化學(xué)反應(yīng)工程生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)

微生物的反應(yīng)過程動力學(xué)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34510.1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。①金屬離子它們是最簡單的輔因子。②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。③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。10.2

酶催化反應(yīng)12酶的特性單底物酶催化反應(yīng)動力學(xué)—米氏方程3有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學(xué)

酶在參與反應(yīng)時如同化學(xué)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(dá)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Ｓ生成產(chǎn)物Ｐ的酶催化反應(yīng)為例，Ｅ表示游離酶，其反應(yīng)歷程為10.2.1酶的特性10.2.1酶的特性與化學(xué)催化相比較，酶催化具有下述特點(diǎn)：①酶的催化效率高②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。③酶催化反應(yīng)的反應(yīng)條件溫和，無需高溫和高壓。④酶催化反應(yīng)有其適宜的溫度、ｐＨ、溶劑的介電常數(shù)和離子強(qiáng)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(qiáng)度和抑制劑等。10.2.1酶的特性對于典型的單底物酶催化反應(yīng)，例如其反應(yīng)機(jī)理可表示為10.2.2單底物酶催化反應(yīng)動力學(xué)———米氏方程由MichaelisMenten的快速平衡法或BriggsHaldane的擬定態(tài)法假設(shè)，推導(dǎo)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，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(dāng)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(xué)———米氏方程例10-1在ｐＨ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(xué)———米氏方程解：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)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(xué)———米氏方程酶催化反應(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(dāng)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(jī)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(xué)10.2.3有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學(xué)（１）競爭性抑制當(dāng)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(dǎo)致酶催化反應(yīng)速率降低。（２）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(jìn)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(xué)（３）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(xué)（４）底物抑制有些酶催化反應(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(xué)10.3微生物的反應(yīng)過程動力學(xué)12細(xì)胞生長動力學(xué)基質(zhì)消耗動力學(xué)3產(chǎn)物生成動力學(xué)4氧的消耗速率細(xì)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(xì)胞（亦稱菌體）量，即

均衡生長類似于一級自催化反應(yīng)，以細(xì)胞干重增加為基準(zhǔn)的生長速率與細(xì)胞濃度成正比，其比例系數(shù)為μ，即10.3.1細(xì)胞生長動力學(xué)10.3.1細(xì)胞生長動力學(xué)在間歇培養(yǎng)中基質(zhì)消耗速率為表示單位細(xì)胞濃度的基質(zhì)消耗速率，即表示單位細(xì)胞濃度產(chǎn)物的生成速率，即10.3.2基質(zhì)消耗動力學(xué)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。Gaden根據(jù)產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長間的不同關(guān)系，將發(fā)酵分為三種類型，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型稱為細(xì)胞生長與產(chǎn)物合成偶聯(lián)型。Ⅱ型稱為細(xì)胞生長與產(chǎn)物合成半偶聯(lián)型。Ⅲ型稱為細(xì)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(xué)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(xì)胞在單位時間內(nèi)消耗（或攝?。┑难趿浚疵枋鲅跸乃俾实囊粋€重要參數(shù)是比耗氧速率，亦稱呼吸強(qiáng)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(xì)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10.4固定化生物催化劑12概述酶和細(xì)胞的固定化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(diǎn)，但尚需進(jìn)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(xì)胞統(tǒng)稱為固定化生物催化劑。固定化細(xì)胞是指將細(xì)胞固定在載體上或限制在一定局部空間范圍內(nèi)。按細(xì)胞的生理狀態(tài)，固定化細(xì)胞可分為固定化死細(xì)胞，固定化休止細(xì)胞和固定化增殖細(xì)胞。10.4.1概述酶和細(xì)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。（１）吸附法有表面法和細(xì)胞聚集法兩種。（２）包埋法是細(xì)胞或酶固定化最常用的方法，它是將酶或細(xì)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。（３）共價結(jié)合法（４）交聯(lián)法10.4.2酶和細(xì)胞的固定化10.4.2酶和細(xì)胞的固定化一般認(rèn)為符合工業(yè)生產(chǎn)要求的固定化生物催化劑應(yīng)滿足：①選用的載體應(yīng)對細(xì)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(xì)胞不泄漏或少泄漏，還要具有良好的通透性；②固定化方法簡單，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；③單位體積細(xì)胞或酶含量高，以增大反應(yīng)器生產(chǎn)能力；④固定化細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度高，酶活穩(wěn)定性好。10.5生化反應(yīng)器12概述生化反應(yīng)器的計算一般生化反應(yīng)器應(yīng)滿足：①能在不同規(guī)模要求上為細(xì)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；②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；③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概述多種型式的生化反應(yīng)器：（１）機(jī)械攪拌型（２）氣體提升型10.5.1概述（３）液體噴射環(huán)流型（４）固定床生化反應(yīng)器（５）流化床生化反應(yīng)器（６）膜反應(yīng)器10.5.1概述（１）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)器的計算例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(jìn)行麥芽糖水解反應(yīng)，為1.22×10-2mol/L，麥芽糖初始濃度為2.58×10-3mol/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(dá)90％時所需的反應(yīng)時間。

解:轉(zhuǎn)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(xì)胞最大生長速率10.5.2生化反應(yīng)器的計算轉(zhuǎn)化率為９０％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（２）全混流反應(yīng)器①酶催化反應(yīng)②微生物反應(yīng)在全混流反應(yīng)器中，假設(shè)進(jìn)料中不含菌體，則達(dá)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

10.5.2生化反應(yīng)器的計算例10-4在10L的全混流反應(yīng)器中，于30℃培養(yǎng)大腸桿菌。其動力學(xué)方程符合Monod方程，其中，。葡萄糖的進(jìn)料濃度為10g/L，進(jìn)料流量為4L/h，。試計算：（1）在反應(yīng)器中的細(xì)胞濃度及其生長速率。（2）為使反應(yīng)器中細(xì)胞產(chǎn)率最大，計算最佳進(jìn)料速率和細(xì)胞的最大產(chǎn)率。10.5.2生化反應(yīng)器的計算

10.5.2生化反應(yīng)器的計算解（１）全混流反應(yīng)器的稀釋率所以，細(xì)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(xì)胞濃度（２）最佳進(jìn)料速率反應(yīng)器中細(xì)胞濃度細(xì)胞的最大產(chǎn)率10.5.2生化反應(yīng)器的計算（３）串聯(lián)全混流反應(yīng)器

采用串聯(lián)的全混流反應(yīng)器進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)時，操作方式一般有三種，即①直接由第一釜加料；②除第一釜加料外，以后各釜均有連續(xù)補(bǔ)料；③直接由第一釜進(jìn)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)器的計算第一級反應(yīng)器中細(xì)胞的生長速率對第二級反應(yīng)器的菌體進(jìn)行物料衡算整理得對限制性基質(zhì)進(jìn)行衡算整理得根據(jù)Monod方程10.5.2生化反應(yīng)器的計算10.5.2生化反應(yīng)器的計