生物反應(yīng)工程復(fù)習(xí)資料

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生物反應(yīng)工程原理復(fù)習(xí)資料

生物反應(yīng)過程與化學(xué)反應(yīng)過程的本質(zhì)區(qū)別在于有生物催化劑參與反應(yīng)。

生物反應(yīng)工程是指將試驗室的成果經(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。酶的來源：動物、植物和微生物

酶的分類：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：①降低反應(yīng)的活化能②加快反應(yīng)速率③不能改變反應(yīng)的平衡常數(shù)。2)催化特性：①較高的催化效率②很強的專一性③溫柔的反應(yīng)條件易變性和失活3）調(diào)理功能：濃度、激素、共價修飾、抑制劑、反饋調(diào)理等

固定化酶的性質(zhì)

固定化酶：在一定空間呈封閉狀態(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（近來借助于膜分開技術(shù)可實現(xiàn)反復(fù)使用）

固定化酶--能長期、連續(xù)使用（底物產(chǎn)物的擴散過程對反應(yīng)速率有一定的影響；一般狀況下穩(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）

固定化對酶性質(zhì)的影響：底物專一性的改變、穩(wěn)定性加強、最適pH值和最適溫度變化、動力學(xué)參數(shù)的變化

單底物均相酶反應(yīng)動力學(xué)

米氏方程

kk

E?S?ES?E?PkES?E?P快速平衡法假設(shè)：（1）CS>>CE，中間復(fù)合物ES的形成不會降低CS（2）不考慮

ESESE?P這個可逆反應(yīng)（3）E?S?為快速平衡，?為整個反應(yīng)的限速階段，因此ES分解成產(chǎn)物不足以

破壞這個平衡

ES?E?P這個可逆穩(wěn)態(tài)法假設(shè)：（1）CS>>CE，中間復(fù)合物ES的形成不會降低CS（2）不考慮

反應(yīng)（3）中間復(fù)合物ES一經(jīng)分解，產(chǎn)生的游離酶馬上與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物ES濃度保持衡定，即

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雙倒數(shù)法（LinewearBurk）：對米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)

得11K11m1以~

??作圖

rrrrCmaxmaxCSS得一直線，直線斜率為Km，截距為1

rmaxrmax根據(jù)直線斜率和截距可計算出Km和rmax

抑制劑對酶反應(yīng)的影響：

失活作用（不可逆抑制）抑制作用（可逆抑制）：競爭抑制、反競爭抑制、非競爭抑制、混合型抑制競爭抑制反應(yīng)機理：k1k2E?S?ES?E?P

k?1

KIE?I?EI

非競爭抑制反應(yīng)機理：

k1k2E?S?ES?E?Pk?1KIE?I?EI

KIES?I?ESI

2

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可逆抑制各自的特點：P37

A?B?P?Q多底物均相酶反應(yīng)動力學(xué)(這里探討：雙底物雙產(chǎn)物狀況)

強制有序機制順序機制西-錢氏機制雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)機制：隨即有序機制

乒乓機制

注意

在工業(yè)級反應(yīng)中，反應(yīng)速度一般是由改變所用酶濃度和（或）反應(yīng)時間，而不是改變底物濃度來控制的，并且要測定的最重要參數(shù)是可測的轉(zhuǎn)化率，而不是反應(yīng)速度

酶失活的因素有哪些？

酶會由于種種因素發(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、冷卻、機械力化學(xué)因素有：酸、堿、鹽、溶劑、表面活性劑、重金屬、蛋白酶。酶失活過程的動力學(xué)

未反應(yīng)時的失活動力學(xué)k表征方法（數(shù)學(xué)模型）：一級失活模型E?D注:E--具有活性的酶D--失活的酶kd--衰變常數(shù)

模型中：

?＝1時，底物對酶失活無影響?＝0時，酶完全被底物所保護(hù)

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01時，底物加速酶的失活

因此，稱?為底物對酶穩(wěn)定性影響系數(shù)

影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素:

子構(gòu)象的改變、位阻效應(yīng)、微擾效應(yīng)、分派效應(yīng)（可用Kp定量描述）、擴散效應(yīng)（可定量描述）評價酶反應(yīng)器指標(biāo)：轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、選擇性、停留時間均相酶反應(yīng)器的分類：

批式反應(yīng)器（間歇反應(yīng)器）

按操作方式連續(xù)反應(yīng)器半間歇反應(yīng)器

批式反應(yīng)器將底物一次參與反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)的過程中無底物和產(chǎn)物的輸入和輸出，底物和產(chǎn)物的濃度隨反應(yīng)時間變化

連續(xù)反應(yīng)器底物等連續(xù)輸入反應(yīng)器，產(chǎn)物連續(xù)從反應(yīng)器輸出，反應(yīng)器的任何部位的各組分均不隨反應(yīng)時間變化（穩(wěn)定態(tài)）

半連續(xù)反應(yīng)器在一次反應(yīng)的過程中，底物分次補入

批式全混型反應(yīng)器（間歇式攪拌罐反應(yīng)器）（batchstirred-tankreactor，BSTR）連續(xù)全混型反應(yīng)器（連續(xù)式攪拌罐反應(yīng)器）（continuousstirred-tankreactor，CSTR）活塞流反應(yīng)器（plugflowreactor，PFR）全混流——流入的液體在裝置內(nèi)瞬間完全混合。也就是說，各組分的濃度及粒子的分散無論在什么地方都完全相

同。

活塞流——反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)液象活塞樣的滾動。通過裝置的液體在垂直于從入口到出口的流向的方向上的速率完全一致，在滾動方向上既沒有混合也沒有擴散。

非均相酶反應(yīng)器

用于由固定化酶催化的非均相反應(yīng)的反應(yīng)器

非均相酶反應(yīng)器的類型及結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮：固定化酶更換操作難易底物性質(zhì)反應(yīng)體系粘度PH值范圍控制等因素

非均相酶反應(yīng)器有：攪拌罐反應(yīng)器

可以是：批式的BSTR（一般只適用于試驗室研究，如用于工業(yè)生產(chǎn)，則每批反應(yīng)終止都要進(jìn)行固液分開）

連續(xù)式的CSTR（更適合與工業(yè)生產(chǎn)，但應(yīng)在出口處設(shè)置過濾器防止固定化酶顆粒的流失）

固定床反應(yīng)器是最廣泛適用的固定化酶反應(yīng)器。

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缺點：對固定化酶顆粒的強度要求高；液相的連續(xù)滾動致溫度和PH控制難。優(yōu)點：連續(xù)操作、負(fù)載力大、效率高、生產(chǎn)能力大等

操作：液相的流速和Re數(shù)都采用較小值、延長停留時間將有利于達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率流化床反應(yīng)器流化流速范圍窄，不易工業(yè)應(yīng)用。

缺點：流化態(tài)要求流體流速必需提高到一定程度致停留時間不足、轉(zhuǎn)化率不能足夠高（戰(zhàn)勝方法：部分反應(yīng)液回補再循環(huán)）

優(yōu)點：1液相和固相的微環(huán)境較易控制2傳熱、傳質(zhì)性能好3不會堵塞4能處理微小粉末狀底物5固定化酶顆?？梢宰龅米銐蛐。梢宰銐蚋撸?/p>

細(xì)胞反應(yīng)工程

細(xì)胞的基本特征：

菌體成分：由80%左右的水分，以及蛋白質(zhì)、糖、脂類、核酸、維生素和無機物等構(gòu)成。

物理性質(zhì)：

密度：單細(xì)胞微生物的密度會因培養(yǎng)條件而異；菌體絮凝物及菌絲團(tuán)的濕密度近似于水（流化速率低）；低濃度單細(xì)胞菌體懸浮液為牛頓流體；一般，含菌絲的培養(yǎng)液顯示非牛頓流體特性；分泌了大量高分子化合物的菌體懸浮液為非牛頓流體（非牛頓流體的攪拌和通氣效果很差）微生物反應(yīng)的特征：

特點：常溫常壓不爆炸、主要原料碳源價廉源廣、反應(yīng)過程受生物的自控、產(chǎn)高分子和特異反應(yīng)易進(jìn)行、細(xì)胞本身也是產(chǎn)品、遺傳改變可大幅度改良性能或獲得新性能

但是：1底物相當(dāng)多地用于繁殖；2副產(chǎn)物較多、反應(yīng)條件影響產(chǎn)品品質(zhì)；

3簡單發(fā)生遺傳變異，有利于維持性能穩(wěn)定的固定化技術(shù)不成熟

細(xì)胞反應(yīng)的計量

得率系數(shù)

細(xì)胞（菌體）得率：

YX/S=生成菌體的干重/消耗底物的質(zhì)量=微生物生長速率/底物消耗速率產(chǎn)物得率：YP/S=代謝產(chǎn)物的生成量/底物消耗量碳得率（碳轉(zhuǎn)化率）：

YC=生成物含碳量/消耗的碳量=生成的菌體量×菌體含碳量/消耗的碳源量×碳源的含碳量細(xì)胞反應(yīng)的化學(xué)平衡通式

對忽略產(chǎn)物生成的細(xì)胞生長過程的計量關(guān)系可表示為

CmHnOl+aO2+bNH3cC?H?O?N?+dCO2+eH2O底物碳源氮源細(xì)胞對C元素：m???c?d（1）

??對H元素：n3?b???c2e（2）

對O元素：l?2a???c?2d?e（3）對N元素：b???c（4）

上述4個細(xì)胞反應(yīng)的計量方程，不足以計算a、b、c、d、e等5個未知量，因而再尋覓1個方程如在好氧型培養(yǎng)時，可定義呼吸商（儀器測定）作為第5個方程；RQ?d/a（5）或采用還原度平衡的方法（C=4，H=1，N=-3，O=-2，P=5，S=6）

00?10??a??m?聯(lián)立1～5式，有???????0?