生物反应工程原理共60页文档
《生物反应工程》课件
9. 结语
生物反应工程对于推动生物技术的发展和提升人类生活质量具有重要意义。通过不断学习和实践，我们可以不 断突破与改进。
6.效、更可持续的反应过程，并在结果分析和评估中加以 验证。
7. 生物反应器的应用
生物反应工程在各个领域都有广泛的应用。我们将探讨生物转化与合成以及 生物降解与治理的应用案例。
8. 生物反应工程的发展
了解生物反应工程的现状、趋势以及未来发展方向，对于我们在这个领域中 保持创新思维和持续学习至关重要。
3. 生物反应器设计
生物反应器是进行生物反应的关键设备。了解反应器的基本组成和设计参数 对于优化反应过程至关重要。
4. 生物反应器操作
对于生物反应器的操作和参数调节有着重要的影响。我们将讨论不同的操作模式和调节方法。
5. 生物反应器的监控
通过监控生物反应器的指标和测量参数，我们可以及时了解反应器状态并做 出必要的调整。
生物反应工程
通过创新的生物反应工程技术，我们可以利用生物体内的反应机制来解决各 种实际问题，为人类提供更好的生活。
1. 介绍
生物反应工程涉及使用生物体和生物体内的反应机制来开发和改善产品和过 程的工程学科。本章将介绍生物反应工程的概念和生物反应器的分类。
2. 生物反应动力学
生物反应动力学研究生物反应的速度和机理。我们将探索反应动力学方程和确定动力学参数的方法。
生物反应工程原理
第一章绪论1、生物反应工程的定义Definition of Bioreaction Engineering生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。
是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。
以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及优化原理等化学工程方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。
“个别的学问knowledge of individ uation”，解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁而变化。
具体的技术可以用记述的方法来表现。
研究一般化方法的学问，具有超越时代的持续性和普遍性，内容是抽象的。
抽象的方法除表现为数学的使用外，更重要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。
工程本质上是具有价值取向的主体作用于客体、主观思维物化为客观实体的一种目标导向的活动和过程。
生物技术（工程）bioengineering/biotechnology ：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。
——1982年国际经济合作及发展组织高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强大的、活跃的技术群体，叫做高技术。
高技术凝聚着人类早期的发明和近期的创造，代表着当代的科技文明。
我国正在实行的高技术：生物技术、信息技术、新材料技术、新能源技术、海洋技术、空间技术。
生物技术（工程）的研究内容：基因工程；酶工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生化分离工程；生物技术的特点多学科、多技术的结合多学科性:生物催化剂:建立工业生产过程:生物技术最后的目的是建立工业生产过程或进行社会服务，称为生物反应过程（bioprocess）。
生物（生化）反应过程：从应用的观点出发可将生物技术进行如下分类：工业生物技术农业生物技术医药生物技术环境生物技术生物现象Bio-appearance从自然现象说起：最初原始性的种植方式到现代化农业; 由无序到计划性……。
(完整word版)生物反应工程原理
1.微生物反应与酶促反应的主要区别？答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于，微生物反应是自催化反应，而酶促反应不是。
此外，二者还有以下区别：（1）酶促反应由于其专一性，没有或少有副产物，有利于提取操作，对于微生物反应而言，基质不可能全部转化为目的产物，副产物的产生不可避免，给后期的提取和精制带来困难，这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一。
（2）对于微生物反应，除产生产物外，菌体自身也可是一种产物，如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时，可用于提取这些物质。
（3）与微生物反应相比，酶促反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制。
微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞因素的影响，并且微生物会发生遗传变异，因此，实际控制有一定难度。
（4）酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在经济上有时并不理想。
微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行；原料多为农产品，来源丰富。
（5）微生物反应产前准备工作量大，相对化学反应器而言，反应器效率低。
对于好氧反应，需氧，故增加了生产成本，且氧的利用率不高。
（6）相对于酶反应，微生物反应废水有较高BOD值。
2. 何为连续培养的稳定状态？当时，一定是微生物连续培养的稳定状态吗？答：连续培养是将细胞接种于一定体积的培养基后，为了防止衰退期的出现，在细胞达最大密度之前，以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基；与此同时，含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出，以保持培养体积的恒定。
连续培养的稳定状态时，此时反应器的培养状态可以达到恒定，细胞在稳定状态下生长。
在稳定状态下细胞所处的环境条件如营养物质浓度、产物浓度、pH值可保持恒定，细胞浓度以及细胞比生长速率可维持不变。
稳定状态可有效的延长分批培养中的对数生长期。
理论上讲，该过程可无限延续下去。
细胞很少受到培养环境变化带来的生理影响，特别是生物反应器的主要营养物质葡萄糖和谷氨酰胺，维持在一个较低的水平，从而使他们的利用效率提高，有害产物积累有所减少。
生物反应工程原理(生物反应器)
生物反应器微生物反应器微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。
①厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。
应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产;②好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。
应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。
根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。
酶反应器酶反应器是根据酶的催化特性而设计的反应设备。
其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。
酶反应器的种类有常用于饮料和食品加工工业的搅拌罐型反应器，使用最广泛的固定化酶反应器的固定床型反应器，适合于生化反应的膜式反应器等。
每种类型的反应器各有优缺点，应根据不同需要进行选择。
目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为广泛的应用。
动植物细胞反应器动植物生物反应器产生于19世纪80年代，此中生物反应器的主体是动植物细胞，主要是按照动植物细胞的生长要求，控制各种生化条件，促进动植物细胞的新陈代谢，以获得人们所需要的代谢产物。
由于动物细胞培养的难度，目前所用的最理想的动植物细胞反应器是哺乳动物的乳腺，由此可以生产抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品，有非常好的前景。
生物反应器的特点：①生物反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。
决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。
②生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。
生物反应工程原理课件第四章
4.3.1 无反馈控制的流加操作
采用这种操作方式时，基质的流加按预先设 置好的条件进行。因此，表达系统的数学模型是 否正确成为反应成败的关键。最简单的微生物的 生长速率为
d (VX ) VX dt
作为流加基质的平衡式，有
d (VS ) 1 d (VX ) FSin m VX dt YX S dt
反复分批式操作是指分批操作完成 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。其培养过程中基质 体积变化曲线如图4-1c所示 。 反复半分批式操作是指流加操作完成 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。其培养过程中基 质体积变化曲线如图4-1d所示。
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 。
对于所供给基质的浓度，菌体浓度近似一定，即 dX/dt=0时。由上式，可认为μ≈F/V（=D,即稀释 率）。
一、定流量流加操作
定流量流加操作是指基质的流加速度保持一定 的流加操作。此时。时间时，，由菌体的恒算式
XV Y X S ( FSin t V0 S 0 ) X 0V0
可知，时间t时的菌体浓度为
分批式培养中微生物的生长曲线
4.2.2 状态方程式
分批式培养过程的状态方程式（环境过 程的状态方程式）可表示为： 基质：dS/dt=-yX 菌体：dX/dt=μX 产物：dP/dt=πX Po2 in Po2 out F 氧： OUR Qo2 X V Pall Po2 in Pco 2 in Pall Po2 out Pco 2 out
生物反应工程原理
第一章生物工程导论1.生化反应工程的概念以生物反应动力学为基础，利用化学工程方法研究生物反应过程的一门学科。
2.生化反应工程研究对象研究生物反应动力学反应器设计3.生化反应特点优点：反应条件温和设备简单同一设备进行多种反应通过改良菌种提高产量缺点：产物浓度低，提取难度大废水中的COD和BOD较高前期准备工作量大菌种易变异，容易染杂菌4.生化反应动力学本征动力学：又称微观动力学，生化反应所固有的速率没有物料传递等工程因素影响。
反应器动力力学：宏观动力学，在反应器内所观察到的反应速率是总速率考虑。
5.生化工程研究中的数学模型结构模型：由过程机理出发推导得出半结构模型：了解一定机理结合实验数据经验模型：对实验数据的一种关联第二章生物反应工程的生物学与工程基础1.因次：导出单位，也称量纲。
2.红制及基本单位密度比容气体密度压力第三章微生物反应计量学教材p53-641.反应计量学：对反应物组成及转化程度的数量化研究2.得率系数与维持因数：得率系数：细胞生成量与基质消耗量的比值维持因数：单位质量细胞进行维持代谢时所消耗的基质。
3.细胞组成表达式及元素衡算方程细胞组成表达式CH1-8O0.5N0.2元素衡算方程CHmOn+aO2+bNH3=CCH2O3Nr+d H2O +e CO24.得率系数与计量系数关系当细胞反应是细胞外产物的简单反应时，得率系数与计量系数关系如下：5．呼吸商：二氧化碳产生速率与氧气消耗速率之比6.实例计算第四章均相酶反应动力学（教材P8-10,26-38）1．酶活力表达方法及催化特性催化特性：酶具有很强的专一性较高的催化效率反应条件温和易失活，温热，氧化失活2.了解反应速率方程的几种形式零级反应：反应速率与底物浓度零次方成正比一级反应：反应速率与底物浓度一次方成正比二级反应：反应速率与浓度二次方成正比连锁酶促反应：3.米式方程快速平衡和拟稳态三点假设4.米式方程推导5.M-M方程与B-M方程比较6.酶反应一级动力学表达式及计算7.动力学常数Km与Vm的求取8.影响酶反应速率的因素：底物浓度酶浓度产物浓度PH值温度激活剂抑制剂9.竞争性、非竞争性、和反竞争性抑制的概念及动力学表达式竞争性：抑制剂为底物类似物，酶结合位点结合阻碍底物一般可逆非竞争性：抑制剂与酶活性位点以外结合，不影响底物的结合，最终可形成三联复合物反竞争性：抑制剂不与游离酶结合，但与复合物ES结合形成三联复合物10.酶失活动力学模型及测定方法第五章固定化酶与固定化细胞（教材P15-17,39-46）1.固定化酶、细胞制备方法与特点固定化细胞：物理化学手段将细胞限制哎一定空间保持活性并连续使用2.固定化酶与游离酶区别3.评价固定化酶生物催化剂指标固定化酶活力偶联率及相对活力4.固定化酶促反应动力学本征速率及本征动力学代表酶的真实特性；固定化酶催化反应速率受扩散和传质影响；所测速率是宏观有效反应速率和游离酶不同。
生物反应工程生物工程反应
max[S] Ks K0[S]0[S]
式中Cs0——基质初始浓度； Kso——无因次初始饱和常数。 其他方程
若干常见微生物 μmax与Ks值
微生物
大肠杆菌37℃） 大肠杆菌37℃） 大肠杆菌37℃） 酿酒酵母30℃） 热带假丝酵母 产气可雷伯氏菌 产气气杆菌
溶解氧（solved oxygen,DO） 光
光氧型微生物、藻类和植物细胞 剪切力
综合因素
3.2.3 细胞生长动力学的描述方法
A.理想的微生物生长模型应具备下列4个条 件：
要明确建立模型的目的。 明确地给出建立模型的假定条件，这样
才能明确模型的适用范网。 希望所含有的参数，能够通过实验逐个确
微生物反应是利用活的生物体进行目的产物生产的反 应，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细 胞内因素的影响，并且微生物菌体易发生遗传变异， 因此，实际控制相当困难。
原料是农副产品，所以受价格变动影响大。
生产前的准备工作(开发新菌种，扩大培养等)量大，且 花费高，相对化学反应器而言，反应器效率低。对于 好氧反应，因为要通氧，故增加了费用，且氧的利用 率不高。
t
02.41.1
dX dt
1 0.935
ln(
24.1) 0.1
5.87(h)
b. Monod与米氏方程的比较：
相同：①形似； ②在一定条件下使用。
Monod方程往往必须在具体条件下进行 适当修正。 不同： ①Monod方程经验表达式；而米氏方程数学推 导式 。 ② 细胞利用营养成分的过程与单一酶促反应 过程不同，因前者与细胞的生理、营养、代 谢有关。
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• 式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保 持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干细胞 的燃烧热 ，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的 燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值 为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为 0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的 YKJ约等于0.002 g细胞/kJ。
真菌、藻类和原生动物等。
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分 类 ： 界 （ Kingdom ） 、 门 （ Phylum ） 、 纲 （ Class ） 、 目 （ Order ） 、 科 （ Family ） 、 属 （Genus）、种（Species）。
种 以 下 有 变 种 （ Variety ） 、 型 （Form）、品系（Strain）等。
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不足： 1、副产物的产生不可避免。 2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度； 3、原料是农副产品，受价格变动影响大； 4、产前准备工作量大，相对化学反应器而言， 反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了 生产成本，且氧的利用率不高； 5、废水有较高BOD值。
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• 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（assimilate or anabolism）为细胞的组成 成分，其余部分被异化（dissimilate or catabolism）分 解为CO2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
微生物反应动力学生物反应工程课件 共讲详解演示文稿
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（优选）微生物反应动力学生物反应 工程课件共讲
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生物反应工程实验讲义
《生物反应工程》实验讲义及实验报告班级：学号：姓名：成绩：实验一 游离酶与固定化酶酶学性质比较实验目的：掌握测定酶动力学参数的实验方法，作图法计算酶动力学参数，掌握固定化酶的方法，以及固定化酶后动力学参数的变化。
实验原理：要建立一个完整的酶动力学方程，必须要通过动力学实验确定其动力学参数。
对M —M 方程，就是要确定r max 和K m 值。
但直接应用M —M 方程求取动力学参数所遇到的主要困难在于该方程为一非线性方程。
为此常将该方程加以线性化，通过作图法直接求取动力学参数。
通常有下述几种作图方法。
Lineweaver —Burk 法(简称L-B 法)。
将M —M 方程取其倒数得到下式：sr m sC K r r 111maxmax+=(1)以1／r s 对1／C s 作图可得一直线，该直线斜率为K m ／r max ，直线与纵轴交于1／r max ，与横轴交于一1／K m 。
此法又称双倒数图解法。
Hanes —Woo1f 法(简称H —W 法)。
将式(1)两边均乘以Cs 得到maxmaxr C r K r C s m ss += (2)以C s ／r s 对C s 作图，得一斜率为1／r max 的直线，直线与纵轴交点为K m ／r max ，与横轴交点为一K m 。
(3)Eadie —Hofstee 法(简称E-H 法)。
将M —M 方程重排为ss ms C r K r r -=max （3）以r s 对r s ／C s 作图，得一斜率为一K m 的直线，它与纵铀交点为r max ，与横轴交点为r max ／K m 。
固定化酶亦称固相酶或水不溶酶。
它是通过物理或化学的方法使溶液酶转变为在一定的空间内其运动受到完全约束、或受到局部约束的一种不溶于水，但仍具活性的酶。
它能以固相状态作用于底物进行催比反应。
固定化酶的主要优点是，在催化反应以后很容易从反应系统中分离出来，不仅固定化酶可以反复使用，而且产物不受污染容易精制，固定化后的酶大多数情况下其稳定性增加，仅有少数的稳定性下降，固定化酶有一定的形状和一定的机械强度，可以装填在反应器中长期使用，便于实现生产连续化和自动化。
生物反应工程原理 一二八九章
第一章绪论生物反应工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。
其实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。
生物反应工程（Bioreactor Engineering）是一门以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程的反应特性方面的知识相结合，进行生物反应工程分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。
一、生物反应过程应由四部分组成：1.原材料的预处理原材料的选择，必要的物理与化学方法加工，培养基配制和灭菌2.生物催化剂的制备菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中的纯化、固定化等3.生物反应器及反应条件的选择与监控反应器的结构、操作方式和操作条件，反应参数的检测与控制4.产品的分离纯化用适当的方法和手段将含量甚少的目的产物从反应液中提取出来并加以精制以达到规定的质量要求二、生物反应过程的特点：1.是一门综合性学科2.采用生物催化剂3.采用可再生资源为主要原料4.与一般化工产品生产相比，其生产设备比较简单，能耗较低三、生物反应过程的分类：①酶的反应过程：采用游离或固定化酶为催化剂反应。
②细胞反应过程：采用活细胞为催化剂时的反应过程，包括一般微生物细胞发酵反应过程、固定化细胞反应过程和动植物细胞培养过程。
③废水的生物处理过程：利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污浊物质的过程。
四、生物工程与生物反应工程①生物反应工程的上游加工：最重要的生物催化剂（包括菌株、酶、及其固定化）的制备。
掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性，解决大规模种子培养或固定化催化剂制备以及如何在无菌情况接种。
②生物反应器：存在着物料的混合与流动、传质与传热等大量的化学工程问题；存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学、酶催化反应动力学、发酵液的流变学以及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性的工程技术问题；同时还包括生物反应过程的参数检测和控制。
生物反应工程课件
二、微波干燥原理及设备
微波一般是指波长在1mm～1m范围(频率为300～300000MHz) ห้องสมุดไป่ตู้电磁波。也称做超高频。
微波的传统应用是将微波作为一种传递信息的媒介，应用 于雷达、通讯、测量等方面。
近年来，除了传统的微波应用继续发展外，微波作为一种 能技术也迅速发展，将微波能广泛用于对物体进行加热和 干燥。
第三节 绝热干燥设备
一、气流干燥原理及设备
基本原理：固体湿物料在高温快速流动的热空气作用 下，均匀分散成悬浮状态，从而增大了物料与热空气 的接触面积，强化了热交换作用，使得物料仅在几秒 钟内（1-5秒）达到干燥要求。
应用： 生物工业中味精、柠檬酸、四环类抗生素等 的干燥。
目前使用的气流干燥器形式：长管气流干燥器 和旋风气流干燥器等。
第四节 冷冻干燥及其他干燥设备
一、冷冻干燥原理及设备
原理：将湿物料（或溶液）在较低温度下（-10～-50℃） 冻结成固态，然后在高度真空下，将其中固态水分直接升 华为气态而除去的干燥过程。
冷 冻 干 燥 设 备 大 致 由 四 部 分 组 成 ， 即，冷冻部分、真空部分、水汽去 除部分和加热部分。
雾化器的类型和性能
1、 离心喷雾干燥
原理：利用在水平方向做高速旋转的圆盘，给 浓料以离心力，将其成薄膜状甩出，受到空气 的撕扯，变成细丝、雾状液滴喷入干燥室，与 热空气直接接触，其表面水分迅速蒸发，在很 短的时间内完成干燥。
离心雾化器的类型
a 碟式 b 叶板式
离心雾化器的特点
优点：①液料通道大，不易堵塞； ②对液料的适应性强。高粘度、高浓度的 液料均可； ③操作弹性大，进液量变化±25％时，对 产品质量无大影响。
1—干燥器； 2—冷冻器； 3—前置真空泵； 4—后置真空泵； 5—加热装置； 6，7—冷冻压缩机； 8—制冷剂贮罐
《生物反应工程》课件
04
生物反应工程的应用实例
生物燃料的生产
生物燃料的生产是生物反应工程的重要应用之一。通过利用 微生物或酶，将植物油、废弃油脂、二氧化碳等转化为可再 生能源，如生物柴油和生物乙醇。
生物燃料的生产有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气 体排放，并促进可持续能源的发展。
生物塑料的生产
生物塑料是利用生物反应工程生产的 可降解塑料，具有环保、可持续的优 点。
农药的生产等。
生物反应工程的重要性
提高生产效率
通过优化生物反应过程， 可以提高生产效率，降低
生产成本。
保护环境
优化生物反应过程可以减 少废物的产生，降低对环
境的污染。
促进可持续发展
生物反应工程的进步有助 于推动可持续发展，促进 人类社会与自然环境的和
谐共生。
02
生物反应工程的基本原理
生物反应工程的基本原理
酶的生产和应用
酶是生物反应工程中的关键物质，具 有高效催化的特点。
通过微生物培养或酶的提取，可以生 产出各种酶，用于催化各种化学反应 ，如水解、酯化、氧化还原等。酶在 制药、化工、食品等领域有广泛应用 。
05
生物反应工程的未来发展
提高生物反应的效率
优化微生物菌种
通过基因工程技术对微生物菌种 进行改良，提高其代谢效率和产 物产量。
节能减排
研究节能减排技术，降低 生物反应过程中的能耗和 排放，减少对环境的负面 影响。
绿色生产
研究绿色生产技术，减少 对原材料和能源的消耗， 降低生产过程中的环境污 染，实现可持续发展。
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环境工程原理9. 生物反应工程原理
kcat e[S ] rP,max [S ] rP (rS ) K m [S ] K m [S ]
式中：Km——米氏常数，mol／L，
（9-13）
Km
k -1 k cat k 1
（9-14）
Km与Ks之间的关系为
Km k -1 k cat k K s cat k 1 k 1
第九章 生物反应工程原理
9.1 概述
生物反应工程研究的目的
生物反应过程的特征在于有生物催化剂参与反应。与化学反应相比，生物反 应所需的条件比较温和、反应速率有时比化学反应过程慢得多；反应的复杂 性有时难以预计等。自然界中的生物现象可以说是千变万化，但是其中起主 导作用的便是生物催化反应。微生物的生长繁殖，细胞个数增加，形态不断 变化，这些可以用微生物的生长速率来描述。
流入量 4 (r dr ) 2 De (
d [ S ]r ) r dr dr
(9-26)
式中：De——载体内部底物的扩散系数； r e——微元壳体与中心距离； dr——微元壳体的厚度； [S]r——底物浓度。 单位时间扩散离开壳体的底物量为
流出量 4r 2 De (
d [ S ]r )r dr
(9-22)
其中，
K [H ] f1 1 b Ka [H ]
Kb' [H ] f2 ' 1 Ka [H ]
式中：Ka、Kb、Ka’、Kb’——电离平衡常数； [H+]——氢离子浓度； [S]——底物浓度。 降低酶促反应速率的原因可分为两类，一类是失活作，另一类为抑制作用。 失活作用是指物理或化学因素等外界因素破坏了酶的三维结构，引起酶的变 性，导致丧失活性。抑制作用是指在酶不变性条件下，由于活性中心化学性 质的改变而引起的酶的活性受到抑制。底物或产物对酶促反应的抑制是较常 见。在多数的酶促反应中，rP对[S]的依赖关系是符合米氏方程的单调增的函 数关系。但也有当[S]浓度较高时，rP呈下降的趋势，这种反应被称为高浓度 底物抑制或底物抑制(substrate inhibition)型反应。 底物抑制的反应机制为 E+S——ES——E+P ES+S——ES2 如果复合体ES2为非活性，并采用稳态法建立反应动力学方程，可得
海大生物反应工程原理大全
均相酶促反应动力学；是以研究酶促反应机制为目的,解释了酶促反应机制和过程,还应对影响其反应速率的因素进行定量的分析,建立可信赖的反应速率方程,并以此为基础进行反应器的合理设计和确定反应过程的最佳条件.均相酶催化反应：酶与反应物系同处液相的酶催化反应.单底物酶促反应：一种反应物参与的不可逆反应.返混：不同停留时间的物料的混合,称为返混.酶的固定化技术：是指将水溶性酶分子通过一定的方式如静电吸附、共价键等与载体结合,制成固相酶的技术.能量生长偶联型：当有大量合成菌体材料存在时,微生物生长取决于ATP的供能,这种生长就是能量生长偶联型.有效电子转移：是指物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移.生物反应工程：生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科.是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科.生物反应器：是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备.酶：是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂.生物反应过程：是指将实验室的成果经放大而成为可供工业化生产的工艺过程,包括实现工业化生产过程的高效率运转,或者说提高生产过程效率.生物反应器：是指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备或者场所.生物反应过程的缩小：根据生产实际,在实验室中使用小型反应器来模拟生产过程,以进行深入研究.转化率：某反应物的转化浓度与该反应物起始比值的百分比收率：指按反应物进行量计算,生成目的产物的百分数.用质量百分数或者体积百分数表示系统生物学：用生物遗传物理的方法,对生物学进行扰动,从而通过生物系统产生的影响进而研究,进而所得的数据进行挖掘和综合构建描述系统结构与相应于上述各种扰动的数学模型. 生长得率:消耗1g基质生成干细胞的克数分批式操作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.反复分批式操作是指分批操作完成后,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.半分批式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.反复半分批式操作指流加操作完成后,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.活性污泥法处理废水、固定化微生物反应等多采用连续式操作.指数流加操作：通过采用随时间呈指数变化的方式流加基质,维持微生物细胞对数生长的操作方式.非结构模型：在确定论模型的基础上,不考虑细胞内部结构的不同,即认为细胞为单一组分,在这种理想状态下建立起来的动力学模型.外扩散效率因子ηout：是指有外扩散影响是的实际反应速率和无外扩散的固定化酶外表面处的反应速率之比.Da 准数：最大反应速率和最大传质速率之比.分批发酵：是指将新鲜的培养基一次性加入发酵罐中,在适宜的条件下接种后开始培养,培养结束后,将全部发酵液取出的培养方法.连续培养发酵连续式操作：是指以一定的速率不断向发酵罐中供给新鲜的培养基,同时等量地排出发酵液,维持发酵罐中液量一定的培养方法.稀释率：培养液流入速度和反应器内培养液的体积之比,他表示连续反应器中物料的更新快慢程度得率系数;是对碳元素等物质生成细胞或是其他产物的潜力进行定量评价的重要参数细胞得率：消耗1克基质生成细胞的克数成为细胞得率或是生长得率.动植物细胞培养：是一项将动植物的组织、器官或细胞在适当的培养基上进行无菌培养的技术.悬浮培养：通过震荡或是转动装置使细胞始终处于分散悬浮于培养液内的培养方法.停留时间：停留时间τ是指反应物料进入反应器时算起,至离开反应器时为止所经历的时间. 22填充床型反应器<PBR>：把催化剂填充在固定床〔填充床〕中的反应器叫做填充床〔固定床〕型反应器.流化床型反应器<FBR>：装有较小颗粒的垂直塔式反应器.底物以一定流速从下向上流过,使固定化酶颗粒在流体中维持悬浮状态进行反应.生物膜反应器〔MBR〕：利用膜的分离功能,同时完成反应和分离过程的反应器.酶反应器：酶作为催化剂进行生物反应的场所.微生物的生长速率：在单位时间内微生物细胞浓度的变化量.微生物的比生长速率：单位重量菌体的瞬时增量固定化酶：是通过物理或化学方法使溶液酶转变为在一定的空间内运动受到完全或局部约束的一种不溶于水,但仍具有活性的酶.酶活力测定：通过测定初始短时间内底物的消耗量或产物的生成量进行酶活力〔初速度〕的测定.速率〔rate〕：指变化快慢程度,包含反应速率和传质速率.反应速率〔reactionrate〕：单位时间、单位反应体积生成的产物量.传质速率〔transferrate〕：单位面积上单位时间的传递量.失活作用：指物理或化学因素部分或全部破坏了酶的三维结构,引起酶的变性,导致酶部分或全部丧失活性.抑制作用：指酶在不变性条件下,由于活性中心化学性质的改变而引起酶活性的降低或丧失.影响酶促反应的主要因素有哪些？主要因素：浓度〔酶、底物〕.外因：压力、pH、温度、溶液的介电常数与离子强度等.内因：底物、效应物浓度、酶结构等固定化酶的特性？〔1〕底物专一性的改变由于立体障碍,使的底物特异性发生改变.例如,胰蛋白酶既作用于高分子的蛋白质,又作用于低分子的肽或多肽.采用羧甲基纤维素对胰蛋白酶进行固定化后,胰蛋白酶对二肽或多肽的作用不变,但对酪蛋白的作用仅为游离酶的3％左右.〔2〕稳定性增强一般固定化酶比游离酶稳定性好,表现在热稳定性,保存和使用稳定性的增加,与对蛋白酶的抵抗性和耐受性增强.〔3〕最适pH值和最适温度变化酶固定化载体为多聚阳离子性质时,固定化酶的最适pH值向酸性一侧移动；酶固定化载体为多聚阴离子性质时,固定化酶的最适pH值向碱性一侧移动；产物为酸性时,固定化酶最适pH值向酶性一侧移动；产物为中性时,最适pH值一般无变化.〔4〕动力学参数的变化酶经固定化后,表观米氏常数发生变化.影响固定化酶促反应的主要因素？〔1〕分子构象的改变指固定化过程中酶与载体的相互作用引起酶的活性中心或调节中心的构象发生了变化,导致酶与底物的结合力下降.〔2〕位阻效应由于载体的遮蔽作用或固定化方法不当,给酶的活性中心或调节中心造成空间障碍 ,使底物和酶无法与酶接触.〔3〕微扰效应由于载体的亲水性、疏水性、介电常数等性质,使酶所处的微环境与宏观环境不同,从而改变了酶的催化能力或酶对效应物的调节能力的效应.〔4〕分配效应 由于载体与底物之间疏水性、亲水性或静电作用引起微环境和宏观环境之间物质的不等分配,从而影响酶促反应速率的一种效应<5> 扩散效应由于底物、产物或其他效应物的迁移和传递速度所受到的限制,当物质扩散系数很低,酶活性较高时,在固定化周围形成浓度梯度,造成微观环境和宏观环境间底物、产物浓度产生差别.快速平衡法：几点假设：1〕[S]>>初始酶浓度e,中间复合物ES 的形成不会降低[S].〔2〕不考虑E+P →ES 这个可逆反应.〔3〕ES →E+P 为整个反应的限速阶段,此ES 分解成产物不足以破坏这个平衡.稳态法：几点假设：〔1〕〔2〕与快速平衡法相同〔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.影响Kla 的因素,如何影响？操作变量：温度、压力、通风量、转速.↑ Kla ↑培养液的理化性质：黏度、表面X 力、氧的溶解度、培养液组成、培养液流动状态、发酵类型.黏度↓、表面X 力↓、氧的溶解度↑ Cpro ↑ C 酯醇酮↓Kla ↑反应器的结构：反应器的类型、各部分尺寸的比例、空气分布器的型式.有挡板或冷却管、高径比↑ Kla ↑ 搅拌器的组成与间距要根据培养液的特性决定外扩散过程与内扩散过程的比较外扩散过程内扩散过程 Da 准数是决定外扩散效率因子的唯一参数 φ准数是决定内扩散效率因子的主要参数Da 准数定义：SL aC k r Da max = 西勒准数定义：De K r R m 9max 22=φ 外扩散效率因子定义：0r r out out =η 内扩散效率因子定义：outin in r r =η Da<1,过程为反应控制,Da 准数越小,outη越接近1；Da>1,过程为外扩散控制,Da 准数越大,out η越趋近于零.φ<0.3时,in η≈1,过程为反应控制. φ>0.3时,in η<1,过程为内扩散控制.举例简要说明何为微生物反应的结构模型？ 答：由于细胞的组成是复结的,当微生物细胞内部所含有的蛋白质、脂肪、碳水化合物、核酸、维生素等的含量随环境条件的变化而变化时,建立起的动力学模型称为结构模型.Monod 方程建立的几点假设是什么？Monod 方程与米氏方程主要区别是什么？答：Monod 方程建立的基本假设：微生物生长中,生长培养基中只有一种物质的浓度会影响其生长速率,这种物质被称为限制性基质,并且认为微生物为均衡生长且为简单的单一反应. 莫诺方程：S K SS +=max μμ 米氏方程：S K S r r m +=max 描述微生物生长描述酶促反应 经验方程理论推导的机理方程 方程中各项含义：μ：生长比速<h -1>μmax ：最大生长比速<h -1> S: 单一限制性底物浓度<mol/L> K S :半饱和常数<mol/L>方程中各项含义： r ：反应速率<mol/L.h> r max ：最大反应速率<mol/L.h>S ：底物浓度<mol/L>K m ：米氏常数<mol/L> 适用于单一限制性底物、不存在抑制的情况 适用于单底物酶促反应不存在抑制的情况 简要回答微生物反应与酶促反应的最主要区别？答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于,微生物反应是自催化反应,而酶促反应不是.此外,二者还有以下区别：〔1〕酶促反应由于其专一性,没有或少有副产物,有利于提取操作,对于微生物反应而言,基质不可能全部转化为目的产物,副产物的产生不可避免,给后期的提取和精制带来困难,这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一.〔2〕对于微生物反应,除产生产物外,菌体自身也可是一种产物,如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时,可用于提取这些物质.〔3〕与微生物反应相比,酶促反应体系较简单,反应过程的最适条件易于控制.微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产,因此,产物的获得除受环境因素影响外,也受细胞因素的影响,并且微生物会发生遗传变异,因此,实际控制有一定难度.〔4〕酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程,与微生物反应相比,在经济上有时并不理想.举例说明连续培养的应用.由于连续培养存在杂菌污染问题、菌种变异问题、成本问题,使其在生产中的应用受到限制,目前主要用于面包酵母的生产、与污水处理.连续培养在科研领域有着重要的应用,主要表现在以下几个方面：<1> 利用恒化器测定微生物反应动力学参数.例如μm 、Ks 的测定.<2> 确定最佳培养条件.例如面包酵母生产中最佳葡萄糖浓度的确定.<3> 利用冲出现象进行菌种的筛选.CSTR 、PFR 代表什么含义？比较CSTR 型和PFR 型酶反应器的性能.CSTR 代表连续全混流酶反应器.PFR 代表连续活塞式酶反应器.CSTR 型和PFR 型酶反应器的性能比较：1〕达到相同转化率χ时,PFR 型酶反应器所需停留时间较短.2〕在相同的停留时间达到相同转化率时,CSTR 型反应器所需酶量要大大高于PFR 型反应器.因此一般来说,CSTR 型反应器的效果比PFR 型差,但是,将多个CSTR 型反应器串联时,可克服这种不利情况.3〕与CSTR 型酶反应器相比,PFR 型酶反应器中底物浓度较高,而产物浓度较低,因此,发生底物抑制时,PFR 型酶反应器转化率的降低要比CSTR 型剧烈得多；而产物抑制对CSTR 型酶反应器影响更显著.在啤酒酵母的生长试验中,消耗了0.2kg 葡萄糖和0.0672kgO 2,生成0.0746kg 酵母菌和0.121kgCO 2,请写出该反应的质量平衡式,计算酵母得率Y X/S 和呼吸商RQ. 解：假设反应的质量平衡式为： 则：11.16161261210002.0=⨯++⨯⨯=a 1.23210000672.0=⨯=b 根据元素平衡式,有C ： 75.2611.1+=⨯cH ： 241211.1⨯+β+⨯cO ： 4275.21.22611.1+⨯+δ=⨯+⨯c联立求解,得91.3=c 36.1=β35.0=δ所以,可确定该反应的质量量平衡式为：微生物物繁殖过程中分裂一次生成两个子细胞,也有4分裂或8分裂的,试证明当n 分裂时,有如下式子：n t t g d ln /2ln /=,式中：d t 为倍增时间,g t 为世代时间. 证：μ=XdtdX 边界条件：0,0X X t == 积分,得t X X μ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0ln 葡萄糖为碳源进行酿酒酵母培养,呼吸商为1.04,氨为氮源.消耗100mol 葡萄糖和48mol 氨,生成菌体48mol 、二氧化碳312mol 和水432mol.求氧的消耗量和酵母菌体的化学组成. 解：根据题意,可假定反应的质量平衡式为：04.131222==∆-∆=bO CO RQ , 解得,300=b ,即氧的消耗量为300mol.根据元素平衡,有C ： 31248600+α=H ：2432483481200⨯+β=⨯+N ：γ=4848O ：4322312483002600+⨯+δ=⨯+联立方程求解,得酵母菌体的化学组成为31106O N H C .分别采用含有蛋白胨和牛肉膏的复合培养基、含有20余种氨基酸的合成培养基和基本培养基进行运动发酵单胞菌厌氧培养,碳源为葡萄糖,获得如下表所示结果.已知菌体的含碳量〔以碳源/细胞计〕为0.45g/g,求采用不同培养基时的Y KJ .培养基 Y X/S 〔g/mol 〕 〔以细胞/葡萄糖计〕 Y P/S 〔mol/mol 〕 〔以乙醇/葡萄糖计〕 Y P/S 〔mol/mol 〕 〔以乳酸/葡萄糖计〕 菌体中由葡萄糖所来碳元素的量 基本4.1 1.5 0.2 1.0 合成5.0 1.5 0.2 0.62 复合 8.0 1.6 0.2 0.48 解：由化工手册可知,gKJ mol mol mol KJ H a G /15.22H /1363KJ H 1368KJ/H /2816L E -=∆-=∆-=∆-=∆，，， 〔1〕采用基本培养基时,k=1.0.)/(0080.0KJ g =〔2〕采用合成培养基时,k=0.62.)/(0091.0KJ g =〔3〕采用复合培养基时,k=0.48.一个新发现的微生物在每一次细胞分裂时,可产生3个新细胞,由下列生长数据求：〔1〕此微生物理学的比生长速率)(1-μh ；〔2〕此微生物细胞的平均世代时间.时间 / h0 0.5 1.0 1.5 2.0 细胞干重〔g/L 〕 0.10 0.15 0.23 0.34 0.51 解：〔1〕XdtdX =μ 〔16-1〕 边界条件：0,0X X t ==对〔16-1〕式积分,得t X X μ=)/ln(0 〔16-2〕以t X X ~)/ln(0作图,将得一条直线,直线斜率为μ.根据已知数据,计算)/ln(0X X ,列入表中,并绘制t X X ~)/ln(0曲线.t / h 0 0.51.0 1.52.0X 〔g/L 〕0.10 0.15 0.23 0.34 0.51 ln <X/X 0> 00.405 0.833 1.221.63 00.20.40.60.811.21.41.61.800.51 1.52 2.5由图中可知,直线斜率为0.82,因此)(82.01-=μh .〔2〕该微生物每次分裂产生3个新细胞,故3,0==X X t t g 〔16-3〕 )(34.182.03ln 3ln h t g ==μ= 〔16-4〕 某种酶以游离酶形式进行酶促反应时所得动力学参数K m =0.06mol/L 和r m =10mol/<L .min>.该酶在某种载体颗粒表面固定化后进行同一酶促反应,所得动力学参数K m ´=0.10mol/L 和r m ´=8mol/<L .min>.求底物浓度为1mol/L 时,该固定化酶的效率因子η .Cell 生长的非结构模型1.确定论的非结构模型：是一种理想状态,不考虑cell 内部结构,每个cell 结构无差别,cell 群体作为一种溶质.2.确定论的结构模型：每个cell 结构无差别,cell 内部有多个组分存在.3.概率论的非结构模型：不考虑cell 内部结构,每个cell 结构有差别.4.概率论的结构模型：cell 内部结构有差别,每个cell 结构有差别.Monod 方程建立的基本假设是：微生物cell 生长中,生长培养集中只有一种物质的浓度会影响其生长速率,并认为微生物是均衡生长且简单的单一反应.停滞膜模型的内容1.在气液两个流体相间存在的界面,界面两旁具有两层稳定的薄膜,这两层薄膜在任何流体动力学条件下均呈滞留状态.2.在气液界面上,两相的浓度总是相互平衡,界面上不存在氧传递阻力.3.在两膜以外的气液两相的主流中,由于流体充分流动,氧的浓度基本是均匀的,因此氧由气相主体到液相主体所遇阻力仅存在两层滞留膜中.Kla 的测定方法 亚硫酸盐法 动态法 稳态发 葡萄糖氧化法t / h ln。
生物反应工程原理
生物反应工程的定义生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。
是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。
生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。
特点： 1）反应在温和的条件下进行； 2）反应速率比化学反应过程慢很多； 3）反应的复杂性有时难于预计。
共性的基本问题： 1）反应过程的定量； 2）动力学研究；生物反应过程的四个组成部分①原材料的预处理及培养基的制备；②生物催化剂的制备；③生物反应器及反应条件的选择与监控；④产物的分离纯化工程；生物反应工程的研究内容 1、生物反应动力学生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。
基本内容：1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学； 2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术； 3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。
2、生物反应器生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。
1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素、溶氧方程及溶氧速率调节； 2）酶反应器及设计、机械搅拌式发酵罐及设计、气升式生化反应器设计、生物废水处理设备及动植物细胞培养用反应器等； 3）分批、流加和连续式操作，及动植物细胞培养技术等。
3、生物反应过程的放大与缩小1）探讨各种类型生物反应的内在规律； 2）从概念上注意与相关学科的区别； 3）要全面、深入地看待问题； 4）确立评价生物反应过程的标准。
酶的分类与命名酶：是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，经典的酶学理论认为酶是蛋白质催化剂，具有蛋白质的一切性质。
氧化还原酶（oxido-reductase）；转移酶（transferase）；水解酶（hydrolase）；裂合酶（lyase）；异构酶（isomerase）；合成酶（synthetase, ligase）酶的功能酶作为催化剂的共性：①降低反应的活化能；②酶可加快反应速率；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；④反应前后酶本身不变；酶的生物催化特性：①酶有较高的催化效率；②酶有很强的专一性；一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质进行某一种反应，这种特性称为酶的专一性或选择性。
生物反应及反应器原理(全)
也就是酶催化作用下，A
B 的过程
此时反应式为：
db dt
K
1(a0
b)
式中：K1－一级反应速率常数 a0－底物 A 的初始浓度 b－ t 时间产物 C 的浓度
➢ 当底物 A 与底物 B 产生产物 C 时，
即：A＋B
C 时，为二级反应
dc dt
K2 (a0
c)(b0
c)
—②
式中：K2－二级反应速率常数 a0－底物 A 的初始浓度 b0－底物 B 的初始浓度 C－t 时间底物 C 的浓度
单体酶寡聚酶多酶复合体全酶蛋白质部分酶蛋白非蛋白部分三酶的作用机制????????????????1锁钥模型2诱导契合模型2112酶作为催化剂的共性?一催化能力二专一性三调节性酶浓度的调节激素调节共价修饰调节限制性蛋白水解作用与酶活力调控抑制剂调节反馈调节金属离子和其它小分子化合物的调节212酶的稳定性及应用特点2121酶的稳定性2122酶的应用特点???????????213酶和细胞的固定化技术2131固定化技术的基本概念2132固定化酶的特性2133固定化细胞的特性2134酶和细胞的固定化技术214酶促反应的特征22均相酶促反应动力学221酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有
⑴固定化酶本身活性变化
⑵底物传质速率 ①底物性质 ②操作条件 ③载体性质
（二）固定化酶催化反应动力学方程的特征 ①催化反应速率 ②传质速率
2.3.2.1 外部扩散过程 当固定化酶与液相反应物接触时，反应过程有三步： ①底物由液相扩散到固定化酶外表面 ②底物在固定化酶的外表面进行反应 ③产物对外表面扩散进入液相主体 当底物由液相向固定化酶外表面扩散时： 扩散速率与传质推动力成正比
——⑦
c
a0 K2