生物反应工程

• (2)温度
• 在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的 上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利 影响，如温度继续提高，细胞功能急剧下降，以至死亡。 各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温 度，并且，最适、最高和最低温度会因环境条件变化而变 化。
微生物细胞生长繁殖的温度范围
• 平衡生长条件下，微生物细胞的生长速率rx 的定义式为
基质消耗动力学
• 以菌体得率为媒介，可确定基质的消耗速 率与生长速率的关系。基质的消耗速率rs可 表示为：
动植物细胞培养动力学
动植物细胞培养技术是一项将动植物组织、器官或细胞在 适当的培养基上进行离体培养的技术。
• 动物细胞培养的特性
• 动物细胞培养与微生物培养对比有许多不同点：
一般生物反应过程示意图
酶
• 定义：酶是生物体为其自身代谢活动而产 生的生物催化剂 • 根据酶进行催化反应的类型，可将酶分为6 类，即氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂 合酶、导构酶和合成(或连接)酶。
酶的特点
• 酶作为催化剂的共性 （1）降低反应的活化能 （2）酶可以加快反应速率 （3）不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到 平衡的速度 • 酶的生物催化特性 （1）酶有很强的专一性 （2）较高的催化效率 • 酶不单单是生物催化剂，而且具有调节功能
植物细胞培养的特性
与微生物相比，植物细胞具有这样一些特性： • （1）细胞个大，并且细胞壁是以纤维素为主要成 分，耐拉不耐扭，因此，抗剪切能力低， • （2）与动物细胞培养类同，生长速率慢，为防止 培养过程中染菌，需加抗生素； • （3）细胞培养需氧，而培养液黏度大，且不能强 力通风搅拌； • （4）产物在细胞内且产量低； • （6）培养的植物细胞常生长成各种大小的团块( 从几个细胞到几百个细胞)，增加了悬浮培养的难 度等。
微生物反应中的能量衡算
• 微生物反应是放热反应。储存于碳源中能源，在 好氧反应中有40%-50%的能量转化为ATP,供微生 物的生长、代谢之需，其余的能量作为热量被排 放。 • 采用复合培养基时，营养组分通过分解代谢，在 生成能量(ADP→ATP)的同时，生成产物。另一 方面，培养基中的组分通过同化代谢在合成微生 物细胞的同时利用了能量(ADP→ATP)。这就是 说能量可以从呼吸(如糖在氧存在下氧化、分解为 CO2和H2O)和发酵(厌氧进程中糖分解为中间代谢 物和CO2)获得。
生物反应器中的传热
实际生物反应过程中的热量计算，可采 用如下4种方法：
• (1)通过反应中冷却水带走的热量进行计算 • (2)通过反应液的温升进行计算 • (3)通过生物合成进行计算
• (4)通过燃烧热进行计算
换热装置的传热面积计算
气温高的地区，冷却水温高，传热效果差，冷却 面积较大，在气温较低的地区，采用地下水冷却 ，冷却面积较小，发酵产品不同，冷却面积也有 差异。
• (3)溶解氧与氧化还原电位 • 根据微生物对氧需求性的不同，可将微生物分为
厌氧型、好氧型和兼性厌氧型三类。 氧是在溶解 状态下被微生物利用的，当溶解氧的浓度较低时 ，氧电极无法检测出，此时，可以培养基的氧化 还原电位Eh作为定量表示厌氧程度的方法。
来自百度文库
• (4)pH
不同微生物有其最适生长的pH范围。大多数自然 环境的pH为5—9，许多微生物的最适生长PH也在 此范围内，只有少数种类可生长在PH低于2或高于 10的环境中。
• （1）动物细胞无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差 • （2）生长速度缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生 素，且大多数哺乳动物的细胞需附着在固体或半固体的表 面才能生长； • （3）对营养要求严格； • （4）大规模培养时，不可简单地套用微生物培养的经验 等。
动物细胞培养过程的特征是：
• (1)生长速率慢，易被微生物污染，但可采 用在培养基中加入抗生素等措施来解决。 • (2)细胞个体大且无壁，对环境敏感，因此 应慎重解决供氧(搅拌与通风)与细胞脆弱 的矛盾。 • (3)设备放大是一新课题，不能完全按照微 生物反应过程的经验。 • (4)反应过程成本高，主要用于高附加值产 物的生产。
微生物反应过程的得率系数
• 得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他 产物的潜力进行定量评价的重要参数。消 耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或 称生长得率YX/S
• 细胞得率的单位是(以细胞／基质计)g／g或 g／md。这里的细胞是指干细胞
• 某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率(或 瞬时细胞得率)，其定义式为
生物反应器
生物反应器的特点：
• （1）生物(酶除外)反应都以“自催化”方式进行 ，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁 殖 • （2）由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积 反应速率不高； • （3）与其他相当生产规模的加工过程相比，所需 反应器体积大； • （4）对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ；产物浓度低。
• (3)最适PH和最适温度的变化 • (4)动力学常数的变化
酶和细胞的固定化技术
• 酶和细胞(微生物或创植物细胞)的固定化方 法有很多，不可能找到一种对任何生物体 都适用的方法。 • 酶和细胞的固定化方法可分为载体结合法 、交联法和包埋法，这几种方法也可并用 ，称为混合法。
• 载体结合法是将酶或细胞利用共价键或离子键、 物理吸附等方法结合于水不溶载体(如纤维素、琼 脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等上的 一种固定化方法。根据结合形式不同．又分为物 理吸附法、离子结合法和共价键结合法等。 • 交联法是利用双功能试剂的作用，在酶分子之间 发生交联、凝集成网状结构，构成固定化酶(或细 胞)。常用的双功能试剂有戊二醛、顺丁烯二酸酐 和乙烯共聚物等。 • 包埋法是将酶包埋在凝胶的微细格子中或被半透 性的聚合膜所包埋，使酶分子不能从凝胶的网络 中漏出，而小分子的底物和产物可自由通过凝胶 网络。按包埋形式不同，可分为格子型和微胶囊 型。常用的凝胶有角叉菜胶糖、明胶、聚丙烯酰 胺凝胶、淀粉凝胶等。
• (5)湿度
一般地，细菌要求水活废(湿料饱和蒸汽压／相同 温度下纯水饱和蒸汽压)在0.90—0.99之间；大多 数酵母菌的为0.80—0.90；真菌及少数酵母菌要 求在0.60—0.70
微生物反应过程的质量衡算
•
微生物反应过程与一般化学反应过程的主要区别是：微 生物反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂。伴 随微生物的生长、产生代谢产物的过程中，用有正确系数 的反应方程式来表达基质到产物的反应过程是非常困难的 ，但是，如果将微生物反应看成是生成多种产物的复合反 应，那么，从概念上讲可写成如下形式：
生物反应工程
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绪论 酶促反应动力学 微生物反应动力学 动植物细胞培养动力学 生物反应器
生物反应工程研究目的
• 生物反应过程研究的目的是提供适宜的动力学速 率方程，以描述微生物(或酶、动植物等)反应体 系，确定这些方程在设计方面的用途．规划实验 室的实验、决定动力学方程所需的速率常数。 • 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。
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微生物反应动力学
• 描述微生物动力学的方法不是指生物分离 成为不连续的单个生物，而是指群体的存 在。 • 一般可将微生物群体变比过程分为生长、 繁殖、维持、死亡、溶胞、能动性、形态 变化及物理的群体变化等过程。
生长速率
• 微生物生长速率是群体生物量的生产速率 ，并不是群体生物量变化的速率。
确保酶活力稳定的主要方法
酶的固定化技术
酶的固定化技术就是将水溶性酶分子通过一定的 方式。如静电吸附、共价键等与载体，如角叉菜 胶、离子交换树脂等材料结合，制成固相酶．即 固定化酶的技术。
酶或多酶复合体系固定化后引起酶性质 改变的原因
• 一是：酶自身的变化—活性中心的氨基酸 残基、空间结构和电荷状态发生了变化； • 二是：载体理化性质的影响—固定化酶的 周围形成了能对底物传递产生影响的扩散 层或静电的相互作用等。
生物反应器的作用
• 生物反应器的作用就是为生物体代谢提供一个优 化的物理及化学环境，使生物体能更快更好地生 长．得到更多需要的生物量或代谢产物。 • 不同类型的工业用生物反应器中，基质、产物和 生物体浓度会随时间和生物反应器内的位置而变 化。 • 高效生物反应器的特点是设备简单，结构严密， 良好的液体混合性能，较高的三传速率，能耗低 ，易于放大，具有配套而又可靠的检测及控制仪 表等
生物反应器设计的基本原理
生物反应器的设计原理是基于强化传质、传热等操作，将 生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。生物反 应器选型与设计的要点：
生物反应器中的混合
• 生物工业中的混合过程可分为6种基本类型：气— 液、液—固、固—固、液—液、可互溶液体和液 体流动。根据完成混合过程的装置不同，生物反 应器内的混合方法分为机械搅拌混合与气流搅拌 混合。 混合过程的分类
• 式中：rX-微生物细胞的生长速率 • rS-基质的消耗速率。 • 同—菌种，同一培养基，好氧培养的YX/S 比厌氧培养的大得多另外，同一菌株在基 本、合成和复合培养基中培养所得的YX/S 大小顺序为复合培养基、合成培养基、基 本培养基。
• 当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧 培养，碳源的一部分被同化为细胞的组成 成分，其余部分被异化分解为二氧化碳和 代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用 看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式 表示
影响微生物反应的环境因素
• (1)营养物质
微生物同其他生物一样，为了生存必须从环境中获取各种 物质，以合成细胞物质、提供能量及在新陈代谢中起调节 作用。这些物质称为营养物质。营养物质分为碳源、氮源 、无机元素、微量营养元素或生长因子等。 碳源的主要作用是构成细胞物质和供给微生物生长发育所 需的能量。 氮源对微生物的生长发育有重要的作用，它主要是提供合 成原生质和细胞其他结构的原料，一般不提供能量 无机元素也是微生物生长不可缺少的营养物质，它的主要 功能是：构成细胞的组成成分；作为酶的组成成分；维持 酶的作用；调节细胞渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位 等 有些有机物是微生物维持正常生活所不可缺少的，但其需 要量又不大，一般称为生长因子。根据化学结构祁代谢功 能可将其分为三类：维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。
固定化后酶性质发生变化主要表现
• (1)底物专一性的改变 • 由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化后的酶
分子，使酶的底物特异性发生变化。
• (2)稳定性增强
• —般地，固定化酶比游离酶的稳定性好，主要表现在热 稳定性、保存和使用稳定性的增加，另外，对蛋白酶的抵 抗性和对变性剂的耐受性也增强了。
酶促反应动力学基础
• 酶促反应动力学可采用化学反应动力学方 法建立相应的动力学方程。如果酶促反应 速率与底物浓度无关，此时为零级反应
• 当反应速率与底物浓度的一次方成正比， 称为一级反应，即酶催化A—B的过程
• 对连锁的酶促反应过程
微生物反应动力学
• 微生物是对那些肉眼不能直接观察到、微 小的，但具有生命并能够繁殖的生物的通 称，包括细菌、放线菌、真菌、藻类扣原 生动物等。根据微生物分类学，其分为界 、门、纲、目、科、属、种，种以下有变 种、型、品系等。
• 底物专一性：一种酶仅能作用于一种底物 • 酶的反应专一性：对于一定的体系，从热 力学上看可能有多种反应进行，一种酶仅 能催化其中一种反应 • 酶的立体专一性：一种酶仅能作用于多种 立体异构体中的一种
酶的稳定性
引起酶失活的原因： （1）酶活性中心特定氨基酸(或其他)残基被 化学修饰； （2）外部环境的影响，酶活性中心出现空间 障碍，使其不能与底物相结合； （3）酶的高级结构发生变化，相对而言是一 种宏观变化； （4）多肽链的断裂，可以说是一种“激烈的 分解作用”。
生物反应器的生物学基础
对生物反应器进行定量研究的基础是生物 反应动力学。生物反应动力学研究的目的 是要定量描述反应过程速率及其影响因素 。影响因素不仅包括生物体自身、各反应 组分的浓度、温度及溶液性质，还包括反 应器的结构与型式、操作方式、物料的流 动与混合、传质和传热等。生物反应速率 主要指细胞生长速率、基质消耗速率和产 物生成速率。