取。在高底物浓度下，r值比米氏方程计算值小，且在时，r达到最大值，然后缩小。（或求方程最小值）

1-1简单酶反应动力学4、平行反应许多酶不止能利用一种底物，各种反应物共用酶的活性点，并产生相互之间的竞争，这种反应方式称为平行反应。例子：生物大分子的水解酶类，如淀粉、多糖等分子链很长并大小不一，实际上并不是由一种物质构成，因此其动力学行为也会有相应的差别，在这里，我们先假设一种酶同时催化两种不同的底物进行反应。1-1简单酶反应动力学慢反应由此可推出1-1简单酶反应动力学定义总的底物浓度为将1-33和1-34式代入到1-35，得到总反应速率从1-36式可以看出，在保持总量不变的情况下，总反应速率还取决于底物浓度之比。当时

1-36式变为，当时，1-36是变成为和米氏方程一致。同样，在酶反应中，即使反应物总浓度保持常数，但相对量不同，反应器性能也会发生改变。

1-2竞争性和非竞争性抑制首先要了解什么是抑制剂，某种物质的存在而使酶催化反应速率减慢，这种物质称为抑制剂。抑制剂可通过两种方式产生抑制作用：1、抑制作用可由抑制剂和酶之间的作用引起；2、抑制作用可由抑制剂和底物之间的作用引起。因为抑制剂和底物的作用机理相对复杂，这里只讨论抑制剂和酶之间的相互作用引起的抑制现象。通过稀释和去除抑制剂，有的抑制现象可逆，有的抑制现象不可逆，在众多抑制作用中，最简单的模型是竞争性抑制和非竞争性抑制。

1-2竞争性和非竞争性抑制酶是靠它的活性部位来完成催化作用的。当底物和抑制剂都能专一的作用于酶的同一活性部位，抑制剂与酶的结合阻止了底物与这个酶分子的结合，这种现象称为竞争性抑制。当抑制剂和酶分子的结合点不在酶催化反应的活性部位，底物和酶的结合并不影响抑制剂与酶的结合，而抑制剂与酶的结合却阻止了底物与酶的结合，这种现象称为非竞争性抑制。

图1-4竞争性抑制和非竞争性抑制

1-2竞争性和非竞争性抑制一、竞争性抑制其中I为抑制剂，其反应速率为我们继续用定态假设进行计算，设、在达到平衡后维持不变，则1-2竞争性和非竞争性抑制因抑制剂都是过量的，所以可近似认为抑制剂总浓度等于，可得

(可与米式方程对应)式中

竞争性抑制可用于化学治疗药物，也可用于杀虫剂或除草剂。在青霉素之类抗生素发现之前，磺胺药物（如磺胺吡啶）用作主要的的抗细菌药物，它在辅酶四氢叶酸的合成中能与对氨基苯甲酸竞争，细菌需要合成这种酶，而人直接从维生素叶酸获得，这样用磺胺吡啶处理细菌感染，对人影响很小。

1-2竞争性和非竞争性抑制二、非竞争性抑制同样根据定态假设，可得

1-2竞争性和非竞争性抑制在下，得式中三、根据实验数据判别竞争性抑制和非竞争性抑制通过E-H作图法，将米氏方程转换为；对于竞争性抑制和非竞争性抑制可将方程转换为和1-2竞争性和非竞争性抑制图1-5竞争性抑制和非竞争性抑制的eadie作图

1-3pH值和温度的作用

影响酶催化活性的因素很多，如pH值、温度、流体力、化学试剂和辐射等，其中，最常遇到、影响最大的是pH值和温度对催化活性的作用。一、pH值的作用我们都知道，酶的基本组成是蛋白质，构成蛋白质的氨基酸含有碱性、中性和酸性集团。在一定pH值下，酶既带有正电荷基团也带有负电荷基团，而这些基团常是构成活性点的部分。一种酶往往只是在一种特定的电荷状态下才具有催化活性。因为具有这种特定电荷状态的酶只占总酶的一部分，随着pH值的变化，酶的相对活力有一个最大值，即相对活性pH值曲线常呈钟罩型或倒抛物线型。

1-3pH值和温度的作用其模型如下：其中E代表酶的活性形式，、都是酶的非活性形式。解离常数K1,K2分别由下式表示：1-3pH值和温度的作用其中分别对应的和氢离子的浓度形式，而上述三种状态的酶的总浓度是不变的，即

用分别表示与值之比，通过1-50和1-51式的转换，则有

1-51转换得：

1-3pH值和温度的作用1-50转换得：两式代入得同理可得到：

1-3pH值和温度的作用上述三式称为米氏pH值函数，y达到最大值时的氢离子浓度为即1-3pH值和温度的作用因为参加酶反应的是处于活化状态的酶，那可用代替总酶浓度，则得到新的最大反应速率为

（米式方程中最大反应速率表达式为）

1-3pH值和温度的作用二、温度作用温度对化学反应的作用可用阿伦尼乌斯方程表示

其中k为反应速率常数，A为数前因子，Ea为活化能，Rg为气体常数8.31，T是绝对温度。最佳温度产生原因：温度升高，反应速率加快，同时，温度过高，酶受到破坏，失去活性，但两者达到平衡取得最佳值时就是最佳温度。第二节细胞生长和产物生成的动力学第一节我们讲了几种简单的酶催化反应的动力学方程和影响酶催化反应的因素，这一节我们主要从细胞的角度来分析动力学方程。细胞和酶有明显的区别，酶是有活性的物质，而细胞则是有生命的物质，他利用底物主要有三个作用：（1）合成新的细胞物质（自身代谢）（2）合成细胞外产物（作为整个细胞组织其它细胞的需要）（3）提供必须能量。a、进行合成反应需要；b、维持细胞内物质的浓度与环境的差别；c、进行细胞内的转化反应。

第二节细胞生长和产物生成的动力学

进行细胞过程所需要的能量是ATP或类似物质的化学能，它由两个过程产生：一、底物氧化成CO2和水（氧化磷酸化）；二、底物降解为简单产物（如乙醇、乙酸、柠檬酸、底物水平磷酸化等）、CO2和水等。底物水平磷酸化为第一类产物。

第二节细胞生长和产物生成的动力学细胞外产物是指：（1）胞外酶（分解不能通过细胞壁的底物）；（2）多糖（用于细胞聚集）；（3）特殊代谢产物（能抑制竞争微生物，如抗生素），这类物质统称为第二类产物。有时当含碳底物过量，含氮镁等底物限制下，产生第三类底物，它们主要是蓄能化合物，如糖原、脂肪和多糖等。维持细胞内物质的浓度与环境的差别和进行细胞内的转化反应所需要的总能量称为维持能，其只能维持细胞处于活性状态，不生成细胞物质和第二、三类产物。

第二节细胞生长和产物生成的动力学图1-6是细胞、底物、能量和产物的关系图，各个r表示下标物质的生成或消耗速率，S、N、O、X、P和C分别表示底物、氮源、氧、细胞、产物和二氧化碳。实线表示物质流，虚线表示以ATP形式的能量流。含碳底物（以CHO表示）形成第三类产物，与含氮底物一起形成细胞物质和第二类产物。因反应过程需要能量，含氮底物又被用来产生能量用以合成和维持。产能途径有两条:一是无氧代谢产生第一类产物，二是有氧代谢产生CO2和水。

第二节细胞生长和产物生成的动力学图1-6细胞、底物、能量和产物的关系图第二节细胞生长和产物生成的动力学进入的物料有三种（CHO、N、O），可以写出三个独立的物料平衡关系，也能写出总的ATP平衡关系，这样就有四个平衡方程。图1-6中有八个物料流和一个能量流，总共9个速率式。因此可以有5个独立的速率方程式。（5个反应速率方程）

第二节细胞生长和产物生成的动力学最常选择的两个动力学表达式rm（维持能）和rx（生长速率），其它的表达式可选择ro（氧摄入速率）、rp2和rp3（第二、三类产物生成）。因为在实际中不可能把氧化磷酸化产生的CO2和水与作为第一类产物的CO2区分开来。因此可忽略这支流和对应的氧平衡，剩下两个物料平衡和一个ATP平衡式

第二节细胞生长和产物生成的动力学式中Y为得率系数。为生成每kg细胞所需的ATP的千摩尔数，为生成每kg第一类产物所需的ATP的千摩尔数，和类推。这样有了三个平衡关系和七个速率关系，其中只有四个速率方程是独立的。它们的基本形式是

1-4细胞的生长和维持一、细胞的生长和抑制细胞的生长和抑制的动力学模型大多以酶动力学模型为基础。把细胞看做是一个微小的化学反应器，通过复杂的酶催化反应网络把底物转化为活细胞物质和分泌物质。假设所有底物中有一种是限制性底物，在这种底物转化为细胞物质所经过的各种途径中，有一条途径是最慢的，限制了总反应速率。这样我们通过测定这条途径的速率就可以测定总反应速率，这步反应称为限制性反应。如果我们对模型进行简化，假定速率控制反应中，酶浓度正比于细胞浓度，底物浓度正比于限制性底物浓度，那么对于细胞生长，可以写出与酶催化反应的米氏方程类似的形式

1-4细胞的生长和维持此式称为细胞生长的（Monod）方程，其中是细胞生长速率，是最大比生长速率，是限制性底物浓度，是饱和常数，是活细胞浓度。

称为比生长速率。

1-4细胞的生长和维持如果限制性底物浓度远大于，那么比生长速率为定制。这表明菌体处于对数生长期，即生长速率与已有的细胞量呈正比。比生长速率与细胞倍增时间的关系为（倍增时间是细胞总量增加一倍所用的时间）

1-4细胞的生长和维持同理，对应酶反应方程，可得出双底物限制、底物限制和生长抑制的细胞生长方程为（受底物抑制，当底物浓度增加到一定值后，再提高底物浓度生长速率会下降）

（受双底物限制时）

有许多物质包括底物、产物或其他物质会抑制细胞生长，这些抑制剂的作用就好象酶催化反应中的抑制剂，可按酶催化抑制动力学模拟细胞生长抑制，为抑制剂浓度

1-4细胞的生长和维持二、细胞维持维持能是细胞消耗能量的一部分，用于维持细胞处于活性状态（例如新合成被不断降解的细胞物质）以及保持细胞内外的浓度梯度，产生维持能而消耗底物的速率写为：也可根据ATP写出维持方程

1-4细胞的生长和维持其中是ATP需要量，是速率常数。M值的范围（0.02-4），单位是kg底物、（kg细胞h）。值的范围为0.5-200。m值的大小与环境条件和细胞生长速率有关。大部分维持能用于保持渗透压的恒定，增加培养基盐浓度会大大增加m值。pH值对m值也有较大影响，改变了环境条件，细胞调节酶谱适应环境，细胞蛋白的重新合成加快，m值提高。生长条件不改变时，用于细胞物质重新合成的维持能比较低，但当细胞停止生长或适应新的底物时，m值就比较高。

1-4细胞的生长和维持三、细胞死亡细胞在生长的同时，也有部分活细胞变成非活性的。所谓非活性细胞，一部分是真正死亡，唯一的命运是水解；另一部分处于假死状态，短期内不能转化为活细胞，假定转化为非活性细胞的速率正比于活细胞量1-4细胞的生长和维持环境条件对的影响知之甚少，底物浓度对的影响可假定为在底物浓度为零时,有最大值；在底物浓度高时，即，有最小值。

1-5产物形成对各类产物的生成，有许多模型，有三种模型代表了三种系统生长偶联产物：(与细胞生长速率有关)非生长偶联产物：（与细胞浓度有关）混和动力学：

对乳酸发酵：这个式子是经验式，但也可从细胞过程推出。1-5产物形成在无氧条件（）下，对第一类产物作ATP平衡（）

（第一类产物产生的ATP等于生成细胞物质和细胞维持所需能量）

式中

，所以

为生成每kg细胞所需的ATP的千摩尔数，为生成每kg第一类产物所需的ATP的千摩尔数。

1-5产物形成此式与式（1-37）一致，但有了理论依据。要使第一类产物生成速率高，就需要微生物有高的维持能要求，生产单位量的第一类产物时生产的ATP要少（即要少）。上述方程也可解释乙醇发酵中运动短杆菌比酵母效率高的原因。运动短杆菌的mATP值是酵母的14-25倍，而运动短杆菌的值是0.5kmolATP/（kg乙醇），酵母的对应值却是1。1-5产物形成对其他产物的生成也可采用类似的方法讨论。对第二类产物，有为使产物生产速率最大，应抑制细胞生长，氧摄取率应最大，用于维持和产物生成的底物为：

1-5产物形成在培养基中产物达到足够高的浓度，会抑制甚至停止产物生成，这在乙醇发酵中是很典型。产物抑制的动力学表达式可借用细胞生长抑制的表达式（1-68），把其中的抑制物浓度换成浓度。乙醇发酵中常用的产物表达式为：其中为最大可能的乙醇浓度。

1-6底物利用

随着底物消耗，形成细胞物质和代谢物质。那底物利用速率和这些物质的生成速率又是怎样一个关系呢，我们可以通过一个化学方程式来表示，如葡萄糖生成乙醇的方程

即消耗1kg葡萄糖（分子量180），生成0.51kg乙醇（分子量46）。如果表示产物生成速率，表示用于产物生成的底物消耗速率，即1-6底物利用式中，是产物对底物的产率系数。在以细胞无氧生长的关系为例式中(分子量30)代表糖类化合物，（分子量18）是氮源，（分子量24.6）是许多细胞的近似分子式。由此可见，每消耗1kg糖类底物可产生0.81kg细胞，而每1kg氮源则可产生8.8kg细胞

1-6底物利用或或以乙醇发酵为例，酵母无氧生长时，细胞合成所需要的能量从糖生成乙醇的反应中得到。为生成1kg细胞所需的ATP的千摩尔数，为生成每kg乙醇所产生的ATP千摩尔数。这样，每生成1kg细胞，会产生kg乙醇，即每生成1kg细胞，要消耗1/0.81kg生成细胞的葡萄糖，kg葡萄糖生成乙醇。

1-6底物利用细胞对葡萄糖产率为，对于＝0.095，＝1/46，值为0.102。同样乙醇对糖的产率为0.446。这里没有考虑维持能，它会进一步减少细胞和乙醇的产率。产率是一种产物对一种反应物的比率，其中的反应物进入反应后，可以形成各种产物。

1-6底物利用总的底物利用速率是利用底物形成各种产物（包括细胞）的速率之和。当细胞生长、产物合成和维持用的能量来自氧化磷酸化时，CO2和水也包括在产物中，但它们也是合成反应的产物。很难搞清楚它们具体来自哪个途径。可是，若已知氧消耗速率，则氧化磷酸化所利用的底物可通过氧化反应计量学求得。用氧把葡萄糖氧化成CO2和水，每30kg葡萄糖要消耗32kg氧，所以氧所需要的底物的比率系数是1.067，对应的底物消耗速率为

1-6底物利用如果氧化磷酸化的氧消耗速率未知，生产合成需的能量的那部分底物包括在按化学方程式合成所需的底物中。这时的产率系数称为产率因子，用表示。对于提供维持能所需的底物，常采用一级关系.

这样底物利用的更普遍的表达式为：1-7温度和pH值的影响在细胞反应过程中，除了满足细胞生长的营养需要外，还需要维持细胞生长的适宜操作条件，其中温度和pH值是两个重要的因素

1、温度温度对细胞内所进行的各种生化反应和其生长速率都有很大的影响。一般动物细胞的培养温度为31-39℃，植物细胞为25-30℃，微生物则根据其最适培养温度可分为低温菌中温菌和高温菌等几种。绝对反应速率理论既适用于细胞生长，也适用于细胞死亡，即1-7温度和pH值的影响其中，k为比生长速率常数或死亡速率常数，是过程的活化能，R是气体定律常数。一般来说，生长活化能的数量级为35-50000，死亡活化能的能量级为200-400000。这样，对于某种细胞，就有一个最佳生长温度，如图1-7所示。

1-7温度和pH值的影响图10-7温度对生长速率的影响1-7温度和pH值的影响pH值对生长速率影响的模型是在酶特性基础上建立起来的。由于酶是由氨基酸组成的，因而有酸、碱和中性三种形式，细胞也分为活性（即中性）（即酸性或碱性）形式

其中和是其平衡常数。如果把活性细胞分率定义为y：

1-7温度和pH值的影响其中，那么与酶性质相似，有

其中为氢离子浓度

1-7温度和pH值的影响图1-8表示pH值对活性细胞分率的影响。对多数细胞系统，

1-8重组微生物的稳定性在重组微生物培养过程中，微生物生长到一定代数后，产物的产率会逐渐减少。其主要原因有两个：1、细胞分裂时，质粒的缺失性分配；2、质粒DNA突变导致结构不稳定性。对于稳定得质粒分配，细胞每分裂一代，每个细胞的平均质粒拷贝数倍增，同时，在细胞分裂时，质粒拷贝平均地分配到两个子代细胞中。据报道，质粒不稳定的问题在大肠杆菌、枯草杆菌和酵母作为宿主的系统中都广泛存在。1-8重组微生物的稳定性提高稳定性的方法1、通过改变培养条件和培养基，使有利于携带质粒的细胞生长2、施加选择性压力，控制丢失质粒细胞的生长3、使用温度敏感性突变质粒或突变株4、使用温度敏感的基因表达控制。当基因表达受控制时，质粒常保持稳定5、使用不含可转移原件的质粒。可转移元件实质可插入基因图谱中几个位点的DNA片断6、使用重组缺陷型细胞株

第三节生物反应器生物反应器是生化产品生产中的主流设备，用于进行酶反应，动植物细胞培养，常规微生物和基因工程菌的发酵。生物反应器的几何参数、机构特征、操作类型、流动和混合状态、能量引入的方式会影响生物反应速率，甚至产物的选择性和产率。因此生物反应器的选型和设计是生物反应过程的重要方面。第三节生物反应器生物反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备。按照生物催化剂的不同可分为酶催化反应器和细胞催化反应器。按照反应器的操作方式可分为间歇操作、连续操作和半间歇操作等。

1-9机械搅拌式反应器生物反应器是生化产品生产中的主流设备，用于进行酶反应、动植物细胞培养、常规微生物和基因工程菌的发酵。生物反应器的几何参数、机构特征、操作类型、流动和混合状态、能量引入的方式会影响生物反应速率，甚至产物的选择性和产率。因此生物反应器的选型和设计是生物反应过程的重要方面。1-9机械搅拌式反应器图1-11机械搅拌式发酵罐示意图机械搅拌式发酵罐的结构如图1-11所示，发酵罐外形为圆柱形，为承受消毒时的蒸汽压力，盖和底封头为椭圆形，中心轴向位置上装有搅拌器。1-9机械搅拌式反应器其中H是筒身高度，D是罐内直径，W是挡板高度，d是搅拌器直径，S是两搅拌器间距，B是下搅拌器距底间距。反应器的基本结构包括：筒体，搅拌器，换热器，挡板，消泡器，电动机和变速器，空气分布器。在筒体的适当部位装有溶氧电极，pH电极，CO2电极，热电偶，压力表等检测元件。反应器还有排气、取样、放料和接种口，酸、碱管道接口和人孔视镜等部位。

1-9机械搅拌式反应器反应器中的换热器有不同形式，小的反应器采用加套冷却加热来达到控温的目的，大的反应器则需要在内部另加盘管。用于耗氧过程的反应器装有通气装置、气体通过气体分布器通过，分布器置于反应器的最低层搅拌桨叶的下面。气体分布器有的是带孔的平板，有的则是一根单管。为防止堵塞，一般孔口朝下。

1-9机械搅拌式反应器物料的混合和气体在反应器内的分布靠搅拌器和挡板实现。搅拌器的叶轮可分为两大类型：轴向流式和径向流式。轴向流叶轮产生的流体流动基本轨迹是平行于搅拌轴的；径向流叶轮则使流体沿叶轮半径方向排出。轴向流叶轮的混合效果好，但是破碎气泡的效果较差；

1-10气升式反应器气升式反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展起来的。它以通入的气体为动力，靠导流装置的引导，形成气－液混合物的总体有序循环。反应器内分为上升管和下降管，通入气体的部分，气含率高，相对密度轻，随气泡上升，气－液混合物向上升，至液面处大部分气泡破裂，气体由排气口排出；剩下的气－液混合物相对密度较上升管内的气－液混合物大，由下降管下沉，形成循环。

1-10气升式反应器根据上升管和下降管的布置，可将气升式反应器分为两类：一类称为内循环式，上升管和下降管在反应器内，另一类为外循环式，通常将下降管置于反应器外部，以便加强传热。气升式反应器结构简单，不需搅拌，因此造价较低，易于清洗和维修，不易染菌，能耗较低。但是，要求的通气量和通气压头较高，增加空气净化工作段的负荷，而且对于黏度较大的发酵液，氧传递系数较低。

1-10气升式反应器图1-12气升式生物反应器的结构示意图1-11其它模型的生物反应器一、固定床反应器固定床反应器的基本原理是反应液连续流动通过静止不动的固定化生物催化剂。固定床反应器内影响反应速率的因素不但有生物催化剂活性位点上的反应，还有反应物从流体主体向固体化颗粒表面的传递，固体固定化颗粒内微孔中的扩散，以及颗粒内表面活性位点上生成的产物经微孔和液固界面滞留膜向流体传递的过程。

1-11其它模型的生物反应器二、流化床生物反应器通过流体的上升运动使固体颗粒维持在悬浮状态进行反应的装置称为流化床反应器。流化床中固体颗粒与流体的混合较充分，传热传质性能好，床层压力降小，但是固体颗粒的磨损较大。

图1-13液固流化状态示意图1-11其它模型的生物反应器液固流化时，液体从设备下方流入，通过分布器，进入颗粒物料层。流速低时，固态颗粒静止不动，液体从颗粒间缝隙流过。此时属于固定床。流速升高至某一值，床层中颗粒开始松动，孔隙增大，一些颗粒开始一定部位振动或游动，此时的床层称为膨胀床。流速在增大，床层内部分颗粒处于运动状态，悬浮于液体中，颗粒与液体间的摩擦力与颗粒的重力相平衡，此时颗粒与颗粒相互间的挤压力变为0，称为临界流化床。当流速继续增大到液体与颗粒间的摩擦力大于颗粒重力时，颗粒被液体带走。如果不添加颗粒床层不复存在，若连续加入颗粒，床层变为输送床或流动床。

1-11其它模型的生物反应器以气体为流化剂时，除了上述五种流化状态以外，完全流化时还存在三种不同的情况。当气固流化床不均匀时，部分气体以气泡的形式通过床层，此式床层称为鼓泡流化床。此外，气固流化床还会产生液固流化不会有的情况，腾涌和沟流。

图1-14气固完全流化时的三种状态1-11其它模型的生物反应器三、膜生物反应器1、开发膜反应器的目的增大反应速率。许多反应为产物抑制型。随反应的进程，产物浓度提高，反应速率下降。采用膜反应器可以在反应过程中移去产物，使产物浓度保持恒定，反应速率因此会比原来提高。提高反应的最终选择性。通过选用适当的膜，将产物移出，截留副产物和反应物提高选择性简化生产步骤，使反应和分离同时在一个单元里操作截留生物催化剂，使细胞或酶在高浓度下运行。提高反应速率和产物浓度，减轻下一工段的负荷。同时可重复利用酶或细胞，以降低成本。

1-11其它模型的生物反应器2、膜反应器的分类按照反应器内流体与生物催化的接触形式，可将膜反应器分为直接接触式、扩散式和多项膜三类。（1）直接接触式膜反应器中的膜有的只起分离作用，分离区与反应区是分开的，通常酶活细胞呈游离状态，与膜直接接触

1-11其它模型的生物反应器图1-15直接接触式膜反应器中流体相对于膜的流动方式1-11其它模型的生物反应器（2）扩散式这类反应器中物料是以扩散的方式通过膜的。膜除分离以外同时还起催化作用，酶或细胞固定于膜上，称为催化功能分离膜反应器。即是指把酶或细胞固定在分离膜的表面或着内部，使分离膜具有催化功能作为反应场。

1-11其它模型的生物反应器（3）多项膜反应器多项膜提供酶与底物之间的界面接触，底物和产物可处于任一相，扩散为界面传递的主要传递机制。膜通常作为不同相的界面，底物和产物储存在不同的相内

1-11其它模型的生物反应器3、膜的传递推动力被动传递，靠产物的浓度差进行传递，作用原理和透析相同促进传递，以电势差为推动力，所使用的是一种特殊的半透膜，称为离子交换膜。他能选择性透过阴阳离子。主动传递，其推动力是压力梯度，根据膜的平均孔径大小，对不同组分的截留能力不同，可分为微虑膜、超滤膜和反渗透膜等几种。第四节连续培养优点：与分批培养比较，具有反应速率容易控制，可以提高生产率，降低劳动强度等优点。应用：用于酵母、酒精、葡萄糖酸的生产和活性污泥处理污水缺点：由于是长期连续生产，菌种易变异，而且纯培养基也有困难。分批培养时，培养液中的菌体浓度、底物浓度等都是时刻在变化的，培养系统一直处于非定态

第四节连续培养理论上，连续培养过程常近似于全混流反应过程菌的生长受到某种底物的限制，培养液中的菌体和底物浓度等保持恒定，培养系统处于定态。按照全混流反应器定义，反应物和产物在反应器内均匀分布，浓度恒定。同时连续培养还常需要系统无杂菌，保持菌的生长速率恒定。第四节连续培养连续培养有两种控制方式。一、恒化器以某种化学物质作为控制微生物生长的因素，通过控制器加入培养液中的速率来控制微生物生长速率，这种能控制微生物生长的物质称为限制性底物。限制性底物可以是一种，如碳源、氮源，也可采用两种限制性底物。二、恒浊器是用来控制培养液的浑浊度，从而使菌的生长速率保持恒定的装置，一般用于光合微生物的连续培养，这种装置是一个具有外循环管的容器，循环管装有浊度计，当培养物的浊度不符合规定的要求时，通过浊度计对进料或出料进行反馈控制，使培养物的浊度达到规定的水平。

1-12单罐连续培养在一个发酵罐中进行的连续培养称为单罐连续培养。培养开始时，以含有一定浓度的限制性底物的培养基用分批培养的方法进行培养。当限制性底物几乎被消耗尽而菌体生长到预定浓度时，一面以恒定连续加入含有同样浓度的限制性底物的无菌培养基，一面以恒速出料，开始连续培养。经过一定阶段的适应，菌生长进入定态。

1-12单罐连续培养图1-16单罐连续培养1-12单罐连续培养一、单罐发酵的通用衡算模型

假定物料混合均匀，细胞平衡生长，忽略细胞自溶，可得下列细胞衡算方程式：（F为容积流率）活细胞：

非活性细胞：

产物：

底物：

总容积：

1-12单罐连续培养前四个衡算式可写成一般形式，以表示某种物质的浓度式中，表示所有产生速率的总和；表示所有消失速率的总和；（称为稀释速率，单位为，即培养液在发酵罐中平均停留时间的倒数），，和分别为进料和出料的容积流率，下标d表示非活性细胞。

1-12单罐连续培养假定只有一种限制性营养物，最简单动力学方程为细胞生长：细胞死亡：用于细胞生长和产物生成的底物消耗：

用于维持的底物消耗：

产物生成：（混和动力学）

1-12单罐连续培养三、单罐连续培养过程分析在连续培养的细胞、产物和底物衡算中，所涉及到的变量和参数有如下几类。状态变量。由过程的状态的确定，包括操作变量。它们由过程操作者给定，包括通常为零。中间变量。它们是由状态变量表示的速率项，包括动力学参数。包括计量参数。包括，1-12单罐连续培养令为零，可求解衡算方程，得到操作变量和状态变量之间的关系。（通过157-160式）约束条件是1-12单罐连续培养在进一步分析一种简化的模型，除去上面所做的假设外，还忽略细胞死亡、产物生成和细胞维持，式（1-157）－（1-160）就成为如下形式

1-12单罐连续培养由此得出了连续培养中一个非常重要的关系

（由1-166和1-147得到，因所以）由1-168式变形整理得

（由10-162式推导出，忽略、、等因素）

1-12单罐连续培养如果单罐连续培养的目的是生成菌体，则其生产率

为式中为单位时间单位反应器体积生产的细胞量。最大生产率可通过下式求得

1-12单罐连续培养从式（1-169）知，当时，随着D增加，线性增加。当D值接近时，急剧增加。当时，将趋于无穷，但有约束条件可知，不可能大于，同样，对细胞浓度，当很小时，接近于，当时，等于，这就是洗出点（此时底物消耗殆尽）。如将各个D下的,,对D作图，即得图1-16，有图可见，随着D的增加而增加，在接近最大稀释速率时，达到最大值。此时的D值就称为单罐连续培养的最适稀释率，以Dm表示。图1-16稀释率与底物、菌体浓度和生产能力的关系1-12单罐连续培养对式（1-168）作整理可得其中表示平均停留时间。

在洗出条件下（），可用特殊方法确定。对于下，用细胞的平衡方程，有（利用和t的线性回归，可求出）

根据式（1-170），也可以求得

1-12单罐连续培养四、连续培养中菌体维持、死亡的分析当模型与实验现象不一致时（模型假设去掉的很多影响因素），需要对模型加以修正。有时，减少稀释速率，连续培养达到定态后，菌体浓度反而会减少。这种现象可由菌体维持和死亡作出解释。

（由10-152式(由1-152式转化）

（由1-155转化忽略产物）

1-12单罐连续培养达到非洗出定态后

(和

，1-177、1-178合并得)和对连续培养的性能都有较大的影响。当稀释速率趋于零时，这两种因素都导致菌体浓度趋于零。

1-12单罐连续培养同时，菌体死亡还造成洗出点的稀释速率变小：(即1-180式，转换代入的)细胞比死亡速率和维持系数可通过实验数据，通过（1-179）和（1-180）求得，把1-179式转化成按对作图为一直线

1-12单罐连续培养如果无维持作用和死亡现象，等于。如果和已知，可在不同稀释速率下得到一套定态数据，就能确定产率系数和维持系数。从式（1-182）可见，和的作用很相似，因此要把这两个参数的作用区分开来是很困难的。关键在于精确的求取洗出点与的差别。1-13多罐串联连续培养为了得到一个简单的模型，设有n个等体积的罐（图1-17），对第I个罐作物料衡算

图1-17多罐串联联系培养示意图1-13多罐串联连续培养活细胞：

产物:

底物：

1-13多罐串联连续培养与单罐培养的分析一样，培养液从第i-1罐流入第i罐，立即混合均匀，罐中的培养液与流出液组成相同，在各罐中具有相同的值（反应方程式分子量固定），且为常数。在定态条件下，1-184方程的左边为零，则于是

1-13多罐串联连续培养即同样，对于产物（1-186）和底物（1-188），也有

1-14具有循环的单罐连续培养在单罐连续培养过程中，为保持罐内高的微生物浓度，常采用具有循环的单罐连续培养的方法图1-18，对罐作物料衡算。定态下，，则

（活细胞含量）

1-14具有循环的单罐连续培养图1-18具有循环的单罐连续培养示意图1-14具有循环的单罐连续培养由上式和式（1-194）得对分离器进行物料平衡:

根据和，有

1-14具有循环的单罐连续培养再把上式代入式