生物反應(yīng)工程復(fù)習(xí)資料

1、ES E P這個(gè)可逆反應(yīng)（3） E S為快ES衡,ES為整E反由勺限速階段，因此ES分解成產(chǎn)物失活作用（不可逆抑制）解之,解不足以破壞這個(gè)平衡穩(wěn)態(tài)法假設(shè)：（1） CS>>CE,中間復(fù)合物 ES的形成不會(huì)降低 CS （2）不考慮雙倒數(shù)法（LinewEear BOurk對米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)得 1 _1_m工得t直線.直線余隔為c s根據(jù)直線斜率和截距可計(jì)算出、-4圖,截尿?yàn)镃sKm 和 rmax抑制劑對酶反應(yīng)的影響: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(jī)理: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)工程是指將實(shí)

2、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。酶的來源：動(dòng)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：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: 游離酶一-一般一次性使用（近來借助于膜分離技術(shù)可實(shí)

3、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(kuò)散過程對反應(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）固定化對酶性質(zhì)的影響：底物專一性的改變 、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)米氏方程非競爭抑制反應(yīng)機(jī)理:多底物均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)機(jī)制:人速平由法相導(dǎo)動(dòng)力凈方W可逆抑制各自的特點(diǎn)：P37強(qiáng)制有序機(jī)制隨即有序機(jī)制A-快速平衡法假設(shè)：（1） CS>>CE,中間復(fù)合物 ES的形成不會(huì)降低 CS （2）不考慮乒乓機(jī)制

4、汪總在工業(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(shí)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?物理因素酶會(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有：加熱、冷卻、機(jī)械力酶失活過程的動(dòng)力學(xué)未反應(yīng)時(shí)的失活動(dòng)力學(xué)表征方法（數(shù)學(xué)模型）：一級失活模型 注：E-具有活性的酶kdE DD-失活的酶kd-衰變常數(shù)模型中：=1時(shí)，底物對酶失活無影響=0時(shí)，酶完全被底物所保護(hù)0V <1時(shí)，底物對酶有部分保護(hù)作用>1時(shí)，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

5、因素：子構(gòu)象的改變、位阻效應(yīng)、微擾效應(yīng)、分配效應(yīng)建立峰生活動(dòng)力學(xué)方程:dCE一 丁 一小起貨,群 G = CeoCXP（R（可用Kp定量描述）、擴(kuò)散效應(yīng)（可定量描述）化學(xué)因素有：酸、堿、鹽、溶劑、表面活性劑、重金屬、蛋白酶。評價(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:按操作方式批式反應(yīng)器（間歇反應(yīng)器）連續(xù)反應(yīng)器批式反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器人間歇反應(yīng)器將底物一次加入反應(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(shí)間變化底物等連續(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隨反應(yīng)時(shí)間變化（穩(wěn)定態(tài)）在一次反應(yīng)的過程中，底物分次補(bǔ)入

6、批式全混型反應(yīng)器（間歇式攪拌罐反應(yīng)器）（ 連續(xù)全混型反應(yīng)器（連續(xù)式攪拌罐反應(yīng)器）（ 活塞流反應(yīng)器（plug flow reactor , PFR）batch stirred-tank reactor , BSTR ) continuous stirred-tank reactor , CSTR )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?；钊饕灰环磻?yīng)器內(nèi)反應(yīng)液象活塞樣的流動(dòng)。通過裝置的液體在垂直于從入口到出口的流向的方向上 的速率完全相同，在流動(dòng)方向上既沒有混合也沒有擴(kuò)散。非均相酶反應(yīng)器底物性質(zhì)反應(yīng)體系粘度PH值范用于由固定化酶催化的

7、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(jì)要考慮：固定化酶更換操作難易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 （一般只適用于實(shí)驗(yàn)室研究，如用于工業(yè)生產(chǎn)，則每批反應(yīng)結(jié)束都要進(jìn)行固液分離）連續(xù)式的CSTR （更適宜與工業(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。缺點(diǎn)：對固定化酶顆粒的強(qiáng)度要求高；液相的連續(xù)流動(dòng)致溫度和PH控制難。優(yōu)點(diǎn)：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(shí)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(diǎn)：流化態(tài)要求流體

8、流速必須提高到一定程度致停留時(shí)間不足、轉(zhuǎn)化率不能足夠高（克服辦法：部分反應(yīng)液回補(bǔ)再循環(huán)）優(yōu)點(diǎn)：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(huì)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┘?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(jī)物等構(gòu)成。物理性質(zhì)：密度：單細(xì)胞微生物的密度會(huì)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：

9、特點(diǎn)：常溫常壓不爆炸、主要原料碳源價(jià)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容易發(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(jì)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二代謝產(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X菌體含碳量 /消耗的碳源量X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(jì)量關(guān)系可

10、表示為CmHnOl + aO2+bNH3 > cC H O N +dCO2+eH2O底物碳源氮源細(xì)胞對c元素：mc （對h元素：n 3 bc對°元素：12ac 2dt對N元素：bc上述4個(gè)細(xì)胞反應(yīng)的計(jì)量方程，不足以計(jì)算a、b、c如在好氧型培養(yǎng)時(shí)，可定義呼吸商（儀器測定）作為第RQ d/ad（1）；2e2（3）（4）, d、e等5個(gè)未知量，因而再尋找 1個(gè)方程5個(gè)方程；（5）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 m解得細(xì)胞反應(yīng)方程的 a、°b、& d、出等2個(gè)b數(shù)n例：某以葡萄糖為底物

11、的微制碳田胞培筋由由背 l 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-01 00d-0C6H12O6+ aNH3+ bO2=cdH2O+eCO2RQ 001 0 e 0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C元素為:1mol葡萄糖所含有的 C元素為72g,根據(jù)題意7mol羸萄糖$48為微生物細(xì)胞的72 g48 24 e 2a 0.86c 0.78212 3a 7.3c 2d6 2b 1.2c d 2e對N元素平衡，有 對H元素平衡，有 對O元素平衡，有 所以：a=

12、 , b=, c=, d = , e=2即：C6H12O6+=0.909C（2）細(xì)胞對底物的得率 YX / S的計(jì)算（3） 呼吸商RQ的計(jì)算呼吸商的計(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：（非平衡生長時(shí),有，按是否對細(xì)胞的生長進(jìn)行平衡生長化假設(shè)，分的類型：結(jié)構(gòu)模型、非結(jié)構(gòu)模型 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）平衡生長條件下微生物細(xì)胞的生長

13、速率rx的定義式為式中X為微生物的濃度，心為微生物的 比生長速率，其除受細(xì)胞自身遺傳信息支配外,所影響。由上式可知，心與倍增時(shí)間 定義，比生長速率為細(xì)胞的生長速率（）；Monod方程(doubling time) td 的關(guān)系為:rXl/h):為X勺質(zhì)量X L)maxKs比生長速率（h-1）最max匕生長速率（ KsF口常數(shù)（g/L ）BS制性底物濃度（還受環(huán)境因素ln2h-1)g/L)0.693tdtd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，將其分成三種類型。相關(guān)模型，是指產(chǎn)物生成與細(xì)胞生長呈相關(guān)的過程。產(chǎn)物是細(xì)胞能量代謝的結(jié)果。此時(shí)產(chǎn)物通常是基質(zhì) 的分解代謝產(chǎn)物。例如

14、：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)胞生長期 內(nèi)，基本無產(chǎn)物生成。屬于這類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)胞的生長無直接關(guān)系。在微生物生長階段，無產(chǎn)物積累，當(dāng)細(xì)胞停止生 長，產(chǎn)物卻大量生成。屬于這類的有青霉素等二級代謝產(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 operation ):又 稱流加操作，是指先將一定量基質(zhì)加入

15、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)開始，反應(yīng)過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。連續(xù)式操作(continuous operation)

16、: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。(環(huán)境過程的狀態(tài)方程式)可表示為:分批式培養(yǎng)過程的狀態(tài)方程式基質(zhì)：基質(zhì)(底物)消耗速率VSCX%qs基質(zhì)(底物)比消耗速率菌體：dX/dt=心X產(chǎn)物：產(chǎn)物的生成速率產(chǎn)物的比生成速率 流加操作的2種方式：無反饋和有反叫有件木點(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)操作有兩大類型，即 CSTR (continuous stirred tank reactor )型

17、和 CPFR(continuous plug flow tulularreactor)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)胞的生長速率與恒定流量相適應(yīng)的方法。恒濁器法是指預(yù)先規(guī)定細(xì)胞濃度，通過基質(zhì)流量控制，以適應(yīng)細(xì)胞的既定濃度的方法。營養(yǎng)物恒定法是指通過流加一定成分，使培養(yǎng)基中的營養(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 =

18、 ViiX- FX dtF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=FiSt -S）-l SX S為反應(yīng)器內(nèi)和流出液中限制性底物濃度 其余符號同前。DPD稱為稀釋率:產(chǎn)物：廠=廠龍F(tuán)P物質(zhì)傳遞以液相濃度為基準(zhǔn)可得由L/h,mol/L ,mol/L ,F /VkL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;H為亨利常數(shù)；氣液界面附近氧傳遞的雙膜理論模型KL為以液膜為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)。影響物質(zhì)傳遞的因素？如何提高氧的傳質(zhì)速率？營養(yǎng)通過細(xì)胞膜的傳遞形式有：被動(dòng)傳遞、主動(dòng)傳遞、促

19、進(jìn)傳遞體積傳質(zhì)系數(shù)的測定方法：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，其規(guī)模放大仍然存在許多問題，在很大程度上還需要逐級放 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)量傳遞、動(dòng)量傳遞和熱量傳遞問題，使在反應(yīng)器放大過程中盡可能維持生物細(xì)胞 的生長速率、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、心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 a相同的原則放大；6攪拌功率的放大（n）;9

20、以單位體積液體消耗功7以流體雷諾數(shù)相同的原則放大；8以攪拌槳葉尖速度相同的原則放大;率P/V相等的原則放大。幾何尺寸的放大（Di）D 反應(yīng)器直徑通氣量的放大（Q/V、心s）D2Di2Di Di D-攪拌器直徑V反應(yīng)器的裝料容積知：大罐的Q要比小罐的小得多以KL a相同的原則放大KLaHl經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)數(shù)的整理，可把Q與KLa關(guān)聯(lián)如下:注： KLa 體積溶氧系數(shù)（1/h）通風(fēng)量（m3/min、或 vvm）V 發(fā)酵液體積（m3）HL 發(fā)酵液深度（m）醒：實(shí)際反應(yīng)體系 KLa的關(guān)聯(lián)式具有隨反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和發(fā)酵體系的多變性攪拌功率的放大（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，放大問題就只是選擇攪拌轉(zhuǎn)速問題（以流體雷諾數(shù)相同的原則放大）I2細(xì)胞反應(yīng)器中，此方法很少采用Re L n Di得：L以攪拌槳葉尖速度（即剪切力）相同的原則放大如果在小型設(shè)備中攪拌器所產(chǎn)生的最大剪切力已接近微生物的剪應(yīng)力極限，這時(shí)就必須按攪拌器末端線速度相等來進(jìn)行放大這在利用絲狀菌（霉菌、放線菌）進(jìn)行的發(fā)酵過程