生物反應(yīng)工程復(fù)習(xí)資料

1、知知識(shí)是人類(lèi)進(jìn)步的階梯生物反應(yīng)工程原理復(fù)習(xí)資料生物反應(yīng)過(guò)程與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的本質(zhì)區(qū)別在于有生物催化劑參與反應(yīng)。生物反應(yīng)工程是指將實(shí)驗(yàn)室的成果經(jīng)放大而成為可提供工業(yè)化生產(chǎn)的工藝工程。酶和酶的反應(yīng)特征酶是一種生物催化劑，具有蛋白質(zhì)的一切屬性；具有催化劑的所有特征；具有其特有的催化特征。酶的來(lái)源：動(dòng)物、植物和微生物酶的分類(lèi)：氧化還原酶、水解酶、裂合酶、轉(zhuǎn)移酶、連接酶和異構(gòu)酶酶的性質(zhì)：1）催化共性：降低反應(yīng)的活化能加快反應(yīng)速率不能改變反應(yīng)的平衡常數(shù)。2）催化特性：較高的催化效率很強(qiáng)的專(zhuān)一性 溫和的反應(yīng)條件易變性和失活3）調(diào)節(jié)功能：濃度、激素、共價(jià)修飾、抑制劑、反饋調(diào)節(jié)等固定化酶的性質(zhì)固定化酶：在一定空間

2、呈封閉狀態(tài)的酶，能夠進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)后可以回收利用。與游離酶的區(qū)別：游離酶-一般一次性使用（近來(lái)借助于膜分離技術(shù)可實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用）固定化酶-能長(zhǎng)期、連續(xù)使用（底物產(chǎn)物的擴(kuò)散過(guò)程對(duì)反應(yīng)速率有一定的影響;一般情況下穩(wěn)定性有所提高；以離子鍵、物理吸附、疏水結(jié)合等法固定的酶在活性降低后，可添加新鮮酶溶液，使有活性的酶再次固定，再生活性）固定化對(duì)酶性質(zhì)的影響：底物專(zhuān)一性的改變 、穩(wěn)定性增強(qiáng)、最適pH值和最適溫度變化、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化單底物均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)米氏方程kik2E S ESk 1快速平衡法假設(shè): 這個(gè)可逆反應(yīng)（1） CSCE,中間復(fù)合物ES的形成不會(huì)降低 CS （2）不考慮3） E S 會(huì)速平衡

3、,ES 若整午反應(yīng)的限速階段，因此 破壞這個(gè)平衡ES E PES分解成產(chǎn)物不足以ES E P ES E P 這個(gè)可逆ES濃度保持衡定，即穩(wěn)態(tài)法假設(shè)：（1） CSCE,中間復(fù)合物 ES的形成不會(huì)降低 CS （2）不考慮反應(yīng)（3）中間復(fù)合物ES一經(jīng)分解，產(chǎn)生的游離酶立即與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物dCESES 0IILLAT雙倒數(shù)法（Linewear Burk對(duì)米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)得 11& 1rrmaxrmax C S得一直線，直線斜率為以1工作圖r csKm-1，截距為rmaxrmax根據(jù)直線斜率和截距可計(jì)算出Km和rmax抑制劑對(duì)酶反應(yīng)的影響:失活作用（不可逆抑制）抑制作用（可逆抑制 競(jìng)爭(zhēng)抑制反應(yīng)

4、機(jī)理：k1k 2E S ES Ek 1KiE I EI）:競(jìng)爭(zhēng)抑制、反競(jìng)爭(zhēng)抑制、非競(jìng)爭(zhēng)抑制、混合型抑制快速平陽(yáng)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方也穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程式中:寸九速平4*i寸九速平4*i法始字動(dòng)力學(xué)齒建CF(t = c I C . + Cr EJr AJi J非競(jìng)爭(zhēng)抑制反應(yīng)機(jī)理：k1k2E S ES E Pk 1KiE I EI Ki ES I ESI可逆抑制各自的特點(diǎn)：P37冷卻、機(jī)械力 化學(xué)因素有：酸、堿、鹽、溶劑、表面活性劑、 酶失活過(guò)程的動(dòng)力學(xué)未反應(yīng)時(shí)的失活動(dòng)力學(xué)Lkd表征方法（數(shù)學(xué)模型）：一級(jí)失活卞II型E D注：E-具有活性的酶可逆抑制各自的特點(diǎn)：P37冷卻、機(jī)械力 化學(xué)因素有：酸、堿、

5、鹽、溶劑、表面活性劑、 酶失活過(guò)程的動(dòng)力學(xué)未反應(yīng)時(shí)的失活動(dòng)力學(xué)Lkd表征方法（數(shù)學(xué)模型）：一級(jí)失活卞II型E D注：E-具有活性的酶D-失活的酶kd-衰艾常數(shù)幾個(gè)視K 7：,賓羹帶般：重金屬、蛋白酶。建立前失活動(dòng)力學(xué)方程：_dC_kC dt*/捋 C代=e）（反應(yīng)時(shí)的失活動(dòng)力學(xué)&征方法數(shù)學(xué)/空）.。：小盤(pán)輒當(dāng) =E -h S o 1坨十eMdIn 2%也立驗(yàn)失活動(dòng)力方崔聯(lián)或求解，得學(xué)方槍_ k超瞑心品）%瞑溫出一”江前亦力dr drr中一%。小空二礦工廠如斗 at.f -f +式+； a* :、刖T霹SKk +5C.Ar +Cs.競(jìng)爭(zhēng)抑制非競(jìng)爭(zhēng)抑制競(jìng)爭(zhēng)抑制 超競(jìng)爭(zhēng)抑制r九 C瓦方i C, tK

6、 J+cT（T+cTTaTka c3多底物均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況A B P Q ）J強(qiáng)制有序機(jī)制/順序機(jī)制j西-錢(qián)氏機(jī)制雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)機(jī)制：jL隨即有序機(jī)制乒乓機(jī)制注思在工業(yè)級(jí)反應(yīng)中，反應(yīng)速度一般是由改變所用 酶濃度和（或）反應(yīng)時(shí)間，而不是改變底物濃度來(lái)控制的，并且要測(cè)定的最重要參數(shù)是可測(cè)的轉(zhuǎn)化率，而不是反應(yīng)速度酶失活的因素有哪些？酶會(huì)由于種種因素發(fā)生失活。其中熱失活最重要。酶的熱失活隨溫度升高而失活程度加劇。物理因素有：加熱、模型中：=1時(shí)，底物對(duì)酶失活無(wú)影響=0時(shí)，酶完全被底物所保護(hù)0 1時(shí)，底物加速酶的失活因此，稱(chēng) 為底物對(duì)酶穩(wěn)定性影響系數(shù)影響固定化酶促反應(yīng)的主要

7、因素：子構(gòu)象的改變、位阻效應(yīng)、微擾效應(yīng)、分配效應(yīng)（可用Kp定量描述）、擴(kuò)散效應(yīng)（可定量描述）評(píng)價(jià)酶反應(yīng)器指標(biāo)：轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、選擇性、停留時(shí)間均相酶反應(yīng)器的分類(lèi)：均相反應(yīng)器（理想反應(yīng)器 按反閾體系混合狀態(tài)I非均相反應(yīng)學(xué)生物團(tuán)塊（包拈細(xì)胞r絮狀物，菌整體）反應(yīng)同按催化劑在反拽J器的分布方式生物膜反應(yīng)器幾式反應(yīng)器（間歇反應(yīng)器）按操作方式連續(xù)反應(yīng)器看間歇反應(yīng)器批式反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器批式反應(yīng)器 cC H O N +dCO2+eH2O底物碳源氮源細(xì)胞 TOC o 1-5 h z 對(duì)c元素：m cd（i）對(duì)h元素：n 3 b c 2e對(duì)。元素：12a c 2d e（3）對(duì)N元素：b c（4）上述4個(gè)細(xì)胞反應(yīng)的

8、計(jì)量方程，不足以計(jì)算a、b、c、d、e等5個(gè)未知量，因而再尋找 1個(gè)方程如在好氧型培養(yǎng)時(shí)，可定義呼吸商（儀器測(cè)定）作為第5個(gè)方程； HYPERLINK l bookmark2 o Current Document RQ d/a或采用還原度平衡的方法（C=4, H=1,N=-3 , O=-2, P=5, S=6)聯(lián)立15式，有0010a m030 2b n202 1c l0100d0RQ0010e0解得細(xì)胞反應(yīng)方程的a、b、c、d、e等5個(gè)系數(shù)例：某以葡萄糖為底物的微生物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程，有2/3例：某以葡萄糖為底物的微生物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程，有2/3的碳轉(zhuǎn)化為細(xì)胞。其細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)方程為C6H12O6+

9、aNH3+ bO2= cC4.4H7.3O1.2N0.86+ dH2O+ eCO2葡萄糖微生物細(xì)胞C6H12O6+aNH3+ bO2= cC4.4H7.3O1.2N0.86+ dH2O+ eCO2葡萄糖微生物細(xì)胞(1)試確定計(jì)量系數(shù) a、b、c、d、e;(2)試計(jì)算其細(xì)胞對(duì)底物的得率YX / S(3)試計(jì)算呼吸商RQ。解：(1)細(xì)胞反應(yīng)的方程式系數(shù)的計(jì)算1mol葡萄糖所含有的C48gc 0.9094.4 12則有：轉(zhuǎn)化為 CO2的1mol葡萄糖所含有的C48gc 0.9094.4 12則有：轉(zhuǎn)化為 CO2的C元素為:元素為根據(jù)題意48ol葡萄糖轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞的C元素為：72 4& 24則:2

10、4 12e對(duì)N元素平衡, 對(duì)H元素平衡,有:有:a12e0.86c3a2 0.7827.3c2d7.3 c21230.7827 .30.9097.3 c21230.7827 .30.90923.855對(duì)O元素平衡,有:1.2c6 2bd 2e 61.2c d 2e所以:a= 0.782 ,即:21.2 0.909 3.85521.473b=1.473 , c= 0.909, d=3.855 , e=2C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2細(xì)胞對(duì)底物的得率 YX / S的計(jì)算0.909(4.4 12 7.3 1

11、1.2 16 0.86 14)10.909 91.341對(duì)O元素平衡,有:1.2c6 2bd 2e 61.2c d 2e所以:a= 0.782 ,即:21.2 0.909 3.85521.473b=1.473 , c= 0.909, d=3.855 , e=2C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2細(xì)胞對(duì)底物的得率 YX / S的計(jì)算0.909(4.4 12 7.3 1 1.2 16 0.86 14)10.909 91.34183.02818083.028g細(xì)胞/mol葡萄糖0.461g細(xì)胞/g葡萄糖呼吸商RQ的

12、計(jì)算RQCO2的生成速率O2的消耗速率e 2 1.358b 1.473呼吸商的計(jì)算比消耗速率比生成速率微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的分類(lèi)：有，按是否對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)進(jìn)行平衡生長(zhǎng)化假設(shè),分的類(lèi)型：結(jié)構(gòu)模型、非結(jié)構(gòu)模型（非平衡生長(zhǎng)時(shí)，采用結(jié)構(gòu) 模型）有，按是否考慮細(xì)胞群體中的個(gè)體的隨機(jī)（即時(shí)）變化，分的類(lèi)型：隨機(jī)性模型、確定性模型（當(dāng)細(xì)胞濃度在 104個(gè)/ml以下時(shí)，需足夠重視個(gè)體的影響，采用隨機(jī)性模型如，滅菌動(dòng)力學(xué)；發(fā)酵過(guò)程中，細(xì)胞濃度經(jīng)常在 1071010個(gè)/ml范圍內(nèi)，可忽略個(gè)體的影響，采用確定性模型）平衡生長(zhǎng)條件下微生物細(xì)胞的dXXdt式中平衡生長(zhǎng)條件下微生物細(xì)胞的dXXdt式中X為微生物的濃度， 由

13、上式可知，科與倍增時(shí)間 定義，比生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)速率rx的定義式為科為微生物的比生長(zhǎng)速率，其除受細(xì)胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素所影響。rX為細(xì)胞的生長(zhǎng)速率（(doubling time) td 的關(guān)系為：rX (1/h):Xg.DCW/L.h );pXp的質(zhì)量濃度(g.DCW/L )In 2 0.693ITmaxKsmaxKs SMonod方程注： 比生長(zhǎng)速率（h-1）mat大比生長(zhǎng)速率（h-1） 一K-飽和常數(shù)（g/L ）S限制性底物濃度（g/L）代謝產(chǎn)物的生成動(dòng)力學(xué)根據(jù)產(chǎn)物生成速率與細(xì)胞生成速率之間的關(guān)系，將其分成三種類(lèi)型。相關(guān)模型，是指產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長(zhǎng)呈相關(guān)的過(guò)程。產(chǎn)物是細(xì)胞能量代謝

14、的結(jié)果。此時(shí)產(chǎn)物通常是基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物。例如：乙醇、葡萄糖酸等。部分相關(guān)模型，反應(yīng)產(chǎn)物生成與基質(zhì)消耗僅有間接的關(guān)系。產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。在細(xì)胞生長(zhǎng)期內(nèi)，基本 無(wú)產(chǎn)物生成。屬于這類(lèi)的有檸檬酸和氨基酸的生產(chǎn)等。非相關(guān)模型，產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)無(wú)直接關(guān)系。在微生物生長(zhǎng)階段，無(wú)產(chǎn)物積累，當(dāng)細(xì)胞停止生長(zhǎng)，產(chǎn)物卻 大量生成。屬于這類(lèi)的有青霉素等二級(jí)代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。微生物反應(yīng)器操作深層培養(yǎng)的幾種方式：分批式操作 （batch operation）:是指基 質(zhì)一次性加入反應(yīng)器內(nèi)，在適宜條件下將微 生物菌種接入，反應(yīng)完成后將全部反應(yīng)物料 取出的操作方式半分批式操作 （ semi-batch opera

15、tion ）: 又 稱(chēng)流加操作，是指先將一定量基質(zhì)加入反應(yīng)器 內(nèi)，在適宜條件下將微生物菌種接入反應(yīng)器中， 反應(yīng)開(kāi)始，反應(yīng)過(guò)程中將特定的限制性基質(zhì)按 照一定要求加入到反應(yīng)器內(nèi)，以控制限制性基 質(zhì)保持一定，當(dāng)反應(yīng)終止時(shí)取出反應(yīng)物料的操 作方式 。反復(fù)分批式操作 （ repeated batch operation）:指分批操作完成后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照分批式操作方式，反復(fù) 進(jìn)行。反復(fù)半分批式操作（repeated semi-batch operation）：是指流加操作完成后，不全部取出反應(yīng)物料，剩余部分重新加入一定量的基質(zhì)，再按照流加操作方式進(jìn)行，反復(fù)進(jìn)行。

16、連續(xù)式操作（continuous operation）:是指在分批式操作進(jìn)行到一定階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷地加入 反應(yīng)器內(nèi)，另一方面又把反應(yīng)物料連續(xù)不斷的取出，使反應(yīng)條件（如反應(yīng)液體積等）不隨時(shí)間變化的操 作方式。分批式培養(yǎng)過(guò)程的狀態(tài)方程式基質(zhì)：基質(zhì)（底物）消耗速率基質(zhì)（底物）比消耗速率菌體：dX/dt=（1X產(chǎn)物：產(chǎn)物的生成速率分批式培養(yǎng)過(guò)程的狀態(tài)方程式基質(zhì)：基質(zhì)（底物）消耗速率基質(zhì)（底物）比消耗速率菌體：dX/dt=（1X產(chǎn)物：產(chǎn)物的生成速率產(chǎn)物的比生成速率（環(huán)境過(guò)程的狀態(tài)方程式）可表示為:VSV/Yx-SrSVVSCxrsxqsrPqp rPxYp s rsYp s qs流加操作的2種

17、方式：無(wú)反饋和有反饋各有什么特點(diǎn)?前者包括定流量流加、指數(shù)流加和反饋控制流加操作等。后者分間接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操作。連續(xù)操作有兩大類(lèi)型，即 CSTR （continuous stirred tank reactor）型和 CPFR（continuous plug flow tulular reactor ）型。根據(jù)達(dá)成穩(wěn)定狀態(tài)的方法不同，CSTR型連續(xù)操作，大致可分為三種。一是恒化器法（chemostat）,二是恒濁器法（第三是營(yíng)養(yǎng)物恒定法）。各有什么特點(diǎn)？恒化器法 是指在連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中，基質(zhì)流加速度恒定，以調(diào)節(jié)微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率與恒定流量相適應(yīng)的方法。恒濁器法是指預(yù)

18、先規(guī)定細(xì)胞濃度，通過(guò)基質(zhì)流量控制，以適應(yīng)細(xì)胞的既定濃度的方法。營(yíng)養(yǎng)物恒定法是指通過(guò)流加一定成分，使培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分恒定的方法。實(shí)際應(yīng)用中多采用恒化器法。（注意:恒化培養(yǎng)的沖出現(xiàn)象）（恒化器法連續(xù)）變化量=流入量+生成量-流出量微生物菌體工V-VftX-FXdt 基質(zhì)：=標(biāo)atdP產(chǎn)物：V二F疝-FPdtF為反應(yīng)液流入與流出速度V為反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液的體積微生物菌體工V-VftX-FXdt 基質(zhì)：=標(biāo)atdP產(chǎn)物：V二F疝-FPdtF為反應(yīng)液流入與流出速度V為反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液的體積L,Sin為流入液中限制性底物的濃度 為反應(yīng)器內(nèi)和流出液中限制性底物濃度其余符號(hào)同前。D稱(chēng)為稀釋率:D F/V物質(zhì)傳遞L

19、/h,mol/L , mol/L ,以液相濃度為基準(zhǔn)可得下式：推動(dòng)力 Ci C C CiN i阻力1.kL1kG1 kL H kGKl(CC)kL為液膜傳質(zhì)系數(shù)；kG為氣膜傳質(zhì)系數(shù)；Ci為氣液界面上的平衡濃度；C為反應(yīng)液主流中氧的濃度；C*為與氣相氧分壓相平衡的氧濃度; U氣加1界面H為亨利常數(shù)；H為亨利常數(shù)；KL為以液膜為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)。氣液界面附近氧傳遞的雙膜理論模型影響物質(zhì)傳遞的因素?如何提高氧的傳質(zhì)速率?營(yíng)養(yǎng)通過(guò)細(xì)胞膜的傳遞形式有：被動(dòng)傳遞、主動(dòng)傳遞、促進(jìn)傳遞穩(wěn)態(tài)法）體積傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定方法：亞硫酸鹽法、溶氧電極法（包括動(dòng)態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法）生物反應(yīng)器的放大放大原則：即使是最常用的通氣攪拌罐

20、，其規(guī)模放大仍然存在許多問(wèn)題，在很大程度上還需要逐級(jí)放大數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,總結(jié)生物反應(yīng)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律及影響因素，重點(diǎn)研究解決質(zhì)量傳際經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,遞、動(dòng)量傳遞和熱量傳遞問(wèn)題，使在反應(yīng)器放大過(guò)程中盡可能維持生物細(xì)胞的生長(zhǎng)速率、代謝產(chǎn)物的生成速率細(xì)胞反應(yīng)器放大的具體方法：1幾何尺寸的放大（Di）; 2通氣量的放大（Q/V、s）; 3以單位體積的通氣量相同的原則放大；4以通氣線速度相同的原則放大；5以KL “相同的原則放大;體雷諾數(shù)相同的原則放大; 原則放大。8以攪拌槳葉尖速度相同的原則放大;6攪拌功率的放大（；4以通氣線速度相同的原則放大；

21、5以KL “相同的原則放大;體雷諾數(shù)相同的原則放大; 原則放大。8以攪拌槳葉尖速度相同的原則放大;6攪拌功率的放大（n）;9以單位體積液體消耗功率7以流P/V相等的幾何尺寸的放大（Di）D2DD通氣量的放大（反應(yīng)器直徑Q/V、s s)23H L1H L21Di2V2 3DV1Di 攪拌器直徑反應(yīng)器的裝料容積2D 3Di1Di2知：大罐的Q要比小罐的小得多以KL “相同的原則放大經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)數(shù)的整理，可把KLa體積溶氧系數(shù)（Q與KLa關(guān)聯(lián)如下:1/h）KLaHlQ-以KL “相同的原則放大經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)數(shù)的整理，可把KLa體積溶氧系數(shù)（Q與KLa關(guān)聯(lián)如下:1/h）KLaHlQ-V-HL通風(fēng)

22、量（m3/min、或vvm）發(fā)酵液體積（發(fā)酵液深度（m3)m)1KLa 2H L2KLa 1HLi醒：實(shí)際反應(yīng)體系攪拌功率的放大（KLa的關(guān)聯(lián)式具有隨反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和發(fā)酵體系的多變性n）攪拌功率的放大實(shí)際上是 n和Di的放大。若幾何相似，則 Di 一定，放大問(wèn)題就只是選擇攪拌轉(zhuǎn)速n的問(wèn)題P/VP/V恒定的方法進(jìn)行的，這種方法應(yīng)用得非常成功湍流 P n3 DiP/VP/V恒定的方法進(jìn)行的，這種方法應(yīng)用得非常成功湍流 P n3 Di5則：Pn3 Di2V重點(diǎn)一由幾何放大%:Dii通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備（了解，自己看一下方面）n2niDiiDi223（以流體雷諾數(shù)相同的原則放大） TOC o 1-5 h z L2細(xì)胞反應(yīng)器中，此方法很少采用Re n Di2L2Ren9 D： 91 一2 一0小n2DiiReini Di2k丁以攪拌槳葉