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生物反应工程 绪论酶促反应动力学微生物反应动力学动植物细胞培养动力学生物反应器 生物反应工程研究目的 生物反应过程研究的目的是提供适宜的动力学速率方程 以描述微生物 或酶 动植物等 反应体系 确定这些方程在设计方面的用途 规划实验室的实验 决定动力学方程所需的速率常数 生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应 一般生物反应过程示意图 酶 定义 酶是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂根据酶进行催化反应的类型 可将酶分为6类 即氧化还原酶 转移酶 水解酶 裂合酶 导构酶和合成 或连接 酶 酶的特点 酶作为催化剂的共性 1 降低反应的活化能 2 酶可以加快反应速率 3 不能改变反应的平衡常数 只能加快反应达到平衡的速度酶的生物催化特性 1 酶有很强的专一性 2 较高的催化效率酶不单单是生物催化剂 而且具有调节功能 底物专一性 一种酶仅能作用于一种底物酶的反应专一性 对于一定的体系 从热力学上看可能有多种反应进行 一种酶仅能催化其中一种反应酶的立体专一性 一种酶仅能作用于多种立体异构体中的一种 酶的稳定性 引起酶失活的原因 1 酶活性中心特定氨基酸 或其他 残基被化学修饰 2 外部环境的影响 酶活性中心出现空间障碍 使其不能与底物相结合 3 酶的高级结构发生变化 相对而言是一种宏观变化 4 多肽链的断裂 可以说是一种 激烈的分解作用 确保酶活力稳定的主要方法 酶的固定化技术 酶的固定化技术就是将水溶性酶分子通过一定的方式 如静电吸附 共价键等与载体 如角叉菜胶 离子交换树脂等材料结合 制成固相酶 即固定化酶的技术 酶或多酶复合体系固定化后引起酶性质改变的原因 一是 酶自身的变化 活性中心的氨基酸残基 空间结构和电荷状态发生了变化 二是 载体理化性质的影响 固定化酶的周围形成了能对底物传递产生影响的扩散层或静电的相互作用等 固定化后酶性质发生变化主要表现 1 底物专一性的改变由于形成立体障碍 高分子底物难以接近固定化后的酶分子 使酶的底物特异性发生变化 2 稳定性增强 般地 固定化酶比游离酶的稳定性好 主要表现在热稳定性 保存和使用稳定性的增加 另外 对蛋白酶的抵抗性和对变性剂的耐受性也增强了 3 最适PH和最适温度的变化 4 动力学常数的变化 酶和细胞的固定化技术 酶和细胞 微生物或创植物细胞 的固定化方法有很多 不可能找到一种对任何生物体都适用的方法 酶和细胞的固定化方法可分为载体结合法 交联法和包埋法 这几种方法也可并用 称为混合法 载体结合法是将酶或细胞利用共价键或离子键 物理吸附等方法结合于水不溶载体 如纤维素 琼脂糖等多糖类或多孔玻璃 离子交换树脂等上的一种固定化方法 根据结合形式不同 又分为物理吸附法 离子结合法和共价键结合法等 交联法是利用双功能试剂的作用 在酶分子之间发生交联 凝集成网状结构 构成固定化酶 或细胞 常用的双功能试剂有戊二醛 顺丁烯二酸酐和乙烯共聚物等 包埋法是将酶包埋在凝胶的微细格子中或被半透性的聚合膜所包埋 使酶分子不能从凝胶的网络中漏出 而小分子的底物和产物可自由通过凝胶网络 按包埋形式不同 可分为格子型和微胶囊型 常用的凝胶有角叉菜胶糖 明胶 聚丙烯酰胺凝胶 淀粉凝胶等 酶促反应动力学基础 酶促反应动力学可采用化学反应动力学方法建立相应的动力学方程 如果酶促反应速率与底物浓度无关 此时为零级反应 当反应速率与底物浓度的一次方成正比 称为一级反应 即酶催化A B的过程 对连锁的酶促反应过程 微生物反应动力学 微生物是对那些肉眼不能直接观察到 微小的 但具有生命并能够繁殖的生物的通称 包括细菌 放线菌 真菌 藻类扣原生动物等 根据微生物分类学 其分为界 门 纲 目 科 属 种 种以下有变种 型 品系等 影响微生物反应的环境因素 1 营养物质微生物同其他生物一样 为了生存必须从环境中获取各种物质 以合成细胞物质 提供能量及在新陈代谢中起调节作用 这些物质称为营养物质 营养物质分为碳源 氮源 无机元素 微量营养元素或生长因子等 碳源的主要作用是构成细胞物质和供给微生物生长发育所需的能量 氮源对微生物的生长发育有重要的作用 它主要是提供合成原生质和细胞其他结构的原料 一般不提供能量无机元素也是微生物生长不可缺少的营养物质 它的主要功能是 构成细胞的组成成分 作为酶的组成成分 维持酶的作用 调节细胞渗透压 氢离子浓度和氧化还原电位等有些有机物是微生物维持正常生活所不可缺少的 但其需要量又不大 一般称为生长因子 根据化学结构祁代谢功能可将其分为三类 维生素 氨基酸和嘌呤 嘧啶 2 温度在一定范围内 微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加 温度上升到一定程度 开始对机体产生不利影响 如温度继续提高 细胞功能急剧下降 以至死亡 各种生物有其最适生长温度 最高生长温度与最低生长温度 并且 最适 最高和最低温度会因环境条件变化而变化 微生物细胞生长繁殖的温度范围 3 溶解氧与氧化还原电位根据微生物对氧需求性的不同 可将微生物分为厌氧型 好氧型和兼性厌氧型三类 氧是在溶解状态下被微生物利用的 当溶解氧的浓度较低时 氧电极无法检测出 此时 可以培养基的氧化还原电位Eh作为定量表示厌氧程度的方法 4 pH不同微生物有其最适生长的pH范围 大多数自然环境的pH为5 9 许多微生物的最适生长PH也在此范围内 只有少数种类可生长在PH低于2或高于10的环境中 5 湿度一般地 细菌要求水活废 湿料饱和蒸汽压 相同温度下纯水饱和蒸汽压 在0 90 0 99之间 大多数酵母菌的为0 80 0 90 真菌及少数酵母菌要求在0 60 0 70 微生物反应过程的质量衡算 微生物反应过程与一般化学反应过程的主要区别是 微生物反应中参与反应的培养基成分多 反应途径复杂 伴随微生物的生长 产生代谢产物的过程中 用有正确系数的反应方程式来表达基质到产物的反应过程是非常困难的 但是 如果将微生物反应看成是生成多种产物的复合反应 那么 从概念上讲可写成如下形式 微生物反应过程的得率系数 得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数 消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率YX S细胞得率的单位是 以细胞 基质计 g g或g md 这里的细胞是指干细胞 某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率 或瞬时细胞得率 其定义式为式中 rX 微生物细胞的生长速率rS 基质的消耗速率 同 菌种 同一培养基 好氧培养的YX S比厌氧培养的大得多另外 同一菌株在基本 合成和复合培养基中培养所得的YX S大小顺序为复合培养基 合成培养基 基本培养基 当基质为碳源 无论是好氧培养还是厌氧培养 碳源的一部分被同化为细胞的组成成分 其余部分被异化分解为二氧化碳和代谢产物 如果从碳源到菌体的同化作用看 与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示 微生物反应中的能量衡算 微生物反应是放热反应 储存于碳源中能源 在好氧反应中有40 50 的能量转化为ATP 供微生物的生长 代谢之需 其余的能量作为热量被排放 采用复合培养基时 营养组分通过分解代谢 在生成能量 ADP ATP 的同时 生成产物 另一方面 培养基中的组分通过同化代谢在合成微生物细胞的同时利用了能量 ADP ATP 这就是说能量可以从呼吸 如糖在氧存在下氧化 分解为CO2和H2O 和发酵 厌氧进程中糖分解为中间代谢物和CO2 获得 1 微生物反应动力学 描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的单个生物 而是指群体的存在 一般可将微生物群体变比过程分为生长 繁殖 维持 死亡 溶胞 能动性 形态变化及物理的群体变化等过程 生长速率 微生物生长速率是群体生物量的生产速率 并不是群体生物量变化的速率 平衡生长条件下 微生物细胞的生长速率rx的定义式为 基质消耗动力学 以菌体得率为媒介 可确定基质的消耗速率与生长速率的关系 基质的消耗速率rs可表示为 动植物细胞培养动力学 动植物细胞培养技术是一项将动植物组织 器官或细胞在适当的培养基上进行离体培养的技术 动物细胞培养的特性动物细胞培养与微生物培养对比有许多不同点 1 动物细胞无细胞壁 机械强度低 适应环境能力差 2 生长速度缓慢 易受微生物污染 培养时需要抗生素 且大多数哺乳动物的细胞需附着在固体或半固体的表面才能生长 3 对营养要求严格 4 大规模培养时 不可简单地套用微生物培养的经验等 动物细胞培养过程的特征是 1 生长速率慢 易被微生物污染 但可采用在培养基中加入抗生素等措施来解决 2 细胞个体大且无壁 对环境敏感 因此应慎重解决供氧 搅拌与通风 与细胞脆弱的矛盾 3 设备放大是一新课题 不能完全按照微生物反应过程的经验 4 反应过程成本高 主要用于高附加值产物的生产 植物细胞培养的特性 与微生物相比 植物细胞具有这样一些特性 1 细胞个大 并且细胞壁是以纤维素为主要成分 耐拉不耐扭 因此 抗剪切能力低 2 与动物细胞培养类同 生长速率慢 为防止培养过程中染菌 需加抗生素 3 细胞培养需氧 而培养液黏度大 且不能强力通风搅拌 4 产物在细胞内且产量低 6 培养的植物细胞常生长成各种大小的团块 从几个细胞到几百个细胞 增加了悬浮培养的难度等 生物反应器 生物反应器的特点 1 生物 酶除外 反应都以 自催化 方式进行 即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁殖 2 由于生物反应速率较慢 生物反应器的体积反应速率不高 3 与其他相当生产规模的加工过程相比 所需反应器体积大 4 对好氧反应 因通风与混合等 动力消耗高 产物浓度低 生物反应器的作用 生物反应器的作用就是为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境 使生物体能更快更好地生长 得到更多需要的生物量或代谢产物 不同类型的工业用生物反应器中 基质 产物和生物体浓度会随时间和生物反应器内的位置而变化 高效生物反应器的特点是设备简单 结构严密 良好的液体混合性能 较高的三传速率 能耗低 易于放大 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等 生物反应器的生物学基础 对生物反应器进行定量研究的基础是生物反应动力学 生物反应动力学研究的目的是要定量描述反应过程速率及其影响因素 影响因素不仅包括生物体自身 各反应组分的浓度 温度及溶液性质 还包括反应器的结构与型式 操作方式 物料的流动与混合 传质和传热等 生物反应速率主要指细胞生长速率 基质消耗速率和产物生成速率 生物反应器设计的基本原理 生物反应器的设计原理是基于强化传质 传热等操作 将生物体活性控制在最佳条件 降低总的操作费用 生物反应器选型与设计的要点 生物反应器中的混合 生物工业中的混合过程可分为6种基本类型 气 液 液 固 固 固 液 液 可互溶液体和液体流动 根据完成混合过程的装置不同 生物反应器内的混合方法分为机械搅拌混合与气流搅拌混合 混合过程的分类 生物反应器中的传热 实际生物反应过程中的热量计算 可采用如下4种方法 1 通过反应中冷却水带走的热量进行计算 2 通过反应液的温升进行计算 3 通过生物合成进行计算 4 通过燃烧热进行计算 换热装置的传热面积计算 气温高的地区 冷却水温高 传热效果差 冷却面积较大 在气温较低的地区 采用地下水冷却 冷却面积较小 发酵产品不同 冷却面积也有差异 生物反应器中的传质过程 由于生物反应过程中涉及的质量传递问题十分复杂 下面仅以氧的传递为主 对生物反应过程中的传递理论进行简要介绍 氧传递理论概述氧传递阻力包括气膜阻力 气液界面阻力 液膜阻力 反应液阻力 细胞外液膜阻力 液体与细胞之间界面的阻力 细胞之间介质的阻力和细胞内部传质的阻力 包括氧传递到细胞呼吸酶处的阻力 等 氧从气泡到细胞中传递过程的示意图 氧传递总阻力R式中 Ri 为i阶段的分阻力稳态时 各阶段的氧传递速率N为一定 则 停滞膜模型的基本论点 1 在气液两个流体相间存在界面 界面两旁具有两层稳定的薄膜 即气膜和液膜 这两层稳定的薄膜在任何流体动力学条件下 均呈滞流状态 2 在气液界面上 两相的浓度总是相互平衡 空气中氧的浓度与溶解在液体中的氧的浓度处于平衡状态 即界面上不存在氧传递阻力 3 在两膜以外的气液两相的主流中 由于流体充分流动 氧的浓度基本上是均匀的 也就是无任何传质阻力 因此 氧由气相主体到液相主体所遇到阻力仅存在于两层滞流膜中 对于氧的传递速率 以液相浓度为基准可得下式 各传质阻力的大小取决于气体的溶解度 如果气体在液相书的溶解度高 如氨气溶于水中时 液相的传质阻力相对于气相的可忽略不计 反之 对溶解度小的气体 总传质系数KL接近液膜传质系数kL此时 总传质过程为液相中的传递过程所控制 由丁氧是难溶气体 因此 有 细胞膜内的传质过程