化学反应工程第九章生化反应工程基础

化学反应工程第九章生化反应工程基础第1页，共39页，2023年，2月20日，星期三概述1第9章生化反应工程基础2生化反应动力学基础固定化生物催化剂3生化反应器4第2页，共39页，2023年，2月20日，星期三9.1概述

生化反应工程是生物化学工程的一个分支，是生物技术实现产业化的关键之一。

生物技术是应用生物学、化学和工程学的基本原理，利用生物体（包括微生物、动物细胞和植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶）来生产有用物质，或为人类提供某种服务的技术。任何一个生化反应过程都是利用生物催化剂来生产生物技术产品的过程。生物催化剂可概括为两大类：

①游离酶或固定化酶；②游离细胞或固定化细胞。第3页，共39页，2023年，2月20日，星期三一般的生物过程：原料的处理生物催化剂制备及生化反应产品的分离与纯化生化反应过程的特点：①生物催化剂体系复杂，给生化动力学研究带来很大困难；②生化反应具有反应条件缓和、催化专一性强和反应选择高的特点；③生化反应比较复杂，常为气-液-固多相系统；④生物催化剂易受环境和杂菌污染的影响，甚至失活；⑤虽然酶催化效率很高，但需在常温常压低浓度下反应，转化率低，所需反应体积大。第4页，共39页，2023年，2月20日，星期三9.2

生化反应动力学基础1酶的特性2单底物酶催化反应动力学—米氏方程3有抑制作用时的酶催化反应动力学一、酶催化反应及其动力学第5页，共39页，2023年，2月20日，星期三

酶在参与反应时如同化学催化剂一样，参与反应决不会改变反应的自由能，亦即不会改变反应的平衡，只能降低反应的活化能，加快反应达到平衡的速度，使反应速率加快。反应终了时，酶本身并不消耗，且恢复到原来的状态，其数量与性能都不改变，前提是不能改变酶的蛋白质性质。以单底物Ｓ生成产物Ｐ的酶催化反应为例，Ｅ表示游离酶，其反应历程为1酶的特性第6页，共39页，2023年，2月20日，星期三第7页，共39页，2023年，2月20日，星期三与化学催化相比较，酶催化具有下述特点：①酶的催化效率高②酶催化反应具有高度的专一性，它包括酶对反应的专一性和酶对底物的专一性。③酶催化反应的反应条件温和，无需高温和高压。④酶催化反应有其适宜的温度、pＨ、溶剂的介电常数和离子强度等。影响酶催化反应速率的因素很多，它们分别是酶浓度、底物浓度、产物浓度、温度、酸碱度、离子强度和抑制剂等。第8页，共39页，2023年，2月20日，星期三对于典型的单底物酶催化反应，例如其反应机理可表示为2单底物酶催化反应动力学———米氏方程第9页，共39页，2023年，2月20日，星期三由MichaelisMenten的快速平衡法或BriggsHaldane的拟定态法假设，推导得到的米氏方程定量描述了底物浓度与反应速率的关系，即米氏方程为双曲函数，如图10-2所示。起始酶浓度一定时，不同底物浓度呈现的反应级数不同。①时，底物浓度很低，反应呈现一级；②时，底物浓度高，反应呈现零级，即r与大小无关，趋于定值；③底物浓度为中间值时，随着增大反应从一级向零级过渡，为变级数过程。第10页，共39页，2023年，2月20日，星期三酶催化反应中，某些物质的存在使得反应速率下降，这些物质称为抑制剂，其效应称为抑制作用。抑制作用可分为两类，即可逆性抑制与不可逆性抑制。不可逆性抑制将使活性酶浓度减少，若抑制物浓度超过酶浓度时，则酶完全失活；当酶与抑制物之间靠非共价键相结合时称为可逆性抑制。根据产生的抑制机理不同，可逆性抑制又可分为三种类型，即竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。3有抑制作用时的酶催化反应动力学第11页，共39页，2023年，2月20日，星期三（１）竞争性抑制当抑制物与底物的结构类似时，它们将竞争酶的同一可结合部位———活性位，阻碍了底物与酶相结合，导致酶催化反应速率降低。第12页，共39页，2023年，2月20日，星期三（２）非竞争性抑制有些抑制物往往与酶的非活性部位相结合，形成抑制物—酶的络合物后会进一步再与底物结合；或是酶与底物结合成底物—酶络合物后，其中有部分再与抑制物结合。第13页，共39页，2023年，2月20日，星期三（３）反竞争性抑制有些抑制剂不能直接与游离酶相结合，而只能与底物-酶络合物相结合形成底物-酶-抑制剂中间络合物。第14页，共39页，2023年，2月20日，星期三（４）底物抑制有些酶催化反应速率与底物浓度关系不是双曲函数，而是抛物线关系。第15页，共39页，2023年，2月20日，星期三二、微生物的反应过程动力学12细胞生长动力学基质消耗动力学3产物生成动力学4氧的消耗速率第16页，共39页，2023年，2月20日，星期三1细胞生长动力学细胞的生长速率定义为：在单位体积培养液中，单位时间内生成的细胞（亦称菌体）量，即均衡生长类似于一级自催化反应，以细胞干重增加为基准的生长速率与细胞浓度成正比，其比例系数为μ，即第17页，共39页，2023年，2月20日，星期三第18页，共39页，2023年，2月20日，星期三在间歇培养中基质消耗速率为表示单位细胞浓度的基质消耗速率，即表示单位细胞浓度产物的生成速率，即2基质消耗动力学由此可知，基质消耗的比速率包括用于菌体生长、维持菌体正常活动的基质消耗速率以及产物合成三部分。第19页，共39页，2023年，2月20日，星期三Gaden根据产物形成与细胞生长间的不同关系，将发酵分为三种类型，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型称为细胞生长与产物合成偶联型。Ⅱ型称为细胞生长与产物合成半偶联型。Ⅲ型称为细胞生长与产物合成非偶联型。3产物生成动力学第20页，共39页，2023年，2月20日，星期三氧的消耗速率亦称摄氧率（OUR），它表示单位体积培养液中，细胞在单位时间内消耗（或摄取）的氧量，即描述氧消耗速率的一个重要参数是比耗氧速率，亦称呼吸强度。它表示单位菌体浓度的氧消耗速率，即对于一般微生物反应，氧消耗量=基质燃烧需氧量-细胞燃烧需氧量-代谢产物燃烧需氧量4氧的消耗速率第21页，共39页，2023年，2月20日，星期三9.3固定化生物催化剂12概述酶和细胞的固定化第22页，共39页，2023年，2月20日，星期三

固定化酶是将酶固定在载体或限制在一定局部空间范围内，经固定化的酶虽然可以克服游离酶的缺点，但尚需进行提取与纯化，才能得到酶，且固定化酶只适用于简单的酶反应。固定化酶和固定化细胞统称为固定化生物催化剂。

固定化细胞是指将细胞固定在载体上或限制在一定局部空间范围内。按细胞的生理状态，固定化细胞可分为固定化死细胞，固定化休止细胞和固定化增殖细胞。1概述第23页，共39页，2023年，2月20日，星期三酶和细胞的固定化方法很多，通常有吸附法，包埋法，共价结合法和交联法。（１）吸附法有表面法和细胞聚集法两种。（２）包埋法是细胞或酶固定化最常用的方法，它是将酶或细胞固定在高分子化合物的三维网状结构中。现有三种包埋法，即凝胶包埋法、微胶囊包埋法和纤维包埋法。（３）共价结合法（４）交联法2酶和细胞的固定化第24页，共39页，2023年，2月20日，星期三一般认为符合工业生产要求的固定化生物催化剂应满足：①选用的载体应对细胞或酶无毒性，有合适的孔径、孔率、比表面积和几何形状，既要使细胞不泄漏或少泄漏，还要具有良好的通透性；②固定化方法简单，制备条件温和，尽量减少酶活损失，且应易于成型，使其外型能满足生化反应器要求；③单位体积细胞或酶含量高，以增大反应器生产能力；④固定化细胞的机械强度高，酶活稳定性好。第25页，共39页，2023年，2月20日，星期三9.4生化反应器12概述生化反应器的计算第26页，共39页，2023年，2月20日，星期三一般生化反应器应满足：①能在不同规模要求上为细胞增殖、酶的催化反应和产物形成提供良好的环境条件；②能在尽量减少单位体积所需功率输入的情况下，提供较好的混合条件，并能增大传热和传质速率；③操作弹性大，能适应生化反应的不同阶段或不同类型产品生产的需要。1概述第27页，共39页，2023年，2月20日，星期三多种型式的生化反应器：（１）机械搅拌型（２）气体提升型第28页，共39页，2023年，2月20日，星期三（３）液体喷射环流型（４）固定床生化反应器（５）流化床生化反应器（６）膜反应器第29页，共39页，2023年，2月20日，星期三（１）间歇反应器将式（10-1）代入间歇反应器的设计方程。由于酶反应是液相恒容过程，所以菌体的生长速率为2生化反应器的计算第30页，共39页，2023年，2月20日，星期三（２）全混流反应器①酶催化反应②微生物反应在全混流反应器中，假设进料中不含菌体，则达到定态操作时，在反应器中菌体的生长速率等于菌体流出速率，即将代入，得第31页，共39页，2023年，2月20日，星期三反应器中基质浓度与稀释率的关系为第32页，共39页，2023年，2月20日，星期三

第33页，共39页，2023年，2月20日，星期三（３）串联全混流反应器

采用串联的全混流反应器进行细胞培养时，操作方式一般有三种，即①直接由第一釜加料；②除第一釜加料外，以后各釜均有连续补料；③直接由第一釜进料，但最后釜的出料中有部分循环返回第一釜。第34页，共39页，2023年，2月20日，星期三第一级反应器中细胞的生长速率对第二级反应器的菌体进行物料衡算整理得对限制性基质进行衡算整理得根据Monod方程第35页，共39页，2023年，2月20日，星期三第36页，共39页，2023年，2月20日，星期三（４）固定床反应器

对于符合米氏方程的酶动力学，在等温、排除外扩散情况