第11章生化反應(yīng)器

1、第十一章 生化反應(yīng)器 生化反應(yīng)器一般是指利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。 生化反應(yīng)器可以給活細(xì)胞或酶提供適宜的反應(yīng)環(huán)境和條件，在生物體外實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的多種化學(xué)反應(yīng)及物質(zhì)代謝過程。 以生物反應(yīng)器為核心的有關(guān)生化反應(yīng)過程，包括酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)、常見的生物反應(yīng)器以及相關(guān)計(jì)算等。1 生物和酶催化反應(yīng)生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程 1-1 生物反應(yīng)過程 利用生物催化劑將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品過程中發(fā)生的一系列生物化學(xué)變化過程。生物催化劑是游離的或固定化的細(xì)胞和酶的總稱。 當(dāng)采用游離的整體活微生物細(xì)胞作催化劑時(shí)，其生物反應(yīng)過程稱為發(fā)酵過程(在特定情況下有時(shí)也稱之為微生物轉(zhuǎn)化過程)； 當(dāng)所用生物催化劑為游

2、離或固定化酶時(shí)，其生物反應(yīng)過程稱為酶反應(yīng)過程(有時(shí)也稱為酶促反應(yīng)過程或酶催化反應(yīng)過程)。 1-2 生物反應(yīng)過程的特點(diǎn)1.發(fā)酵過程的特點(diǎn) 反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單。 反應(yīng)條件溫和，消耗能量較少。 反應(yīng)產(chǎn)物的含量低，副產(chǎn)物較多，產(chǎn)品分離過程復(fù)雜。 在反應(yīng)過程中反應(yīng)體系容易被雜菌污染。 利用微生物作為催化劑時(shí)，細(xì)胞的穩(wěn)定性較高。 原料來源豐富，價(jià)格低廉。 生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，同一裝置可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品，設(shè)備投資較少。2.酶催化反應(yīng)的特點(diǎn) 酶催化反應(yīng)具有專一性。 酶催化劑具有非常高的活性和選擇性。 酶催化反應(yīng)條件溫和。 酶對(duì)于環(huán)境條件的改變比較敏感，穩(wěn)定性差。 酶催化反應(yīng)對(duì)原料的要求較高。 酶催化劑制作工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴

3、。1-2 酶催化劑的主要類型和用途 1.酶的命名 習(xí)慣命名法：通常根據(jù)底物和酶所催化的反應(yīng)性質(zhì)來命名，如淀粉酶，氧化酶等；有些酶的命名還加上酶的來源或酶的特點(diǎn)，如胃蛋白酶等。 系統(tǒng)命名法：酶的名稱應(yīng)包括酶的系統(tǒng)名和分類編號(hào)，其中酶的系統(tǒng)名依次由底物名稱、反應(yīng)類型和表示酶的后綴詞-ase構(gòu)成。2.酶的分類和用途按酶的催化反應(yīng)類型，可將酶分成六類： 氧化還原酶類（Oxido-reductases） 轉(zhuǎn)移酶類(Transferases) 水解酶類(Hydrolases) 裂合酶類(Lyases) 異構(gòu)酶類（Isomerases） 連接酶類（Ligases）2 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究生物

4、反應(yīng)速率的規(guī)律，即在一定條件下研究生物反應(yīng)過程中底物或基質(zhì)的消耗速率或細(xì)胞的生長(zhǎng)速率以及產(chǎn)物生成速率等。這種研究不考慮反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式，也不考慮熱量傳遞和質(zhì)量傳遞等工程因素對(duì)反應(yīng)速率的影響，僅專門研究生物反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)（微觀動(dòng)力學(xué)） 。 根據(jù)生物催化劑種類的不同，生物反應(yīng)過程有以下兩種情況： 一種是底物在游離或固定化酶催化劑的作用下進(jìn)行反應(yīng)，即酶催化反應(yīng)； 另一種是促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)的發(fā)酵過程或細(xì)胞培養(yǎng)過程，利用細(xì)胞中的酶把培養(yǎng)基通過復(fù)雜的生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化成新的細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物。 2-1 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要是研究各種因素對(duì)酶催化反應(yīng)速度的影響，以及反應(yīng)物到產(chǎn)物之間可能進(jìn)行的歷程，希

5、望用數(shù)學(xué)原理和質(zhì)量作用定律解釋酶反應(yīng)的進(jìn)程。 酶催化反應(yīng)有許多類型，酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程也有多種模型。 1.米氏方程及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求法 米氏方程(MichaelisMenten Equation)酶反應(yīng)反應(yīng)機(jī)理為米氏方程PSEEPESSEkkk211mSSEKccckpr0,2Km米氏常數(shù)，kmolm-3s-1； rP產(chǎn)物P的生成速率，kmolm-3s-1。 米氏方程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的求法 米氏方程是一個(gè)雙曲線函數(shù)，不容易直接從rP-cS曲線求出動(dòng)力學(xué)參數(shù)，故常將米氏方程轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性形式，然后用作圖法求出動(dòng)力學(xué)常數(shù)Km和最大反應(yīng)速率rmax。 萊恩威弗-伯克（也稱雙倒數(shù)作圖） 法smpmssKccck

6、pcrKrrKccrrmSSE111maxmaxmax0,2 伊迪-霍夫施蒂（Eadic-Hofstee）法 黑尼斯-伍爾夫（Hanes-Woolf，簡(jiǎn)稱H-W法，又稱蘭格繆爾（Langmuir）作圖法spmpmssKccckpcrKrrKccrrmSSEmaxmax0,2得：由maxmaxmax0,2rcrKrcKccrrsmpsmssKccckpmSSE得由2.影響酶催化反應(yīng)的因素 底物抑制 抑制劑的影響 pH值對(duì)酶催化反應(yīng)的影響 溫度對(duì)酶催化反應(yīng)的影響 金屬離子的影響 2-2 發(fā)酵和細(xì)胞培養(yǎng)動(dòng)力學(xué) 發(fā)酵或細(xì)胞培養(yǎng)過程的生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)就是探討細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)。 1.細(xì)胞

7、分批培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)微生物分批培養(yǎng)時(shí)的生長(zhǎng)曲線 XXXcdtdcr細(xì)胞生長(zhǎng)速率： 2. 基質(zhì)消耗和產(chǎn)物形成速率 在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，基質(zhì)的消耗主要用于細(xì)胞的增長(zhǎng)；而在發(fā)酵過程中，基質(zhì)除了消耗于細(xì)胞增長(zhǎng)之外，還消耗于產(chǎn)物的生成。此外還要消耗部分基質(zhì)用于產(chǎn)生能量以維持細(xì)胞正常的生命活動(dòng)。 對(duì)于單細(xì)胞培養(yǎng)過程，限制性基質(zhì)消耗速率表示為：=XSXXSXsscYdtdcYdtdcr/11)( 如果以碳源為限制性基質(zhì)，當(dāng)有產(chǎn)物生成時(shí)，根據(jù)物料衡算，表示基質(zhì)的消耗速率為： 產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)較為復(fù)雜，產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的增長(zhǎng)以及基質(zhì)消耗的關(guān)系會(huì)因培養(yǎng)條件和細(xì)胞種類的不同而各異。 dtdcY1mcc1dtdPPXXSGYc

8、 關(guān)于產(chǎn)物動(dòng)力學(xué)研究，首先需要通過實(shí)驗(yàn)找到細(xì)胞生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗和產(chǎn)物生成的規(guī)律，然后建立合理的數(shù)學(xué)模型并確定模型參數(shù)，用數(shù)學(xué)模型就可以模擬分批培養(yǎng)過程從而達(dá)到優(yōu)化控制過程的目的。 3 生化反應(yīng)器3-1 生化反應(yīng)器的特殊要求 結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，內(nèi)壁光滑無死角，盡量減少內(nèi)部構(gòu)件。 盡量少開口，減少閥門、接口和法蘭的數(shù)量。 在操作過程中反應(yīng)器應(yīng)保持一定表壓。 盡可能減少泡沫的產(chǎn)生以提高裝料量。 應(yīng)能保持良好的氣液接觸和液固混和狀態(tài)以及熱量交換能力。3-2 生化反應(yīng)器類型 按幾何外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)：釜(罐)式、管式、塔式、膜式等； 按生物催化劑類型：酶促反應(yīng)器、微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器等； 按反應(yīng)器動(dòng)力輸入方式：機(jī)械攪拌式、氣升式和液體噴射環(huán)流式反應(yīng)器； 按操作方式：間歇式、連續(xù)式和半連續(xù)式生化反應(yīng)器； 按生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：填充床生化反應(yīng)器、流化床生化反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤生化反應(yīng)器、膜生物反應(yīng)器等； 按物料的流動(dòng)和混合狀態(tài)：全混流型生化反應(yīng)器和活塞流型生化反應(yīng)器； 按培養(yǎng)基質(zhì)的物料狀態(tài)：液態(tài)生化反應(yīng)器和固態(tài)生化反應(yīng)器。機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐 高位篩板式發(fā)酵罐 環(huán)流式生