化學反應(yīng)工程-第十章-生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)

1、化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程微生物的反應(yīng)過程動力學2概述1第10章 生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)酶催化反應(yīng)固定化生物催化劑生化反應(yīng)器345化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.1 概述 利用生物催化劑來生產(chǎn)生物技術(shù)產(chǎn)品的過程通稱為發(fā)酵，它可概括為兩大類：酶催化反應(yīng)及微生物發(fā)酵反應(yīng)。 輔因子有三類。 金屬離子它們是最簡單的輔因子。 輔酶很多酶是蛋白質(zhì)部分和與它相結(jié)合的輔基所組成，這兩部分經(jīng)常是解離著的，這種酶稱為全酶，其蛋白質(zhì)部分稱為酶蛋白，輔基部分稱為輔酶。大多數(shù)輔酶屬于維生素。 輔底物它們包括NAD、NADP、輔酶Q、谷胱甘肽、ATP、輔酶A和四氫葉酸等?；瘜W反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.2 酶催化反應(yīng)12酶的特性酶的

2、特性單底物酶催化反應(yīng)動力學單底物酶催化反應(yīng)動力學米氏方程米氏方程3有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 酶在參與反應(yīng)時如同化學催化劑一樣，參與反應(yīng)決不會改變反應(yīng)的自由能，亦即不會改變反應(yīng)的平衡，只能降低反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)達到平衡的速度，使反應(yīng)速率加快。反應(yīng)終了時，酶本身并不消耗，且恢復(fù)到原來的狀態(tài)，其數(shù)量與性能都不改變，前提是不能改變酶的蛋白質(zhì)性質(zhì)。 以單底物生成產(chǎn)物的酶催化反應(yīng)為例，表示游離酶，其反應(yīng)歷程為10.2.1 酶的特性化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.2.1 酶的特性化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程與化學催化相比較，酶催化具有下述特點： 酶的

3、催化效率高 酶催化反應(yīng)具有高度的專一性，它包括酶對反應(yīng)的專一性和酶對底物的專一性。 酶催化反應(yīng)的反應(yīng)條件溫和，無需高溫和高壓。 酶催化反應(yīng)有其適宜的溫度、溶劑的介電常數(shù)和離子強度等。 影響酶催化反應(yīng)速率的因素很多，它們分別是酶濃度、底物濃度、產(chǎn)物濃度、溫度、酸堿度、離子強度和抑制劑等。10.2.1 酶的特性化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 對于典型的單底物酶催化反應(yīng)，例如其反應(yīng)機理可表示為10.2.2 單底物酶催化反應(yīng)動力學米氏方程化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 由Michaelis Menten的快速平衡法或Briggs Haldane的擬定態(tài)法假設(shè)，推導得到的米氏方程定量描述了底物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系，

4、即 米氏方程為雙曲函數(shù)，如圖10-2所示。起始酶濃度一定時，不同底物濃度呈現(xiàn)的反應(yīng)級數(shù)不同。當 時，底物濃度很低，反應(yīng)呈現(xiàn)一級； 時，底物濃度高，反應(yīng)呈現(xiàn)零級，即r與 大小無關(guān)，趨于定值 ；底物濃度為中間值時，隨著 增大反應(yīng)從一級向零級過渡，為變級數(shù)過程。10.2.2 單底物酶催化反應(yīng)動力學米氏方程化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 例例10-110-1在為5.1及15等溫下，測得葡萄糖淀粉酶水解麥芽糖的初速率與麥芽糖濃度的關(guān)系如下：試求該淀粉酶水解麥芽糖反應(yīng)的 和 。10.2.2 單底物酶催化反應(yīng)動力學米氏方程化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程解：解：將米氏方程線性化，經(jīng)重排得由此式可知， 為線性關(guān)系，故可根據(jù)

5、題給出數(shù)據(jù)計算 值，列于表中。利用線性最小二乘法，將表10-1的數(shù)據(jù)代入前式，回歸得所以10.2.2 單底物酶催化反應(yīng)動力學米氏方程化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 酶催化反應(yīng)中，某些物質(zhì)的存在使得反應(yīng)速率下降，這些物質(zhì)稱為抑制劑，其效應(yīng)稱為抑制作用。抑制作用可分為兩類，即可逆性抑制與不可逆性抑制。不可逆性抑制將使活性酶濃度減少，若抑制物濃度超過酶濃度時，則酶完全失活；當酶與抑制物之間靠非共價鍵相結(jié)合時稱為可逆性抑制。根據(jù)產(chǎn)生的抑制機理不同，可逆性抑制又可分為三種類型，即競爭性抑制、非競爭性抑制和反競爭性抑制。10.2.3 有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.2.3 有抑制作用

6、時的酶催化反應(yīng)動力學（）競爭性抑制 當抑制物與底物的結(jié)構(gòu)類似時，它們將競爭酶的同一可結(jié)合部位活性位，阻礙了底物與酶相結(jié)合，導致酶催化反應(yīng)速率降低?；瘜W反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程（）非競爭性抑制 有些抑制物往往與酶的非活性部位相結(jié)合，形成抑制物酶的絡(luò)合物后會進一步再與底物結(jié)合；或是酶與底物結(jié)合成底物酶絡(luò)合物后，其中有部分再與抑制物結(jié)合。 10.2.3 有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程（）反競爭性抑制 有些抑制劑不能直接與游離酶相結(jié)合，而只能與底物-酶絡(luò)合物相結(jié)合形成底物-酶-抑制劑中間絡(luò)合物。10.2.3 有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程（）底物抑制 有些酶

7、催化反應(yīng)速率與底物濃度關(guān)系不是雙曲函數(shù)，而是拋物線關(guān)系。10.2.3 有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.3 微生物的反應(yīng)過程動力學12細胞生長動力學細胞生長動力學基質(zhì)消耗動力學基質(zhì)消耗動力學3產(chǎn)物生成動力學產(chǎn)物生成動力學4氧的消耗速率氧的消耗速率化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 細胞的生長速率 定義為：在單位體積培養(yǎng)液中，單位時間內(nèi)生成的細胞（亦稱菌體）量，即 均衡生長類似于一級自催化反應(yīng)，以細胞干重增加為基準的生長速率與細胞濃度成正比，其比例系數(shù)為，即10.3.1 細胞生長動力學化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.3.1 細胞生長動力學化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 在間歇培養(yǎng)中基質(zhì)消

8、耗速率為 表示單位細胞濃度的基質(zhì)消耗速率，即 表示單位細胞濃度產(chǎn)物的生成速率，即10.3.2 基質(zhì)消耗動力學 由此可知，基質(zhì)消耗的比速率包括用于菌體生長、維持菌體正?；顒拥幕|(zhì)消耗速率以及產(chǎn)物合成三部分?；瘜W反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 Gaden根據(jù)產(chǎn)物形成與細胞生長間的不同關(guān)系，將發(fā)酵分為三種類型，即型、型和型。型稱為細胞生長與產(chǎn)物合成偶聯(lián)型。型稱為細胞生長與產(chǎn)物合成半偶聯(lián)型。型稱為細胞生長與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)型。10.3.3 產(chǎn)物生成動力學化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 氧的消耗速率亦稱攝氧率（OUR），它表示單位體積培養(yǎng)液中，細胞在單位時間內(nèi)消耗（或攝?。┑难趿?，即 描述氧消耗速率的一個重要參數(shù)是比耗氧

9、速率 ，亦稱呼吸強度。它表示單位菌體濃度的氧消耗速率，即 對于一般微生物反應(yīng)，氧消耗量=基質(zhì)燃燒需氧量-細胞燃燒需氧量-代謝產(chǎn)物燃燒需氧量10.3.4 氧的消耗速率化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.4 固定化生物催化劑12概述概述酶和細胞的固定化酶和細胞的固定化化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 固定化酶是將酶固定在載體或限制在一定局部空間范圍內(nèi)，經(jīng)固定化的酶雖然可以克服游離酶的缺點，但尚需進行提取與純化，才能得到酶，且固定化酶只適用于簡單的酶反應(yīng)。固定化酶和固定化細胞統(tǒng)稱為固定化生物催化劑。 固定化細胞是指將細胞固定在載體上或限制在一定局部空間范圍內(nèi)。按細胞的生理狀態(tài)，固定化細胞可分為固定化死細胞，固定化

10、休止細胞和固定化增殖細胞。10.4.1 概述化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 酶和細胞的固定化方法很多，通常有吸附法，包埋法，共價結(jié)合法和交聯(lián)法。（）吸附法有表面法和細胞聚集法兩種。（）包埋法是細胞或酶固定化最常用的方法，它是將酶或細胞固定在高分子化合物的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中?，F(xiàn)有三種包埋法，即凝膠包埋法、微膠囊包埋法和纖維包埋法。（）共價結(jié)合法（）交聯(lián)法10.4.2 酶和細胞的固定化化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.4.2 酶和細胞的固定化 一般認為符合工業(yè)生產(chǎn)要求的固定化生物催化劑應(yīng)滿足：選用的載體應(yīng)對細胞或酶無毒性，有合適的孔徑、孔率、比表面積和幾何形狀，既要使細胞不泄漏或少泄漏，還要具有良好的通透性；固

11、定化方法簡單，制備條件溫和，盡量減少酶活損失，且應(yīng)易于成型，使其外型能滿足生化反應(yīng)器要求；單位體積細胞或酶含量高，以增大反應(yīng)器生產(chǎn)能力；固定化細胞的機械強度高，酶活穩(wěn)定性好?；瘜W反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.5 生化反應(yīng)器12概述概述生化反應(yīng)器的計算生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 一般生化反應(yīng)器應(yīng)滿足：能在不同規(guī)模要求上為細胞增殖、酶的催化反應(yīng)和產(chǎn)物形成提供良好的環(huán)境條件；能在盡量減少單位體積所需功率輸入的情況下，提供較好的混合條件，并能增大傳熱和傳質(zhì)速率；操作彈性大，能適應(yīng)生化反應(yīng)的不同階段或不同類型產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。10.5.1 概述化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 多種型式的生化反應(yīng)器：（）

12、機械攪拌型（）氣體提升型10.5.1 概述化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程（）液體噴射環(huán)流型（）固定床生化反應(yīng)器（）流化床生化反應(yīng)器（）膜反應(yīng)器10.5.1 概述化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程（）間歇反應(yīng)器 將式（10-1）代入間歇反應(yīng)器的設(shè)計方程。由于酶反應(yīng)是液相恒容過程，所以菌體的生長速率為10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 例例10-3 10-3 在間歇反應(yīng)器中，于15等溫條件下采用葡萄糖淀粉酶進行麥芽糖水解反應(yīng)， 為1.2210-2mol/L，麥芽糖初始濃度為2.5810-3mol/L，反應(yīng)10min測得麥芽糖轉(zhuǎn)化率為30，試計算麥芽糖轉(zhuǎn)化率達90時所需的反應(yīng)時間。 解解: :轉(zhuǎn)

13、化率為30時，麥芽糖的濃度為變換式(10-32),并將已知數(shù)據(jù)代入，得到該酶反應(yīng)的細胞最大生長速率10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 轉(zhuǎn)化率為時的麥芽糖濃度代入式(10-32),得到轉(zhuǎn)化率為90時的反應(yīng)時間，即10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程（）全混流反應(yīng)器酶催化反應(yīng)微生物反應(yīng) 在全混流反應(yīng)器中，假設(shè)進料中不含菌體，則達到定態(tài)操作時，在反應(yīng)器中菌體的生長速率等于菌體流出速率，即將 代入，得10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.5.2 生化反應(yīng)器的計算反應(yīng)器中基質(zhì)濃度與稀釋率的關(guān)系為化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 10.5.2 生化反應(yīng)器

14、的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 例例10-410-4在10L的全混流反應(yīng)器中，于30培養(yǎng)大腸桿菌。其動力學方程符合Monod方程，其中 ， 。葡萄糖的進料濃度為10g/L，進料流量為4L/h， 。試計算：（1）在反應(yīng)器中的細胞濃度及其生長速率。（2）為使反應(yīng)器中細胞產(chǎn)率最大，計算最佳進料速率和細胞的最大產(chǎn)率。10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程 10.5.2 生化反應(yīng)器的計算解解（）全混流反應(yīng)器的稀釋率所以，細胞比生長速率：由式（10-50）可得反應(yīng)器底物濃度為反應(yīng)器內(nèi)細胞濃度化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程（） 最佳進料速率 反應(yīng)器中細胞濃度 細胞的最大產(chǎn)率10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程（）串聯(lián)全混流反應(yīng)器 采用串聯(lián)的全混流反應(yīng)器進行細胞培養(yǎng)時，操作方式一般有三種，即直接由第一釜加料；除第一釜加料外，以后各釜均有連續(xù)補料；直接由第一釜進料，但最后釜的出料中有部分循環(huán)返回第一釜。10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程第一級反應(yīng)器中細胞的生長速率對第二級反應(yīng)器的菌體進行物料衡算整理得對限制性基質(zhì)進行衡算整理得根據(jù)Monod方程10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程10.5.2 生化反應(yīng)器的計算化學反應(yīng)工