生化反应工程与反应器分析new

生化反应工程与反应器分析张赣道1第一章绪论1.1(计算)生化工程与生化反应工程1.1.1计算生化工程●过程工业－工业生物催化（Fer,Enz,Cell,Gene）；分离工程；MS；

●生化工程发展方向（MS

isimportant!）

－－交叉、渗透、集成：（chem-Bio(harven

，Tsinghua，B.U)）

(C.Bio)calcu.Bio-Chem.ε

-CBChE.(CFD(Tran),not-linear,mult-

Phf);CAMD;Prot.ε;Mol.Bio(Chem.)ε;Bio.inf.;……CMolBio

－－延伸：

●微观；阐述；酶；大分子；温和条件；简单工艺；极端Bio；耦合过程；多相；动态；实际过程；多参数；设计实验

●反应工程～基础－各工程理论方法－定量研究、分析（CBChE）21.1.2生化反应工程

(1)生物工程（bioengineering）:生物学与工程学物理过程的结合。包括…..

(2)biotechnology:应用自然科学、工程学原理，依靠生物催化剂的作用，提供产品或为社会服务的技术。（thebiotech.tree/athree-companetcentralcore）

unifiedbiotechnology

Fermentation;Enzyme

E;cell

engineering;Geneengineering;

Biologicaltreatmentforwastwater

(3)biochemicalengineering:运用化学工程学原理、方法将生物技术实验成果进行工程化、产业化开发的一门学科。…..

(4)biochemicalreactionengineering:以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。31.2生物反应器(Bioreactor)①釜式(间歇式,半连续式,连续式…)(Batch,Autoclave,Semi-continuous…)

Alcohol,SCP,Antibotics,VB2,L-Glu,…

②连续管式反应器(Continuoustubularbr)

Grapewine

③固定床反应器(Fixedbedbr)

L-Phe,L-Val,L-Ala,L-Asp,Fru-Glu,…

④流化床反应器(Fluidizedbedbr)

Beer,Alcohol

⑤滴流床反应器(Tricklingbedbr)

Citricacid

⑥气升式环流反应器(Airliftr-ALR)

α-amylase,plantcellculture

●转化率,副产物,工艺～成本,质量,能耗,三废(分离)…41.3 反应器数学模型与数学模拟1.3.1数学模型叠加、相似论、因次论—数学模型（’50）：简化、不失真、匹配反应器数学模型—3TIR；of

sys.；of

rea.；Theo，Emp，KL1.3.2数学模拟

‘80●CADCAO(73/79；84印/86苏、瑞士；mod./p.c./Ins.；PSE’82)

①CAO层次—·战略(1-5a)、战术(3-12m)、系统操作规划；●装置操作优化、时序化、单元过程优化、监督控制、常规控制②CAO课题—●数据采集、校正●过程模拟优化●排产规划、时序化●CAMMS、CAT·诊断、专家系统●CAMD、CADNP1.3.3数学模拟的作用与应用

－－作用：过程分析；最优化；放大；故障诊断、事故处理、予测；（特性）－－应用：农业“专家系统技术”，20C。70’US、J，-96(100商用工具)，我20C，80’，-20C末，20省500县，－diag.(Medi,chem,ε);军事；人工智能；VirtualLosAngeles生、化、材、岩土工程、机械、信息、土木工程、城市规划、管理决策51.4生物技术进展及应用高新技术—信息（龙头）；生物技术（基础），生物学（带头学科）；NM（活力）产业产值排序（US）—化工，食品，电器，汽车，矿产，…..

投资的产业取向—85%投资取向在信息、生物技术及纳米材料产业1.4.1生物学—21世纪带头学科

(1)17-18世纪—力学:Newtonianlaws;蒸汽机（1712）；第一次工业革命。

(2)19世纪—物理、化学：Faraday-Maxwelllaw,Mendeleev’slaw;电力（1832）；第二次工业革命

(3)20世纪—现代物理、控制论：（Einstein）theoryofrelativity，

Quantum—mechanics；原子能、宇航工业

(4)21世纪—biology

——“生物学的机会”，“2000生物技术”，“生物技术未来”，“未来生物技术”……

——1900：荷、德、奥证实“孟德尔遗传论”

1944：（摩根：染色体，gene理论）美分离得细菌中的DNA生命遗传物质分子

1953：Watson，Crick：DNA双螺旋结构，里程碑！

1972：Cohen，Boyer：reco，tran.（clone）

1993：KaryMullis:PCR-NobelPrize(chem)

1989~2000.6.26人类基因组计划“工作框架图”，2005年（3万人年、30亿$）6

——thelst:antibiotics1928-1945-50/4000(株)

mono.Anti.1975-1984(N.P.)_diag:..…

gene.phar.1982-2002(18/50)_87EPO.G-CSF/tPA（genetechCo）

genetherapy2100例/97；3476人（425项）/2001

——the2nd:植物雄性不育（杂种优势）；抗逆性植物；Bt;Dolly

——the3rd:[m]1,3-PD*,DCA,(P)LA*,PHA,PAA;

[AA*];[E];[OS*];[Bt];[Fa*];

[BE]Alco*(fuel),Bdiesel,B.H,P.E.O/G;丙烯酰胺1.4.2生物技术展望（1）深入研究基因工程菌（质粒复制表达）动植物细胞生长（界面、形态）等动力学。（2）研究复杂体系（多相流、超临界相态、双液相等）生物反应；（3）发展计算生化工程（反应器、过程、合理药物设计（CAMD）、蛋白质工程（CAPD），结合组合化学、Genemics,Proteomics）；（4）生化过程集成技术的研究；（5）工业生物（催化）技术研发应用：生物医药（海洋）；生物农业；生态农业（microbiral~P~A~Citysewage）；海洋药物（蓝色农业、医药，海水工程）；生物资源、生物能源；环境生物技术；生化工业等。新兴学科（50’—ferm,70’—enzyme,…...）,任重道远，发展空间。71.4.3生物技术应用生物能源Photosynthesis-theultimateenergyresource

●fossilfules:coal(1000a),n.gas(35a),oil(16a),93%of…

●harnessingog

hydro,wind；captureofsolar,geoth；nuc.p.

●photosyn:fixesC2×1011T/awith2×1021J.(10/100times…)~

4%ofsolarenergy;fossilearbon

sources.[sugarcane;maize;

sorghum;cassava]

●biomass-combustion:(elc.；HPS)

-dry.:hydrogasi.(CH4,C2H6,char)；

pyrolysis(oils,gas,char)；

gasifi(CH4,CH3OH,NH3,elc.)

-aqueouspro.:chem.red.(oils)；ferm(C2H5OH)；

anaeroferm.(CH4)<rumen>；

●Biodiesel排放气（CO2±O）CO-9.25%，尘－13.6%，SO2-20%,多环芳烃－50%德、法、意、比（rapeseed）2000年：20－60万吨，2020占总燃料12%，大众、奔驰等直接使用；US（soybean）1999：25万吨，免税；日（废油）2000：40万吨；我冀、川、闽均为：万吨/a

2008.1.1巴西法定：加2%Biodiesel（0.9:5%）。07年生物能源占总量的44%（世界平均13.6%），现年产b.d.25亿/L

●H2/microbialrecoveryofpetroleum/biofuel(battery)8工业生物技术

●2004，US200亿＄（＞生物医药）；2020年：原料、水、能源、污染排放与扩散均降低30%

●产业革命：碳水（取代碳氢）化合物时代（的高分子化工），（后石油化工时代）

●生物加工生物质制造大宗原料化学品、（生物）高分子材料－－石油替代战略。2003年我进口原油9000万吨；2000万吨石脑油/600万吨C2H4－－35＄/桶，生物材料有竞争力；45＄/桶，生物C2H4成本更低；

●生物醇；印、巴西40万吨/a生物乙烯；CargillDow:14万吨/a聚乳酸;

Dupont:1,3-丙二醇聚合物（PTT）4.5万吨/a；陈粮原料路线

●生物芯片：基因芯片，细胞微阵列芯片9蛋白质SingleCellProtein●aquaculture:farmingofshrimps,prawns,trout,salmon●advantages—growatrapidrates“thetimereg.Todoubletheirmass”—moreeasilymodifiedgeneticallythanplantsandanimals—highprotein,nutritionalvalue—smallreactorsandlandarea,independentofclimates—growonawiderangeofrawmaterials:wastes,cellulose

●rawmaterials—METHANOL(CH4×)(n-alkames×)ICI75M3;prices；

scale；ALR—ETHANOLforhumanconsumption:ethylene

crak；agri.；poli.—WASTES:MOLASSES,WHEY；STARCHYW.:Sweden,variousyeasts,W.FRUITSandWOOD…:Japan,fungi,doesn’thavecommer.

LIGNIN:mushroom-typefungi,solid

subs.fermentation—AGRI.CROPS:(cassava,sugarcane,tapiocaplam)ethand—ALGAE:Jap.Afr.Mex.,protein,V.,removaloforg.pollution10医药Medicine●infantmortality25%；<2%ofpopu.>65years；epidemics；chronicdiseasis(Ca.cardiovascular);dificultcases.●biopharmaceuticals—recombinantproteindrugs(antibiotics)—rec.Vaccines(HIV,polio,hepatitis

B,herps,influenza)—monoclonalantibodies(diagnosis/therapy,prevention,puri.,detec.)●insulin,HGH,α-IFN,tPA,EPO,IL-2,…,●Genetherapy—personalusage/genetherapy(germ

cell×somaticl)环境●水、垃圾生物处理（生物工程－微生物生态学）；

biodegradable～environmentallyfriendly；2×106Toil/aentersea●环境友好技术－－绿色生产

11生物炼油；石油菌（2＊106t/a）;——生物材料

PHB;PGlu;——循环经济：“资源—产品（消费）—废弃物—再生资源”。除石化燃料外的几百种材料均可回收：81年丹麦法令啤酒、软饮料只能使用“可重复使用的包装”，其99%瓶子得到回收（使用达30次），宝马法国公司回收处理再利用的配件达90%，2000年废钢回收率为：法80%，荷78%，奥地利75%。美67%，中仅20%。——生态经济：恢复自然界生态平衡的经济发展模式。1950~2000年世界经济总产出增加6倍，我1952~2002年GDP增加146倍。

2003美.加电网瘫痪人口稳定；C

H能源；复合农林业；水平衡12——资源瓶颈:人口占世界21%，石油储量1.8%，天然气0.7%，铁矿〈9%，Cu〈5%，铝土矿〈2%；到2010年我石油对外依存度达57%，铁57%，铜70%，铝80%（2004.2）；能耗；水耗——环境容量：荒漠化土地267.4万平方公里（27.9%），年增1万多平方公里；废水排放总量439.5亿吨，超过环境容量的82%，7大水系劣五类水质占40.9%，75%的湖泊出现富营养化，是世界13个贫水国之一，人均占水为世界平均1/4，而污水量=缺水量，2/3城市供水不足，1/6严重缺水，3.6亿农民喝不上符合卫生标准的水，我国废气中SO2排放量为1927万吨，烟尘为1013万吨，工业粉尘为941万（2004.2）

2007太湖蓝藻，无锡百万人饮水外供；沭阳水源污染13农业、林业、食品、饮料●plantbiotech—micropropagation,tissue

cal.(callus

tu)

—protoplastfusion

—geneticeng.●animal—selectivebreeding,mol.biology,embryo

manipu.,

transgenic,●alco.beve.,wines,beers,coffee(tea,cocoa),dairyprod.vege.fer.,legume,安全、社会、道德和伦理方面的考虑●safetyinbiotech—pathogenicity；toxicityandallergy；medicallyrelevanteffects；spentmicrobialandeffluents；mutationofprocessstrains;useofmicroorg.conta.inritro

recom

DNA；might(accid.)escape；envi.releaseofGMOs●social,moralandethicalconsiderations

—acceptsuchmedi.thansuchfood.

—whowillbeabletocarrythecostburden(notthe3rdWorld)

—substitutability:traditionaleconomies；jobs；value

judge；aid

—‘unnaturalness’(unease)

—humangenesintofoodanimals(feed)；JewsandMuslims；vegans；animalssufferingseverearthritics●人类活动~生态平衡：”长江保护与发展报告2007”（首次）中科院，1次/2年马寅初141.5研究内容与方法1.5.1内容生化反应动力学（本征—宏观；分子水平—细胞水平—群体；…..）反应器中传递过程反应器的数学模型与数学模拟（设计、放大、分析、模拟、控制、优化）1.5.2研究方法（MM,MS,Eng~Opt.）Math.Model,Math

Simu●三传一反；实验设计、模型判别、参数估计；数据

●标准程序、算法—清晰目标；计算结果的分析判断

●概念—分析—方法15第二章生化反应动力学2.1均相酶反应动力学2.1.1酶的特性酶的分类及命名

EC系统分类及命名法—IUB（1964）：“EC大类.亚类.亚亚类.统一编号”‘大类’—按生化反应类型分为6类，依次为：氧化还原，转移，水解，裂合，异构，合成例：EC—甘油酯水解酶，其惯用名为Lipase，脂肪酶（底物前有时还有说明酶来源的词）酶的特性——酶的催化特性、酶活力⑴cat：r/K；分子活力；催化中心活力（酶的转换数）；活性极高⑵酶活力单位[mol/s]，[nmol/s]（U，1kat=6*107U）（比活力：U/mg，kat/Kg）16——酶的专一性包括绝对、相对、反应*、底物、立体*、基团、序列专一性——酶的变性与失活物理因素：热、压力、UV、X-ray、声波、振荡、冻结…化学因素：酸、碱、丙酮、乙醇、尿素、表面活性剂、重金属盐、氧化剂、O2...⑴热变性：Topt⑵酸碱变性：（pH）opt⑶氧化变性：巯基酶（SH酶）易在空气中氧化-SHS-S而失活——酶的辅助因子⑴金属离子：金属酶（金属为辅基）；与酶为可逆的结合：Na+，K+，Mg2+，Ca2+，

Zn2+，Mn2+，Co2+，Fe3+，Mo6+等⑵辅酶、辅基、全酶；辅底物，辅底物的热稳定性—pH——单体酶、寡聚酶及多酶复合物（化学结构；动力学特征）⑴变构酶（调节酶）—由多个分别具有调节（变构）中心（分激活与抑制中心）和催化中心的亚基构成。其r-Cs为S型曲线。⑵同功酶、多功酶17酶的固定化——均相（水溶液）酶反应的缺点⑴分离难、费用高、影响质量⑵难以重复使用⑶酶易变性失活——固定化酶⑴优点：稳定性好，反复使用，连续操作，高纯度的产品，环境友好⑵缺点：酶损失，增加费用，非均相反应的内扩散影响⑶方法：载体结合，交联，包埋，混合法⑷再生：载体结合法中用离子键、物理吸附及疏水键法制备时，其失活的酶可在新鲜酶溶液中进行酶“置换”并重新固定化。18⑸酶性质的变化：（a）底物专一性：立体障碍（b）（pH）opt：载体的离子极性（c）稳定性（d）动力学常数：D使Km增大，若分配系数>Km是有利⑹固定化微生物：（a）应用条件：酶分离费用高，分离出的酶不稳定，该固定化酶不稳定；微生物中不含有活性的催化其它不希望发生反应的酶（b）优点：成本低，制备周期短，能大规模生产，不受地理季节限制，不会产生胞内酶在悬浮中出现的酶外泄的问题；不会产生小微生物在搅拌釜中受压大的问题。⑺酶和细胞固定化技术的其它应用：（a）根据体外溶液中进行的固定化酶反应现象来了解、描述细胞内的各种代谢机理、途径（b）生物燃料电池（c）自动化测试技术19酶反应的特性——优点：⑴条件温和，能耗低⑵反应专一，精制易，体系较纯易于控制，产物浓度高⑶立体专一性利于不对称合成、制备自然界没有的新物质⑷用组合酶、底物完成指定的多步合成转换反应——缺点：⑴只能利用底物中部分组分，一般只能在水溶液中进行⑵温和的反应条件也易于微生物繁殖易使酶染杂菌。失活后难以再生与复性⑶只限一、二步反应，酶昂贵，较脆弱易变性，失活2.1.2均相酶反应动力学均相反应—系统可成为均相；预混合rM》r（隐蔽的放大效应）单底物酶促反应动力学—“活性中间复合物”学说⑴反应机理（2.1）

（2.2）20⑵“平衡”假设理论（LMichaelis和MLMenten（1913））：（a）CS》CE（b）不考虑k-2（c）基元反应[ES]E+P为控制步骤（2.3）而（2.4）

由式（2.2）得（2.5）⑶“拟稳态”理论（GEBriggs和JBSHaldane，1925）（2.6）

（2.7）

（2.8）21由式（2.7）描绘得-rS（rP）—Cs曲线为图2.1（a）Km—最重要的动力学常数，表达了反应性质、反应条件对rP的影响。当反应速率rP=（1/2）rP，max时的Cs值即为Km

图2.1米氏方程（2.7）22rP，max—酶活力，当全部酶呈[ES]时的rP（b）Cs—rP关系Cs《Km：（2.9）

Cs》Km：Cs与Km相当：由IC：t=0Cs=Cso及定积分式（2.7）得：

（2.10）

⑷Levenspil

用幂函数表示的米氏方程：（2.11）23Moser酶促反应普遍化机理

k+1k+2k+3E+S[ES][EP]E+P（2.12）

k-1k-2k-3(1)当k+2=k-2=k-3=0即为式(2.5)或式(2.7)(2)当k-2=0则可适用于不可逆非均相生化反应过程,成为Langmuir-Hinshelwood

方法(3)若k+2=k-2=0则为可逆米氏方程2.1.2.4米氏方程参数求解()(1)由曲线(图2.1)求近似值

(2)将式(2.7)求倒数:

（2.13）曲线称作Lineweaver-Buck曲线见图2.2(3)由L-B演变至H-W曲线见图2.3。（2.14）

(4)由式（2.7）的E-H曲线见图2.4。（2.15）

为避免上述微分求，有以下的从式（2.7）的积分。图2.3H-W曲线Km/rmaxCs/rsSCs24(5)积分法：（图2.5）（2.16）[例2.1]有一均相酶反应，其Km=2×10-3mol/L,当Cso=1×10-5mol/L时反应1min有2.0%的底物（单底物）转化为产物，求(1)t=3min底物转化为产物的百分数为多少？Cs=？，Cp=?(2)当Cso=1×10-6mol/l时t=3min时的Cs=？，Cp=?(3)rp,max=?2.1.3有抑制的酶催化反应动力学因底物或产物浓度过高或其他外源化合物（抑制剂）影响而降低。抑制分为可逆抑制与不可逆抑制。（1）可逆抑制：可用某些物理方法（透析等）把抑制剂（I）去除而恢复酶活性的抑制作用，此时E与I的结合存在解离平衡关系。按抑制的机理，又分为竞争性、非竞争性、反竞争性及混合型抑制等。（2）不可逆抑制：E与I的基团成共价结合而使酶永远失活，如重金属离子Hg2+，Pb2+对木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶的抑制。rmaxrsrs/Cs图2.4E-H曲线25竞争性抑制酶催化反应动力学与底物结构类似的I也能在酶的活性部位上结合与底物竞争降低了。如琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢为延胡索酸时丙二酸与底物是竞争性的I。其机理：k+1k+2k+3E+S[ES]E+P；E+I[EI]k-1k-326当酶的活性部位与一个抑制剂分子结合时KmI与CI为线形关系(见式(2.19),图2.8)称为线形竞争抑制。……非竞争性抑制酶催化反应动力学

I在酶的非活性部位与E结合进而与S结合成非活性中间体，I亦可与[ES]结合为无活性或低活性的中间化合物。如核苷对霉菌酸性磷酸酯酶的抑制。其机理为：27反竞争性抑制动力学

I只能与活性复合物[ES]结合。如肼对芳香基硫酸酯酶的抑制。其机理为：2829产物抑制动力学[例2.2]在有相同浓度的五个反应物系中加入不同浓度的底物测其初始反应速率（rS0）再在上述相同的五个反应物系中分别加入CI=2.2×10-1mmoL/L的抑制剂，亦测定其初始反应速率（rSI），测定其值如下：试问其抑制类型并求其动力学参数（作图rS（rS0

，rSI

）-1~CS-1）30解：实验测定值的倒数列表如下：2.1.4复杂的酶催化反应动力学可逆酶催化反应动力学

如木糖异构酶催化葡萄糖为果糖的反应至一定程度即达到平衡,其机理可认为是:其反应净速率可近似表达为:

由稳态及酶衡算得:(2.31)(2.32)式中:，，，反应平衡常数多底物酶反应动力学一般通式为

如氧化酶,转移酶和连接酶的反应.讨论双底物酶反应.——随机机制31两底物随机地与酶活性部位结合，而两产物随机地释放出来。其机理：(2.32)32

如为常数，则(2.33)式中：(2.34)如均为变量则:(2.35)33——顺序机制大部份脱氢酶属此机制,酶依次与两底物(或)结合再产生产物,例如按顺序的机理为:导得：(2.36)式中：—单底物时的常数，—浓度饱和时的米氏常数（与此类似）34——乒乓机制

S1与S2始终不同时与酶结合，其机理可表示为（E*为修改

过的酶）导得：（2.37）

变构酶催化反应动力学如磷酸果糖激酶，天冬氨酸转氨甲酰酶，苏氨酸脱氢酶和己糖激酶等的催化反应，底物分子与这类酶结合时能诱导酶的结构改变增加E与S的结合能力，表现出底物对酶的激活效应。其机理复杂提出的模型较多，一般用Hill经验公式：

（2.38）

式中：n—Hill指数表示每个酶分子结合底物的分子数目，

n=1~3.2

参数求取：35（2.39）2.1.5影响酶催化反应的因素内部因素——酶的结构特征，底物的结构特征。外部因素——PH,t,p,离子强度，……2.1.5.1PH值的影响与式(2.38),(2.39)相应的曲线见图2.15,图2.16。（还有常用的表达式：等）图2.15Hill经验方程图2.16变构酶动力学参数36

酶分子上AA侧链基团一定的解离状态及其解离度（催化活性）~PHMichaelis：三状态模型何设一般酶活性与PH呈钟型曲线为图2.9温度的影响

T<Topt则其对K+2的影响符合Arr.eq:K+2=A.exp(-Ea/RT)(2.40)求参数:

其图解形式为图2.10,T>Topt则引起酶明显失活。2.1.6酶的失活动力学胞外酶较稳定，胞内酶在外部环境中易失活，酶在保存与反应中均可能失活，最主要的是热失活（热变性）。未反应时酶的热失活动力学——可逆一步失活模型()在时间t(Cet,+CD)酶减少速率而CEO=Cet+CD,由I,Ct=0CET=CEO积上式得:37见图2.11

蛋白质失活受温度影响大(失活活化能>125kl/mol为化学反应的4倍);失活速率与酶纯度有关,酶溶液俞稀俞不稳定;竞争性抑制剂对E有保护作用(图2.11B).——不可逆失活模型一般用一级失活反应表示:

(2.47)由t=0:CEO,,t=t:CET积上式(式(2.44)kr=0):CET=CEOexp(-kdt)

(2.48)38反应时酶的热失活动力学随着温度升高酶反应及失活速率均增加,在这种双重作用下,对一定的反应时间就有其相应的Topt (见图2.12与图2.13)

在酶催化反应中,底物和产物可能会使酶的稳定性得到加强，或者相反。底物浓度对酶稳定性影响有如下模型：

即游离酶（Ef）与活性中间复合物（ES）均可能失活，其失活方程为（t=t:Cet=Cef+C[Es]）显然:即为式(2.48),底物对酶失活无影响;

[ES]不失活,则Ef的失活亦被底物部份保护了;

总体上底物对酶有保护作用,部份抑制了酶（ES）的失活;

底物加速了酶（ES）的失活.Dδkd392.2固定化酶催化反应动力学2.2.1固定化酶催化的动力学特征酶的固定化对基动力学特性的影响(1)活性。酶活力收率<100%;酶活力表现率一般降低(Km)(2)稳定性.保存期t1/2增1倍;热稳定性提高10倍以上(空间结构坚固)影响固定化酶动力学的因素——空间效应。酶三维结构变形，减弱与底物结合的能力—构象效应；屏蔽效应——分配效应.由亲()水性、静电作用引起微环境CS、CP的改变导致rs的变化——扩散效应。内外扩散。分配效应引起的界面浓度差是阶跃式而扩散引起的为曲线(图2.14)考虑到上述这些效应，对固定化酶就有下述动力学形式：（1）游离酶本征动力学（2）固定化酶本征动力学（考虑空间）（3）固定化酶固有速率（考虑了空间与分配效应）40（4）固定化酶宏观动力学（考虑了空间（分配）与扩散效应）2.2.2外扩散限制效应稳态双膜理论(WhitmanWG,LewisWK(1923))——一般外扩散传质速率边界层极薄,δ与R比可忽略传质推动力为浓度差，传质机理为分子扩散。颗粒界面传质通量41某些KL值为如下：体系管式—滞流管式—湍流酶膜填充床（固定化酶系统）kl，m/s5*10-62*10-51*10-52*10-4微胶带型固定化酶（胶带不带电荷）Csm—胶囊膜内侧处Cs，Dm—底物在胶囊膜内的扩散系数，δm—胶囊膜厚度，Csi—胶囊膜（外）表面处Cs非稳态传质理论(kl!)（2.53）（2.54）（2.55）（2.56）（2.57）42（2.58）（2.59）（2.60）（2.61）（2.62）（2.63）（2.64）（2.65）（2.66）43[例2.3]某酶固定在无微孔的球载体上,在无外扩散时测得γmax=4*10-5mol/（L*S）,Km=2*10-5mol/L,将其放在一底物浓度为1*10-5mol/L液相反应器中,已知体积传质系数为4*10-1/s（2.67）（2.69）（2.68）44求(1)底物在固定化酶表面上的反应速率(2)该固定化酶的有效因子ηx2.2.3内扩散效应流体在微孔内的扩散(1)载体结构:(a)比表面积Sg(20~30m2/g),内表面积、外表面积45（2）流钵在微孔内的扩散图2.17球形粒内物料衡算（2.70）（2.71）46

整理得：

令

则(2.72)(2.73)(2.74)数值解见图2.18图2.18颗粒内的分布47对一级不可逆反应（）则有有解析解：(2.75)(2.76)——膜片状固定化酶内部的底物浓度分布（图2.19)图2.19多孔薄膜内的传质48令则(数值解见图2.20)(2.79)图2.20膜片内分布(2.78)(2.77)49——内扩散有效因子一，球粒：稳态下(2.80)无外扩散时：对一级不可逆反应：(2.81)(2.82)(2.83)(2.84)50二，膜状固定化酶（一级不可逆反应）（生物膜类似）*膜双面接触底物则取L=L/2三，圆柱状固定化酶（一级不可逆反应）一级，零级是塞尔函数实际上，只要求出相应的，式（2.84)~(2.87)均可由式（2.84）统一求出，见图2.21(2.86)(2.87)(2.85)51对单位体积酶：如：当<0.4时，>3:四.对一般的米式方程用数值解求：1）Atkinson对膜状固定化酶：令(2.88)(2.89)2)Kobayashi经验方程（误差<5%)(分别为零，1级反应时的

)膜状a=b=1,球状a=2.6,b=0.83)表观Thiele模数法(),可免去求所需的实验及引起的误差引入相应无因次参数，式2.82)改作：由式（2.83）等求得：(2.91)(2.90)(2.92)图2.21固定化酶-关系（rs=kCs）52则（一般），(2.93)若上式为一级反应即(2.94)故只要实验测得则可近似求得见图2.22——影响内扩散限制效应的各种因素

1）固定化酶的结构特性a)颗粒度b)微孔孔径

反应速率低内扩散影响小C)反应2)酶的化学抑制的影响-----与扩散的负协同效应如一级不可逆反应的非竞争抑制（酶变性亦与其类似）其,即3）外扩散限制的影响：由式（2.62）和（2.74）：(2.95)(2.96)(2.97)534)有分配效应的一级不可逆反应的球体：(异电荷K>1,反之K<1)膜片状酶：（同上式：均为一级不可逆反应）——扩散干扰下的动力学现象a)L-B与E-H图严重偏离直线，扩散的结果使本征动力学反应级数>1的表观级数下降，而使原<1的级数上升。（2.98）（2.99）54B.℃:扩散控制反应表观活化能明显降低。在低浓度或高浓度高温时受扩散控制。见图2.23。

C.对失活速率影响：提高了表观热稳定性。

固定化酶内的传热过程扩散控制E=24J/MOLE=41J/MOL化学控制低CS高CS图2.23固定化乙酰胆碱脂酶的活化能

（2.100）55[习题2.1]根据“活性中间复合物”的单底物均相酶催化反应机理学说：假定过程为“拟稳态”：

，求导该反应的产物生成速率为：，其中[习题2.2]米氏方程中Km与rp,max为常数，①令t=0:Cs=Cso,求解该微分方程；②当Cs«Km,令t=0:Cs=Cso,求解该微分方程；⑴解：

式中：⑵解：

56[习题2.3]已知米氏方程：（1）推导：（2）试说明：如何利用上式由实验数据作图求解rp,max与Km?（3）试说明：由上述（2）的作图求解米氏方程参数的缺点是什么？Cso/(mol/L)0.00320.00490.00620.00800.0095-rso/(mol.L-1.min-1)0.1110.1480.1530.1660.200-rSI/(mol.L-1.min-1)0.0590.0710.0910.1110.125[习题2.4]

实验测定的乙酰胆碱酶水解在无抑制剂和存在抑制剂两种条件下的初始反应速率（分别为rso和rSI）数据为：判断该抑制反应属何种类型？求该抑制反应动力学参数。57[习题2.5]

以相同的酶和载体制成球型、高径相等的圆柱体及高径相等而壁厚为直径的1/3的圆环体三种固定化酶，它们的体积均为0.1cm3，颗粒表观密度均为1.2g/cm3，进行一级不可逆反应，已知：以酶质量计的反应速率常数kw=50cm3/(s.g)，De=0.001cm2/s，反应体系中酶浓度为20g/L，底物初始浓度Cso=0.1mol/L，不计外扩散及分配效应，对这三种催化剂的相关计算均可采用球型固定化酶的公式，试求这三种催化剂的：（1）、η及其数值大小的排序，并讨论为什么呈这样的排序？（2）反应速率：①以酶质量计的Rs[mol.s-1.g-1]=?

②以反应器体积计的Rs[mol/(s.cm3)]=?

提示：对同一反应体系，酶反应速率一般有如下关系式：

Rs=kvVr=kwWE=kpVp(对于一级不可逆反应)

式中Rs-反应速率，[cm3/s]

kv-以反应器体积计的反应速率常数，[cm3/(s.cm3);(Kv:[S-1])];

Vr-反应器体积，[cm3]

WE-酶的质量，[g]

kp-以酶体积计的反应速率常数，[cm3/(s.cm3);Kv:[S-1]]

Vp-固定化酶颗粒的体积，[cm3]（解习题2.5时可任取一反应器（单位）体积作为计算基准进行计算。）58（3）若De=0.01cm2/s，这三种催化剂的、η将如何变化？为什么？2.3微生物反应过程动力学2.3.1概论微生物反应过程主要特征：微生物是主体.cat;本质是酶反应；复杂反应，

多种途径，难以描述。一：优点：能分泌有用物质，改良生产品种；生长速率快；条件温和；兼cat与产品一体。二：缺点：稀溶液.同化作用，提纯难；复杂反应影响产品质量；遗传变异难稳定；纯培养微生物反应的计量学（一）计量一：菌体（细胞）浓度，干菌体质量浓度二：元素衡算：营养物（C,N,O,M+…..)细胞（菌体）+代谢产物（产品，co2。。。。。。）（2.101）59（二）菌体（细胞）得率一：二：三：（三）微生物反应动力学的描述（2.102）（2.103）60(1)模型的简化：Cells/ml(确定）；P、F、CH2O、NA、V（非结构）；均衡；均相（2）反应速率（a）（绝对）速率：（b）比速率：（2.104）2.3.2细胞生长动力学细胞分批培养分5个时期为图2.24所示。无抑制的细胞生长动力学（减速期）（一）Monod（1942）经验方程（一个限制性基质）（见图2.25）即图2.24分批培养细胞浓度变化（2.105）（2.107）（2.106）61（二）其它的经验模型

(1)△:(

μmax-μ)

其普遍形式:(2.108)(2.109)则可导出下表中的各个模型：JMonodCTeissierHMoserDEContoism=0n=2，m=0n=1，(2.106)m=1-1/nn=1+1/n，m=0n=2，图2.25无抑制细胞生长动力学(2.110)(2.111)(2.112)62(2)多底物Monod方程（2底物）(3)DMG（双M氏生长）此时S2消耗将被抑制直至（在一合适的K1值下）S1先被消耗尽。

有抑制的细胞生长动力学（基质抑制常数：KIS）（一）基质抑制动力学（1）Andrew:为图2.26当CS<<KS(2.113)(求KIS)CS>>KS(2)Aiba(3)Teisser图2.26Andrew基质抑制模型(2.114)(2.115)(2.116)(2.117)(2.118)(2.119)63（二）产物抑制动力学分批培养的细胞生长动力学

细胞生长动力学的结构模型（SKM）（2.120）（2.121）（2.122）（2.123）（2.124）（2.125）（2.126）（2.127）64μ~（（1）质粒丧失（2）基因的诱导、阻遏（3）细胞RNA、E的变化（4）储存物质的累积（5）细胞形体的改变（（3）~（5）常为DO的函数等）。SKM还较难建立，它用于设计、控制、阐述生物系统中传递过程。1982年Harder等提出简单的双区模型为图2.27。该细胞生长分两组生物质合成区即K区和G区2.3.3基质与氧消耗动力学当[DO]>[DO]cri:qo2=f([DO]0)(酶反应控制)此时[DO]∝time(通常培养条件控制区)（2.128）（2.129）（2.130）（2.131）（2.132）（2.133）（见图2.28）（2.134）65包括维持代谢及产物生成的基质消耗动力学2.3.4产物生成动力学代谢产物动力学模型（Gaden分类法）（2.135）（2.136）（2.137）（2.138）（2.139）（2.140）（2.141）（2.142）（2.143）66微生物反应中的产热速率（6—10（40）KW/m3，6.3—11.3KJ/g(cell)(dry)）式中:CHV-J/L(Reactor),YX/HV-g/J(forcell)(一)需氧反应，代谢产物为CO2：Q=△HR（-△O2）（复合培养基中，丝状真菌：385~494细菌为385~565，以细菌、酵母、霉菌顺序递减）其中：△Hc，x测定得为-17.6[KJ/g],代谢产物CO2(g)、O2、H2O、N2（g）、SO2、NH3（N源为NH3，且燃烧S、P及X中的N最终产物均为NH3）的△Hc,p均为0，其余可查手册。(三)据质量统计算式（2.102）:Q/△X=△Ha(ssimilation)+△Hd(issimilation)[J/g]2.3.5非均相微生物反应过程

质量传递过程（2.144）（2.145）（2.146）（2.147）67胞内控制步骤为kin.(MT);l~细胞膜hom;超细胞（如氧）MT.G-G/L(kL1)-L-(kL2)L/Ss-l/s;medi-Well-cell-in-cell.

ds(mm):kL1aL>kL2as;

ds(μm):kL2as>kL1aL.好气培养(O.T.):kG>>kl,[kla]

关于kLa

kLa(Rea);a;kL、a;kLa——影响kLa的因素(一)操作变量.(a)通风与搅拌[DO]:n(Pg);Q+n(Pg不变);通O2

（b）t/p：t（μL

，D，）；P[γ[DO]]，↑kLa

）68(二)反应液理化性质（a）有机物（a）：（kL~flow）pro.(kLa↓)酮、醇、酯（kLa↑）（b）离子强度（a）：多种盐0.2-0.5mol/l，a↑；Pg↑、Q↑：kLa随离子强度上升影响更显著

(c)表面活性剂:基质中或微生物分泌出δ表面↓(dGB↓,a↑);泡沫在相界面使kL↓(d)CX:悬浮粒使kLa↓(三)反应器结构影响不大(a)H/D≥2.5多层桨(+大Q+大Pg)(b)档极©H/D↑均可改善kLa

。——测定kLa

方法(一)亚硫酸盐法:

式中:C*-与气相分压(ρ)相平衡的液相浓度[mol/m3]；下标A-Air;VL-反应液体积[m3];Y1(2)-进(出)口气体中O2摩分率适用:kLa

高的体系.简便.CNa+↑使kLa↑,大反应器耗大量。（二）葡萄糖氧化法（glucoseoxidae）：生成葡萄糖酸，用NaOH中和滴定计算No2，用氧电极测氧浓度C：（E价高，用于实验室，接近真实体系）(三)动态法:有菌体呼吸时某时刻停止通气:再通气后(图2.30)可由式(2.152)作图2.31解kLa（2.148）（2.149）（2.150）（2.151）（2.152）70适用:一般实际系统。>10m3不宜用。C不能低于[DO]cri，如反复停气以致接近[DO]cri会造成微生物死亡。71固相微生物的传质限制效应——固相微生物的形成及其颗粒度大小(一)形成⑴絮凝物（体）：酵母，植物细胞⑵菌丝团：fila.⑶微生物膜⑷固定化细胞——其它固相微生物的RS絮凝物颗粒——球形颗粒；菌丝团亦作球状。并假定：颗粒内菌体密度分布均匀，粒内无主体流动仅为扩散，-qs无分布,定常态。（2.153）（2.154）（2.155）（2.156）（2.157）722.3.6影响发酵的主要因素及其控制菌种——反应条件——反应工程，CAO等应用——发酵工艺控制优化

(二)[DO]值与异常2况：（a）污染好气性杂菌：[DO]提前→O，长时间不回升。污染不好气杂菌、生产菌被抑制：[DO]↑。（b）污染噬菌体等：[DO]↑。（c）补料过密：（赤霉素发酵）氨基N2↑，[DO]↑，发酵液发酵酸。（d）搅拌故障或不正常操作。（三）[DO]与发酵中间控制：（a）质量：天门冬酰氨酶（0.45[DO]*转为厌氧(b)代谢方向:P[DO]（同化）>P[DO]cri>P[DO](异化)（c）[DO]*—kLa—PH协调（自动）控制系统：PH~补糖~[DO]、kLa、[DO]cri

(四)PH的影响与控制（a）Phopt（x，stage）（b）PH↓：（C：N）↑；由：H+/PH↑：（N：C）↑；OH-；补料(NH3·H2O…)73(五)CO2和RQCO2:S,P;bal.c:γx,p

;(CO2)l:AA,Ab;RQ:met(a)γx，p：CCO2，out>4%γmet/res↓-γx↓，Sdics↓，γATP↓，γP↓CO2/→mcell（CO2—FA，—prot）（b）前期CER∝γx，CCO2，out→Fs

（c）CER—补糖速率补糖—CO2、有机酸—PH（d）RQ：met.pathway(yea.[1]→x,[1.1]→C2H5OH,[0.93]→citrica.)DifS/Stages(ini.<[1],tra.↑,P···)/RQ<Rqtheo(六)Foam(Froth)(a)foaming,resulting,(b)eff.factors:Qair,Ci(s),Methstex,Meta,(c)Cont:mech;def.agent;mutant,mix.cul.742.3.7