南京工业大学生物反应工程复习资料

生物反应工程原理复习资料编辑陈豪张会刘应刚1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：①降低反应的活化能②加快反应速率③不能改变反应的平衡常数。2)催化特性：①较高的催化效率②很强的专一性③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快速平衡法假设：（1）CSCE，中间复合物ES的形成不会降低CS（2）不考虑这个可逆反应（3）为快速平衡，为整个反应的限速阶段，因此ES分解成产物不足以破坏这个平衡稳态法假设：（1）CSCE，中间复合物ES的形成不会降低CS（2）不考虑这个可逆反应（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ES浓度保持衡定，即PEESSEkkk211PEESESSEPEESPEES0dtdCES生物反应工程原理复习资料编辑陈豪张会刘应刚2双倒数法（LinewearBurk）：对米氏方程两侧取倒数得以作图得一直线，直线斜率为，截距为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、反竞争抑制、非竞争抑制、混合型抑制竞争抑制反应机理：非竞争抑制反应机理：SmCrKrr111maxmaxSCr1~1maxrKmmax1rPEESSEkkk211EIIEIKPEESSEkkk211EIIEIKESIIESIK生物反应工程原理复习资料编辑陈豪张会刘应刚3可逆抑制各自的特点：P37多底物均相酶反应动力学(这里讨论：双底物双产物情况)强制有序机制顺序机制西-钱氏机制双底物双产物反应机制：随即有序机制乒乓机制注意在工业级反应中，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、冷却、机械力化学因素有：酸、碱、盐、溶剂、表面活性剂、重金属、蛋白酶。酶失活过程的动力学未反应时的失活动力学表征方法（数学模型）：一级失活模型注:E--具有活性的酶D--失活的酶kd--衰变常数模型中：＝1时，底物对酶失活无影响＝0时，酶完全被底物所保护QPBADEdk生物反应工程原理复习资料编辑陈豪张会刘应刚401时，底物对酶有部分保护作用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：批式反应器（间歇反应器）按操作方式连续反应器半间歇反应器批式反应器将底物一次加入反应器内，在反应的过程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的浓度随反应时间变化连续反应器底物等连续输入反应器，产物连续从反应器输出，反应器的任何部位的各组分均不随反应时间变化（稳定态）半连续反应器在一次反应的过程中，底物分次补入批式全混型反应器（间歇式搅拌罐反应器）（batchstirred-tankreactor，BSTR）连续全混型反应器（连续式搅拌罐反应器）（continuousstirred-tankreactor，CSTR）活塞流反应器（plugflowreactor，PFR）全混流——流入的液体在装置内瞬间完全混合。也就是说，各组分的浓度及粒子的分散无论在什么地方都完全相同。活塞流——反应器内反应液象活塞样的流动。通过装置的液体在垂直于从入口到出口的流向的方向上的速率完全相同，在流动方向上既没有混合也没有扩散。非均相酶反应器用于由固定化酶催化的非均相反应的反应器非均相酶反应器的类型及结构设计要考虑：固定化酶更换操作难易底物性质反应体系粘度PH值范围控制等因素非均相酶反应器有：搅拌罐反应器可以是：批式的BSTR（一般只适用于实验室研究，如用于工业生产，则每批反应结束都要进行固液分离）连续式的CSTR（更适宜与工业生产，但应在出口处设置过滤器防止固定化酶颗粒的流失）固定床反应器是最广泛适用的固定化酶反应器。生物反应工程原理复习资料编辑陈豪张会刘应刚5缺点：对固定化酶颗粒的强度要求高；液相的连续流动致温度和PH控制难。优点：连续操作、负载力大、效率高、生产能力大等操作：液相的流速和Re数都采用较小值、延长停留时间将有利于达到一定的转化率流化床反应器流化流速范围窄，不易工业应用。缺点：流化态要求流体流速必须提高到一定程度致停留时间不足、转化率不能足够高（克服办法：部分反应液回补再循环）优点：1液相和固相的微环境较易控制2传热、传质性能好3不会堵塞4能处理微小粉末状底物5固定化酶颗粒可以做得足够小（可以足够高）细胞反应工程细胞的基本特征：菌体成分：由80%左右的水分，以及蛋白质、糖、脂类、核酸、维生素和无机物等构成。物理性质：密度：单细胞微生物的密度会因培养条件而异；菌体絮凝物及菌丝团的湿密度近似于水（流化速率低）；低浓度单细胞菌体悬浮液为牛顿流体；一般，含菌丝的培养液显示非牛顿流体特性；分泌了大量高分子化合物的菌体悬浮液为非牛顿流体（非牛顿流体的搅拌和通气效果很差）微生物反应的特征：特点：常温常压不爆炸、主要原料碳源价廉源广、反应过程受生物的自控、产高分子和特异反应易进行、细胞本身也是产品、遗传改变可大幅度改良性能或获得新性能但是：1底物相当多地用于繁殖；2副产物较多、反应条件影响产品品质；3容易发生遗传变异，有利于维持性能稳定的固定化技术不成熟细胞反应的计量得率系数细胞（菌体）得率：YX/S=生成菌体的干重/消耗底物的质量=微生物生长速率/底物消耗速率产物得率：YP/S=代谢产物的生成量/底物消耗量碳得率（碳转化率）：YC=生成物含碳量/消耗的碳量=生成的菌体量×菌体含碳量/消耗的碳源量×碳源的含碳量细胞反应的化学平衡通式对忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系可表示为CmHnOl+aO2+bNH3cCHON+dCO2+eH2O底物碳源氮源细胞对C元素：（1）对H元素：（2）对O元素：（3）对N元素：（4）上述4个细胞反应的计量方程，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；（5）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1～5式，有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的碳转化为细胞。其细胞培养的反应方程为C6H12O6+aNH3+bO2=cC4.4H7.3O1.2N0.86+dH2O+eCO2葡萄糖微生物细胞dcmecbn23edcal22cbadRQ/0001000010120220300100lnmedcbaRQ生物反应工程原理复习资料编辑陈豪张会刘应刚6（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C元素为72g，根据题意1mol葡萄糖转化为微生物细胞的C元素为：g则有：转化为CO2的C元素为：g则：，对N元素平衡，有：对H元素平衡，有：对O元素平衡，有：，所以：a=0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=2即：C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2（2）细胞对底物的得率YX/S的计算（3）呼吸商RQ的计算呼吸商的计算比消耗速率比生成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）483/272909.0124.448c244872e12242e782.086.0cadca23.7312855.32909.03.7782.031223.7312cadedcb22.126473.12622855.3909.02.12622.1edcb葡萄糖细胞葡萄糖细胞)(g/g461.0180028.83/molg028.83134.91909.011486.0162.113.7124.4909.0/SXY358.1473.12OCO22beRQ的消耗速率的生成速率生物反应工程原理复习资料编辑陈豪张会刘应刚7生物反应器的放大放大原则：即使是最常用的通气搅拌罐，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、μs）；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KLα相同的原则放大；6搅拌功率的放大（n）；7以流体雷诺数相同的原则放大；8以搅拌桨叶尖速度相同的原则放大；9以单位体积液体消耗功率P/V相等的原则放大。几何尺寸的放大（Di）D-------------反应器直径Di-------------搅拌器直径V--------------反应器的装料容积通气量的放大（Q/V、μs）由知：大罐的Q要比小罐的小得多以KLα相同的原则放大经过实验和有关准数的整理，可把Q与KLa关联如下：注：KLa-------体积溶氧系数（1/h）Q---------通风量（m3/min、或vvm）V---------发酵液体积（m3）HL--------发酵液深度（m）醒：实际反应体系KLa的关联式具有随反应器结构和发酵体系的多变性搅拌功率的放大（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（以流体雷诺数相同的原则放大）细胞反应器中，此方法很少采用得：以搅拌桨叶尖速度（即剪切力）相同的原则放大如果在小型设备中搅拌器所产生的最大剪切力已接近微生物的剪应力极限，这时就必须按搅拌器末端线速度相等来进行放大这在利用丝状菌（霉菌、放线菌）进行的发酵过程中尤为明显，保证剪切力才利于菌丝体的分散和气泡的破裂细碎，才利于溶氧传质等维持反应正常进行的因素的达到通常对大多数的生物发酵，搅拌叶尖线速度宜取2.5~5.0m/s31121212VVDDDDii32LLHVQaK321212121LLLLHHVQVQaKaK3221322112