生物反应工程复习资料

生物反应工程复习资料一、绪论（一）生物反应工程的定义生物反应工程是一门以生物反应动力学为基础，将传递过程原理与工程学方法相结合，研究生物反应过程中生物催化剂的特性、反应规律以及生物反应器的设计、放大和优化的学科。它旨在解决生物反应过程中的工程问题，实现生物产品的高效生产。

（二）生物反应工程的研究内容1.生物反应动力学研究生物反应速率及其影响因素，建立反应速率方程，描述底物消耗、产物生成与各种因素（如温度、pH、底物浓度、酶浓度等）之间的关系。2.生物反应器设计与分析根据生物反应的特点和要求，设计合适的生物反应器类型（如搅拌罐式反应器、气升式反应器、固定床反应器等），并对其进行性能分析，包括物料衡算、热量衡算、动量衡算等，以确定反应器的最佳操作条件和尺寸。3.生物反应过程的优化与控制通过对生物反应过程的监测和分析，采用合适的控制策略（如反馈控制、前馈控制等），优化反应条件，提高生物反应的效率和产物质量，实现生物反应过程的稳定运行。

（三）生物反应工程的应用领域1.生物技术制药用于生产各种生物药物，如疫苗、抗体、重组蛋白等。2.生物能源生产生物乙醇、生物柴油等生物能源产品。3.生物化工合成生物可降解塑料、生物表面活性剂等生物化工产品。4.环境保护处理有机废水、废气，去除污染物。

二、生物反应动力学基础（一）酶促反应动力学1.米氏方程表达式：$v=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]}$其中，$v$为反应速率，$V_{max}$为最大反应速率，$[S]$为底物浓度，$K_m$为米氏常数。$K_m$的意义：$K_m$值等于反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度，它反映了酶与底物的亲和力大小。$K_m$越小，酶与底物的亲和力越强。2.影响酶促反应速率的因素底物浓度：在低底物浓度时，反应速率随底物浓度增加而迅速增加，呈一级反应；当底物浓度达到一定程度后，反应速率趋于恒定，呈零级反应。酶浓度：在底物浓度足够时，反应速率与酶浓度成正比。温度：一般来说，酶促反应速率随温度升高而加快，但存在一个最适温度，超过最适温度后，酶蛋白变性，反应速率下降。pH：酶有其最适pH，在最适pH条件下，酶活性最高，反应速率最大。偏离最适pH，酶活性会降低。抑制剂：分为竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂。竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性中心，使$K_m$增大，$V_{max}$不变；非竞争性抑制剂与酶活性中心外的基团结合，使$V_{max}$降低，$K_m$不变；反竞争性抑制剂与酶底物复合物结合，使$K_m$和$V_{max}$都降低。

（二）微生物生长动力学1.微生物生长的阶段延滞期：微生物接种到新鲜培养基后，需要一段时间来适应新环境，细胞数目基本不变。对数期：微生物以最大速率生长，细胞数目呈对数增加，此时微生物代谢活跃，生长条件适宜。稳定期：由于营养物质消耗、代谢产物积累等原因，微生物生长速率逐渐下降，细胞数目达到动态平衡。衰亡期：微生物生长速率小于死亡速率，细胞数目逐渐减少。2.微生物生长动力学模型莫诺特方程：$r_x=\frac{\mu_{max}[S]}{K_s+[S]}$其中，$r_x$为微生物生长速率，$\mu_{max}$为最大比生长速率，$[S]$为底物浓度，$K_s$为饱和常数。$K_s$的意义：$K_s$值等于微生物比生长速率为最大比生长速率一半时的底物浓度，它反映了微生物对底物的亲和力。

（三）细胞反应动力学细胞反应动力学研究细胞内各种物质的代谢途径和反应速率，以及细胞生长、产物合成与底物消耗之间的关系。例如，在发酵过程中，研究糖代谢途径中各个酶促反应的速率，以及如何通过调控这些反应来提高发酵产物的产量。

三、生物反应器（一）生物反应器的类型1.搅拌罐式反应器结构：由罐体、搅拌装置、通气装置、换热装置等组成。特点：通过搅拌使物料充分混合，传质和传热效果较好，适用于多种生物反应。2.气升式反应器结构：主要由上升管、下降管和气液分布器等部分组成。特点：利用气体上升推动液体循环，能耗较低，剪切力小，适合培养对剪切力敏感的细胞。3.固定床反应器结构：在反应器内填充固定化生物催化剂（如固定化酶或固定化细胞）。特点：反应物连续通过固定化催化剂床层进行反应，催化剂可重复使用，反应过程易于控制。4.流化床反应器结构：反应器内的固体颗粒在流体作用下呈流化状态。特点：传质和传热效率高，床层温度和浓度均匀，但操作条件要求严格，固体颗粒磨损较大。

（二）生物反应器的设计与放大1.生物反应器设计的基本要求满足生物反应的要求，提供适宜的反应条件（如温度、pH、溶解氧等）。具有良好的传质和传热性能，确保底物、产物和热量的有效传递。易于操作和控制，保证反应过程的稳定性和重复性。具有较高的生产效率和经济性，降低生产成本。2.生物反应器放大的方法经验放大法：根据小型实验反应器的操作经验，按比例放大反应器的尺寸和操作条件。这种方法简单易行，但缺乏理论依据，放大效果可能不理想。相似放大法：基于相似原理，保持反应器内的一些相似准数（如雷诺数、傅立叶数等）不变进行放大。这种方法有一定的理论基础，但实际操作中完全满足相似条件较困难。数学模型放大法：建立生物反应器的数学模型，通过计算机模拟来预测反应器在不同规模下的性能，从而实现精确放大。这种方法较为准确，但需要深入了解生物反应过程和建立准确的数学模型。

（三）生物反应器的操作与控制1.生物反应器的操作方式分批操作：将底物、生物催化剂等一次性加入反应器，在一定条件下进行反应，反应结束后取出产物。这种操作方式简单，适合小规模生产和研究。连续操作：底物和产物连续进出反应器，生物反应持续进行。连续操作生产效率高，但对反应条件和设备要求严格。补料分批操作：在分批操作的基础上，间歇或连续地补加底物，以维持反应的进行。这种操作方式可以延长反应时间，提高产物浓度。2.生物反应器的控制参数温度控制：通过加热或冷却装置，将反应器内温度控制在适宜的范围内。pH控制：添加酸或碱来调节反应器内的pH值。溶解氧控制：对于需氧生物反应，通过通气或搅拌等方式控制溶解氧浓度。底物浓度控制：根据反应进程，适时补加底物，保持底物浓度在合适水平。3.生物反应器的监测与调控采用各种传感器（如温度传感器、pH传感器、溶氧传感器等）实时监测反应器内的各种参数。根据监测结果，通过控制系统（如PID控制器）自动调节操作参数，使生物反应过程保持在最佳状态。

四、生物反应过程的优化（一）培养基的优化1.培养基的组成培养基一般包括碳源、氮源、无机盐、维生素、生长因子等成分。不同的生物反应需要不同组成的培养基，例如，在微生物发酵中，碳源通常选用葡萄糖、蔗糖等糖类，氮源可选用铵盐、硝酸盐或蛋白质水解物等。2.培养基优化的方法单因素实验：逐一改变培养基中某一成分的浓度，观察其对生物反应的影响，确定该成分的最佳浓度范围。响应面分析法：通过设计实验，建立培养基成分与生物反应指标之间的数学模型，然后利用该模型优化培养基组成，以获得最佳的反应效果。基于代谢网络的优化：根据微生物的代谢网络，分析培养基成分对代谢途径的影响，有针对性地调整培养基组成，促进目标产物的合成。

（二）培养条件的优化1.温度优化通过实验确定生物反应的最适温度，并在反应过程中精确控制温度。对于一些对温度敏感的生物反应，可采用分段控温的方式，提高产物产量。2.pH优化找到生物反应的最适pH范围，并通过添加酸碱调节剂或采用缓冲体系来维持稳定的pH值。不同的生物反应对pH的要求不同，例如，大多数酶促反应的最适pH在中性附近，而一些微生物发酵的最适pH可能偏酸性或碱性。3.溶解氧优化对于需氧生物反应，根据生物的需氧量和反应器的传氧能力，合理控制通气量、搅拌速度等参数，以保证溶解氧浓度在适宜水平。可采用溶氧电极实时监测溶解氧浓度，并通过反馈控制调节通气和搅拌。

（三）生物反应过程的强化1.添加诱导剂对于一些诱导型酶或产物的合成，添加合适的诱导剂可以提高酶的产量或产物的合成速率。例如，在β半乳糖苷酶的生产中，添加异丙基βD硫代半乳糖苷（IPTG）可诱导酶的合成。2.基因工程技术通过基因工程手段对生物催化剂进行改造，提高其活性、稳定性或对底物的特异性。例如，对酶进行分子修饰，改变其氨基酸序列，从而改善酶的性能；构建基因工程菌，使其过量表达目标产物合成相关的基因。3.膜生物反应器将膜分离技术与生物反应器相结合，膜可以截留生物催化剂或产物，实现产物的连续分离和反应的连续进行，提高反应效率和产物浓度，同时减少产物对反应的抑制作用。

五、生物反应工程实验技术（一）生物反应过程的测定与分析方法1.底物浓度测定常用的方法有化学分析法（如酸碱滴定、比色法等）、色谱法（如高效液相色谱、气相色谱等）和酶分析法等。例如，利用葡萄糖氧化酶法测定葡萄糖浓度。2.产物浓度测定同样可采用化学分析法、色谱法等。对于一些特定的产物，还可以使用免疫分析法、生物传感器法等进行测定。如利用ELISA试剂盒测定蛋白质类产物的浓度。3.细胞浓度测定常用的方法有显微镜计数法、平板计数法、比浊法等。比浊法通过测量培养液的浊度来间接反映细胞浓度，操作简便快捷。4.生物反应速率测定根据底物消耗速率或产物生成速率来计算生物反应速率。通过在不同时间点测定底物和产物浓度，利用公式计算反应速率。

（二）生物反应器性能的测定与评估1.混合性能测定采用示踪剂法测定反应器内的混合时间、停留时间分布等参数，评估反应器的混合性能。常用的示踪剂有化学物质（如氯化钠、荧光素等）和放射性物质。通过测定示踪剂在反应器内的浓度变化，分析混合情况。2.传质性能测定通过测定氧的传质系数、二氧化碳的传质系数等参数，评估反应器的传质性能。例如，采用动态法或稳态法测定溶氧系数，以了解反应器内的传氧效率。3.反应器效率评估根据生物反应的目标产物产量、底物转化率、能量消耗等指标，综合评估生物反应器的效率。通过比较不同反应器在相同条件下的反应结果，选择最优的反应器类型和操作条件。

（三）实验数据处理与误差分析1.实验数据处理对实验测得的数据进行整理、计算和分析，绘制图表，以便直观地了解生物反应过程的变化规律。例如，绘制底物浓度随时间变化的曲线、产物浓度随时间变化的曲线等，通过曲线拟合等方法建立数学模型。2.误差分析分析实验过程中可能产生的误差来源