生物反应工程复习资料

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）CS>>CE ，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）CS>>CE ，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
P E ES S E k k k +→+⇔-211
P E ES +←ES S E ⇔+P E ES +→P E ES +←0=dt dC ES
双倒数法（Linewear Burk ）： 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：
S
m C r K r r 111max max +=S C r 1
~1max r K m max
1
r P
E ES S E k k k +→+⇔
-211
EI I E I K ⇔+P E ES S E k k k +→+⇔
-2
11EI
I E I
K ⇔+ESI I ES I
K ⇔+
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：
Q P B A +→+D E d k →
0<δ<1时，底物对酶有部分保护作用
δ>1时，底物加速酶的失活
因此，称δ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）（batch stirred-tank reactor， BSTR）
连续全混型反应器（连续式搅拌罐反应器）（continuous stirred-tank reactor，CSTR ）
活塞流反应器（plug flow reactor，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）
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 C m H n O l +a O2+b NH3 c C αH βO δN γ+d CO2+e H2O 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 d c m +⋅=αe
c b n 23+⋅=⋅+βe
d c a l ++⋅=+22δc
b ⋅=γ
a
d RQ /=⎪
⎪
⎪
⎪
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----0001000010120220300100l n m e d c b a RQ γδβα
（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
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()483/272=⨯909.012
4.448=⨯=c 244872=-e 1224=2=e 782.086.0==c a d c a 23.7312+=+855
.32
909.03.7782.031223.7312=⨯-⨯+=
-+=
c
a d e d c
b 22.126++=⨯+473.12622855.3909.02.12622.1=-⨯++⨯=
-++=
e d c b 葡萄糖细胞葡萄糖
细胞)(g /g 461.0180028.83/mol g 028.83134.91909.011486.0162.113.7124.4909.0/===⨯=⨯+⨯+⨯+⨯=
S X Y 358.1473
.12O CO 22===
=
b e RQ 的消耗速率的生成速率
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107~1010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生长速率rx 的定义式为 式中X 为微生物的浓度，μ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，μ与倍增时间(doubling time) td 的关系为：
定义，比生长速率 （1/h ）
： 为细胞的生长速率（g.DCW/L.h ）； 为细胞的质量浓度（g.DCW/L ）
Monod 方程
注： --------比生长速率（h-1） --------最大比生长速率（h-1） --------饱和常数（g/L ）
--------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 operation ）：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。

⏹ 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。

X
dt
dX
r x μ==d
d t t 693.02ln ==μ][X r X ≡μX r ][X [][]
S K
S S +=
max μ
μμm ax μS K []S
基质：基质（底物）消耗速率 基质（底物）比消耗速率
菌体：dX/dt=μX
产物：产物的生成速率
产物的比生成速率
流加操作的2种方式：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
F 为反应液流入与流出速度L/h ，
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mol/L ， S 为反应器内和流出液中限制性底物浓度mol/L ， 其余符号同前。

D 称为稀释率：
物质传递
以液相浓度为基准可得下式：
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； 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？ s s X S q x
r C V V ≡==s s p p r
Y r ⋅=s
s p p p q Y x r q ⋅=
=V F D /=)(111**C C K k H k C C k C C k C C N L G
L G i
L i -=+-=-=-==*阻力推动力
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）
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KL α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KL α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
3
1
121212⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛==V V D D D D i i 3
2
L
L H
V
Q
a K ⋅∝()()()()
3
21212
121⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⋅==L L L L H H V Q V Q a K a K ()()
32213
22112⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛=i i L L D D H H V Q V Q 2Re i L
L D n ⋅⋅=μ
ρ21
12
2212
Re Re 1i i D n D n ⋅⋅==22112⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=i i D D n n
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2.5~5.0 m/s
得：
以单位体积液体消耗功率 P/V 相等的原则放大
P/V 与KLa 有密切的关系且容易测量和计算。

实践表明，对于溶氧速率控制发酵反应的非牛顿发酵液，把P/V 相等作为放大准则效果较好
早期的青霉素发酵生物反应器的放大就是根据几何相似和P/V 恒定的方法进行的，这种方法应用得非常成功
重点
得： 通风发酵设备（了解，自己看一下方面）
植物和动物细胞
植物细胞的培养操作 培养方式：
根据所处状态的不同，分为悬浮培养与固定化植物细胞培养法，
根据操作方式的不同，又分为分批式、反复分批式和连续式培养3种。

动物细胞培养方法有两种类型：
非贴壁依赖性细胞的培养：采用类似微生物培养的方法进行悬浮培养。

贴壁依赖性细胞的培养：大多数动物细胞。

需要附着于适量正电荷的固体或半固体的表面上生长。

细胞反应器类型及其特征：
通气搅拌罐；气升式；液体环流式 按底物加入方式分 间歇、连续、流加
按流体流动或混合状况分
连续操作的理想状态（恒化器、恒浊器、恒速器）
全混流（CSTR ）、 平推流（PFR ）
非理想状态
连续--停留时间分布、微混合、轴向或径向弥散、操作振荡、等 间歇--混合时间、剪切力分布、浓度及温度分布、等
细胞反应器的类型
按结构特征及动力输入方式分 按主要结构： 罐（釜）（三种操作方式都可采用）、管、塔（一般适用于连续操作）、膜 按动力输入：
机械搅拌（搅拌为动力来源）、气流搅拌（压缩空气为动力来源）、液体环流（外部液体循环泵为动力来源） 11221i i D n D n ⋅⋅=2
112i i D D n n =235
3i i D n V P D n P ⋅∝⋅∝→则：湍流12i i D D ⇒由几何放大322112⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=i i D D n n。