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。

③生物反应工程的下游加工：对目的产物的提取与精制。这是因为一方面生物反应液中目的产物的浓度是很低的；另一方面反应液杂质常与目的产物有相似的结构，加上一些具有生物活性的产品对温度、酸碱度十分敏感，一些作为药物或食品的产品对纯度、有害物质都有极严格要求。总之，下游加工步骤多，要求严，其生产费用高。

第二章固定化酶和固定化菌体

第一节微生物酶

一、微生物酶：微生物生活细胞产生的具有催化作用和专一激活能力的蛋白质。

二、微生物酶的优越性：

1、酶的来源：动物、植物、微生物。

2、（1）微生物生长速度快，易于大量培养。

（2）通过菌种选育改进培养条件，便于人为提高产量。

（3）菌种不同，产生酶的种类有差异。

（4）利用微生物酶反应，以活菌体进行催化，简化工艺，缩短反应周期。

（5）产量高、成本低、不受季节限制，便于工业化生产。

3、菌体内酶与菌体外酶

菌体内酶：产生的酶分布在微生物细胞内，又叫胞内酶。

胞内酶的使用：

（1）把酶从菌体细胞内抽提出来。繁杂、易失活

（2）固定化细胞。用一定的方法将微生物菌体固定在载体上制成固定化菌体。简单、利用率高、不易失活。

如：大肠杆菌产生的青霉素酰胺酶的利用。

菌体外酶：产生的酶分泌到菌体外，又叫胞外酶。

胞外酶的使用：

（1）除去菌体，把含酶的培养滤液直接用于生物催化反应。

（2）把酶抽提出来用一定的方法制成“固定化酶”。

如：葡萄糖淀粉酶与羧甲基纤维素（CMC）离子结合制成的固定化酶

第二节酶的特性

一、酶的专一性

绝对专一性：一定的酶只能作用于一定的底物。酶对底物有很强的选择性。能从多种复杂的底物混合物中与特定底物反应。如：脲酶只能作用于尿素。

相对专一性：一种酶除能与特定底物作用外，也能与同底物化学结构相类似的底物起作用。酶对底物的选择性较低。如：D－氨基酸氧化酶能催化多种D－氨基酸脱氨。

立体异构专一性：一种酶只能作用于旋光异构体的一种或顺反异构体的一种。如：L－乳酸脱氢酶只能作用于L－乳酸。反丁烯二酸酶只能作用于分丁烯二酸。

二、影响酶反应速度的因素：受温度、氢离子浓度、酶浓度、底物浓度等因素影响。

三、直接利用微生物酶——（缺点）

（1）不稳定。在高温、高压、强酸、强碱下。

（2）易失活。即使在最适合的条件下反应。

（3）回收困难。用适当方法提取目的产物后，残存酶回收困难。

（4）反应速度减慢。随着反应时间的推移。

（5）经济上不合算。一次性反应后不能再次使用。

第三节固定化酶

固定化酶：水溶性酶通过物理和化学的方法，使之与不溶性载体结合形成的一种不再溶解的酶。

一、酶固定化后的性质变化

1 对底物的特异性。尤其注意立体结构对催化底物特异性的影响。

2 酶反应最适PH值的改变。酶固定化后，酶蛋白质的电子状态会发生改变，载体表面的电位要受影响。但有规律，可调整固定化方法，获得最适合的反应条件。

3 动力学常数的改变。米氏常数和最大反应速度会改变

4 酶反应温度的改变

5 增加酶的稳定性。对热、PH值、有机溶媒、蛋白质变性剂、蛋白质分解酶的稳定性增加。连续化反应稳定性好。——固定化酶的最大好处

二、固定化酶的形态和作用模型

1 制备固定化酶的方法：化学方法、物理方法、物理与化学结合法三种。

2 制备时应注意：（1）保护酶蛋白的立体结构不变。

（2）避免不溶性载体与酶的活性中心发生作用

（3）在温和条件下进行，避免高温、高压、强酸碱等