生物反应工程

1、生物反应工序，绪论酶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，生物反应工序的研究目的，生物反应过程的研究目的，为记述微生物(或者酶，动植物等)反应系统提供了适当的动力学速度方程式，确定这些方程式在设计方面的用途计划实验室的实验，确定了决定动力学方程式所需要的速度常数。 生物反应过程和化学反应过程的本质区别在于生物催化剂参与了反应。 一般生物反应过程的示意图、酶、定义：酶是机体为了自身代谢活动而产生的生物催化剂进行酶催化反应的类型，酶可分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、分裂酶、与传导酶合成(或连接)酶6种。 酶的特征，酶降低作为催化剂的共性，(1)降低反应的活化能，(2)酶能加快反

2、应速度，(3)只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)酶具有很强的特异性高催化效率酶不仅具有生物催化剂，还具有调节功能，底物特异性：一种酶只作用于一个底物酶的反应特异性：对一定体系在热力学上可能进行多种反应， 一种酶只能催化一种反应酶的立体特异性：一种酶只作用于多个立体异构体中的一种，引起酶的稳定性、酶失活的原因： (1)酶活性中心的特定氨基酸(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，不与基质结合(3)酶的高级结构变化，相对宏观的变化(4)多肽链的切断，可以说是“剧烈的分解作用”。 确保酶活性稳定的主要方法、酶的固定化技术、酶的

3、固定化技术是使水溶性酶分子通过一定的方式。 例如，静电吸附、共价键等是与卡拉胶、离子交换树脂等材料结合，制成固相酶即固定化酶的技术。 酶或酶复合体系固定化后，酶的性质发生变化的原因是，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，二是载体的理化性质的影响在固定化酶的周围形成了影响基质传递的扩散层和静电的相互作用等。 固定化酶的性质变化主要是因为(1)底物特异性的变化形成立体障碍，因此高分子底物难以接近固定化酶分子，酶的底物特异性发生变化。 (2)为了增强稳定性，固定化酶比游离酶稳定性好，主要出现在热稳定性、保存和使用稳定性的增加，并且对蛋白酶的抗性和对变性剂的抗性也增强。 (

4、3)最佳PH和最佳温度的变化(4)动力学常数的变化、酶和细胞的固定化技术、酶和细胞(微生物和创植物细胞)的固定化方法很多，找不到适用于任何生物体的方法。 酶和细胞的固定化方法分为载体结合法、交联法和包埋法，这些方法也可以并用，称为混合法。 载体结合法是通过共价键、离子键、物理吸附等方法将酶或细胞与水不溶性载体(例如纤维素、琼脂糖等多糖类、多孔玻璃、离子交换树脂等)结合的固定化法。 根据结合形式可以分为物理吸附法、离子键法、共价键法等。 交联法利用双功能试剂的作用，在酶分子间交联，形成凝聚的网状结构，构成固定化酶(或细胞)。 常用的双功能试剂有戊二醛、马来酸酐和乙烯共聚物等。 包埋法是将酶包埋在

5、凝胶的微细格子中，或者包埋在半透过性的聚合膜中，使酶分子不会从凝胶网络漏出，小分子的基质和产物可以自由地通过凝胶网络。 根据包埋形式，分为格子型和微胶囊型。 常用的凝胶有卡拉胶、明胶、聚丙烯酰胺凝胶、淀粉凝胶等。促进酶反应动力学的基础，促进酶反应的动力学可以用化学反应动力学的方法建立相应的动力学方程。 酶的反应速度与基质浓度无关，在这种情况下，零级反应是反应速度与基质浓度的一次成比例，一次反应，即酶催化AB的过程、促进连锁酶反应的过程、微生物的反应动力学、微生物不能用肉眼直接观察到，微小但能有生命繁殖的生物的总称，是细菌、放线菌根据微生物分类学，分为边界、门、纲、目、科、属、种，种以下有变种、

6、型、品种等。 影响微生物反应的环境因素有： (1)营养物质微生物和其他生物一样，为了生存必须从环境中获得各种物质，合成细胞物质，提供能量，对新陈代谢发挥调节作用。 这些物质被称为营养物质。 营养物质分为碳源、氮源、无机元素、微量营养元素和生长因子等。 碳源的主要作用是构成细胞物质，为微生物生长发育提供必要的能量。 氮源对微生物的生长发育有着重要的作用，它主要提供合成原生质体和细胞其他结构的原料，一般能量无机元素也是微生物生长不可缺少的营养物质，其主要功能是作为构成细胞的组成成分酶的组成成分，维持酶的作用的细胞渗透压、氢离子浓度， 调节氧化还原电位等有机物对于微生物维持正常生活是不可缺少的，但其

7、必要量少，一般被称为生长因子。 根据化学结构指示代谢功能可分为维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶三种。 (2)温度在一定范围内，微生物的代谢活动和生长繁殖随温度的上升而增加，温度在一定程度上上升，开始对生物体产生不良影响，温度持续上升，细胞功能急剧下降，死亡。 每种生物都有最佳生长温度、最高生长温度、最低生长温度，并且最佳、最高、最低温度随环境条件的变化而变化。 微生物细胞繁殖的温度范围，(3)溶解氧和氧化还原电位根据微生物的氧需求性，可将微生物分为厌氧型、好氧型、兼性厌氧型3种。 氧在溶解的状态下被微生物利用，当溶解氧浓度低时无法检测出氧电极时，可以作为定量地表示培养基的氧化还原电位Eh的厌氧程度的

8、方法。 (4)pH不同的微生物有最佳的pH范围。 大多数自然环境的pH值为59，许多微生物的最佳生长pH值也在此范围内，只能生长在pH值在2以下或10以上的环境中。 (5)湿度一般情况下，细菌要求水的生废(湿润材料的饱和蒸气压相同，纯水的饱和蒸气压)在0.900.99之间的酵母菌大部分是0.800.90。真菌和少数酵母菌为0.600.70，微生物反应过程的质量平衡计算、微生物反应过程和一般化学反应过程的主要差异在于在伴随微生物的生长、代谢产物的产生的过程中，用具有正确系数的反应方程式来表现从基质到产物的反应过程非常困难，但如果将微生物反应看作生成多个产物的复合反应，则概念上，微生物反应过程的收

9、率系数、收率系数被写入定量评价碳源等物质产生细胞和其他产物的潜力的重要参数消耗1g基质产生细胞的克数称为细胞收率或生长收率YX/S细胞收率的单位是(细胞基质) gg或gmd。 这里的细胞是指干细胞，把某一瞬间的细胞收率称为微分细胞收率(或瞬时细胞收率)，其定义式是rX-微生物细胞的成长率rS-基质的消耗率。 同菌种、同一培养基、好氧培养的YX/S远大于厌氧培养的YX/S，另外，以同一菌株为基本、合成、复合培养基培养的YX/S的大小，按复合培养基、合成培养基、基本培养基的顺序排列。基质是碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分都被细胞的构成成分同化，其馀部分被异化分解为二氧化碳和代谢产物。

10、 从碳源对菌体的同化作用来看，与碳相关的细胞获得率Yc用下式表示，计算微生物反应中的能量平衡，微生物反应为发热反应。 储存在碳源中的能量，在好氧反应中40%-50%的能量转换为ATP，供微生物生长、代谢之用，剩馀的能量作为热被排出。 采用复合培养基时，营养成分通过分解代谢生成能量(ADPATP )的同时生成产物。 另一方面，培养基中的成分在通过同化代谢合成微生物细胞的同时利用了能量(ADPATP )。 也就是说，能量是由呼吸(例如，糖在氧的存在下氧化，分解成CO2和H2O )和发酵(在厌氧的过程中糖分解成中间代谢物和CO2)得到的。 描述、1、微生物反应动力学、微生物动力学的方法，并不是指生物

11、分离成不连续的单一生物，而是指集体的存在。 一般可以将微生物群体的变化过程分为生长、繁殖、维持、死亡、溶胞、能动性、形态变化、物理群体变化等过程。 生长速度、微生物生长速度是集团生物量的生产速度，而不是集团生物量变化的速度。 在平衡生长条件下，微生物细胞生长速度rx的公式是基质消耗动力学，可以以菌体获得率为媒介，确定基质的消耗速度和生长速度的关系。 底物消耗速率rs为：动植物细胞培养动力学，动植物细胞培养技术为在合适的培养基中对动植物组织、器官或细胞进行体外培养的技术。 动物细胞培养的特性动物细胞培养与微生物培养的比较有很多不同之处： (1)动物细胞没有细胞壁，机械强度低，适应环境能力低，(2

12、)生长速度慢，容易被微生物污染，培养时需要抗生素，且很多哺乳动物的细胞必须附着在固体或半固体表面才能生长(3)营养要求动物细胞培养过程的特点有： (1)生长速度慢，易被微生物污染，但可以通过在培养基中加入抗生素等措施解决。 (2)细胞个体大，没有墙壁，对环境敏感，因此必须慎重解决供氧(搅拌和换气)和细胞脆弱性的矛盾。 (3)扩大设备是一个新课题，不能完全遵循微生物反应过程的经验。 (4)反应过程成本高，主要用于生产高附加值产品。 植物细胞培养的特性，与微生物相比，植物细胞具有以下特性： (1)细胞大，细胞壁以纤维素为主要成分，没有拉伸阻力，所以剪切阻力低；(2)与动物细胞培养相同，生长速度慢，

13、为了防止培养中的染色，需要添加抗生素(3)。 细胞培养需要氧，但培养液的粘度高，不能进行强通风搅拌(4)生成物在细胞内，产量低(6)培养的植物细胞，通常生长成各种大小的团块(从几个细胞到数百个细胞)，增加了浮游培养的困难等。 生物反应器、生物反应器的特征： (1)生物(酶除外)反应都是以“自催化”方式进行的，即目标物的生成过程中生物本身必须繁殖(2)生物反应速度慢，所以生物反应器的体积反应速度不高(3)与其他相当生产规模的加工过程相比，需要的反应生物反应器的作用、生物反应器的作用可以为生物代谢提供最佳的物理和化学环境，使生物体更快地生长，得到更必要的生物量和代谢产物。 在不同类型的工业生物反应

14、器中，基质、产物和生物浓度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、高三传输速度、能耗低、易放大、成套可靠的检测和控制仪表等，生物反应器的生物学基础、定量研究生物反应器的基础是生物反应动力学。 生物反应动力学研究的目的是定量描述反应过程速度及其影响因素。 影响因素不仅包括生物本身、各反应成分的浓度、温度及溶液的性质，还包括反应器的结构和形式、操作方式、材料的流动和混合、传递和传热等。 生物反应速度主要指细胞的生长速度、基质的消耗速度和生成速度。 生物反应器设计的基本原理、生物反应器设计原理是基于加强遗传、传热等操作，将生物活性控制在最佳条件

15、下，降低总操作费用。 生物反应器的选定和设计要点：生物反应器的混合、生物工业的混合过程分为气液、液固、固、液液、相互溶液和液流动6种基本类型。 根据完成混合过程的装置，生物反应器内的混合方法可以分为机械搅拌混合和气流搅拌混合。 混合过程的分类、生物反应器中的传热、实际的生物反应过程中的热量的计算，通过(1)在反应中冷却软管的热量来计算，(2)通过反应液的温度上升来计算，(3)通过生物合成来计算，(4)通过燃烧热来计算，通过热交换装置的传热面积来计算，气温高的地区、冷却水温高、传热效果可以采用在冷却面积大、气温低的地区用地下水冷却、冷却面积小、根据发酵制品冷却面积不同的4种方法。 由于生物反应器

16、中的传递过程，与生物反应过程相关的质量传递问题非常复杂，下面就以氧的传递为主，简要介绍生物反应过程中的传递理论。 氧传递理论的概要氧传递阻力有气膜阻力、气液界面阻力、液膜阻力、反应液阻力、细胞外液膜阻力、液体与细胞的界面阻力、细胞间介质的阻力、细胞内部传递物质的阻力(包括氧向细胞呼吸酶传递的阻力)等。从气泡到细胞的氧的传递过程的示意图，氧传递总电阻r式，Ri，I阶段的分阻力稳定时，如果各阶段的氧传递速度n一定，停滞膜模型的基本论点是，(1)气液二流体相间存在界面，界面的两侧有气体膜和液体膜这两层稳定的薄膜， 这两层稳定的薄膜在任何流体力学条件下都呈停滞流状态(2)在气液界面上，二相的浓度总是平衡(空气中的氧的浓度和液体中溶解的氧的浓度处于平衡状态)，即界面上不存在氧传递阻力； (3)在两膜以外的气液二相的主流中，因为流体充分流动，氧的浓度几乎均匀，也就是说没有任何传递阻力，所以氧从气相主体遇到液相主体的阻力只存在于二层流膜中。 关于氧的传递速度，以液相浓度为基准可以得到下式，各传递物质的电阻的大小取决于气体的溶解度。 如果气体在液相书中的溶解度高，则氨气溶解于水中时液相的传递阻力相对于气相可以忽略，相反，对于溶解度小的气体，总传递系数KL接近液膜传递系数KL时，总传递过程受液相中的传递过程控制。 丁醇是一种难溶性气体，有细胞膜内的传递过程，营养物