化學(xué)反應(yīng)工程生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)

化學(xué)反應(yīng)工程生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)第1頁(yè)/共45頁(yè)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。①金屬離子它們是最簡(jiǎn)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。第2頁(yè)/共45頁(yè)10.2

酶催化反應(yīng)12酶的特性單底物酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)—米氏方程3有抑制作用時(shí)的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第3頁(yè)/共45頁(yè)

酶在參與反應(yīng)時(shí)如同化學(xué)催化劑一樣，參與反應(yīng)決不會(huì)改變反應(yīng)的自由能，亦即不會(huì)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(shí)，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酶的特性第4頁(yè)/共45頁(yè)10.2.1酶的特性第5頁(yè)/共45頁(yè)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(duì)反應(yīng)的專一性和酶對(duì)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酶的特性第6頁(yè)/共45頁(yè)對(duì)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(dòng)力學(xué)———米氏方程第7頁(yè)/共45頁(yè)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(shí)，不同底物濃度呈現(xiàn)的反應(yīng)級(jí)數(shù)不同。當(dāng)時(shí)，底物濃度很低，反應(yīng)呈現(xiàn)一級(jí)；時(shí)，底物濃度高，反應(yīng)呈現(xiàn)零級(jí)，即r與大小無關(guān)，趨于定值；底物濃度為中間值時(shí)，隨著增大反應(yīng)從一級(jí)向零級(jí)過渡，為變級(jí)數(shù)過程。10.2.2單底物酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)———米氏方程第8頁(yè)/共45頁(yè)例10-1在ｐＨ為5.1及15℃等溫下，測(cè)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(dòng)力學(xué)———米氏方程第9頁(yè)/共45頁(yè)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(jì)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(dòng)力學(xué)———米氏方程第10頁(yè)/共45頁(yè)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(shí)，則酶完全失活；當(dāng)酶與抑制物之間靠非共價(jià)鍵相結(jié)合時(shí)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(jìng)爭(zhēng)性抑制、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反競(jìng)爭(zhēng)性抑制。10.2.3有抑制作用時(shí)的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第11頁(yè)/共45頁(yè)10.2.3有抑制作用時(shí)的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（１）競(jìng)爭(zhēng)性抑制當(dāng)抑制物與底物的結(jié)構(gòu)類似時(shí)，它們將競(jìng)爭(zhēng)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。第12頁(yè)/共45頁(yè)（２）非競(jìng)爭(zhēng)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(huì)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(shí)的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第13頁(yè)/共45頁(yè)（３）反競(jìng)爭(zhēng)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(shí)的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第14頁(yè)/共45頁(yè)（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(shí)的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第15頁(yè)/共45頁(yè)10.3微生物的反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)12細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)3產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)4氧的消耗速率第16頁(yè)/共45頁(yè)細(xì)胞的生長(zhǎng)速率定義為：在單位體積培養(yǎng)液中，單位時(shí)間內(nèi)生成的細(xì)胞（亦稱菌體）量，即

均衡生長(zhǎng)類似于一級(jí)自催化反應(yīng)，以細(xì)胞干重增加為基準(zhǔn)的生長(zhǎng)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)第17頁(yè)/共45頁(yè)10.3.1細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)第18頁(yè)/共45頁(yè)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(dòng)力學(xué)由此可知，基質(zhì)消耗的比速率包括用于菌體生長(zhǎng)、維持菌體正常活動(dòng)的基質(zhì)消耗速率以及產(chǎn)物合成三部分。第19頁(yè)/共45頁(yè)Gaden根據(jù)產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長(zhǎng)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(zhǎng)與產(chǎn)物合成偶聯(lián)型。Ⅱ型稱為細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成半偶聯(lián)型。Ⅲ型稱為細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)型。10.3.3產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)第20頁(yè)/共45頁(yè)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(shí)間內(nèi)消耗（或攝?。┑难趿浚疵枋鲅跸乃俾实囊粋€(gè)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(duì)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氧的消耗速率第21頁(yè)/共45頁(yè)10.4固定化生物催化劑12概述酶和細(xì)胞的固定化第22頁(yè)/共45頁(yè)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(jiǎn)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概述第23頁(yè)/共45頁(yè)酶和細(xì)胞的固定化方法很多，通常有吸附法，包埋法，共價(jià)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(jià)結(jié)合法（４）交聯(lián)法10.4.2酶和細(xì)胞的固定化第24頁(yè)/共45頁(yè)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(duì)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(jiǎn)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。第25頁(yè)/共45頁(yè)10.5生化反應(yīng)器12概述生化反應(yīng)器的計(jì)算第26頁(yè)/共45頁(yè)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概述第27頁(yè)/共45頁(yè)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概述第28頁(yè)/共45頁(yè)（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概述第29頁(yè)/共45頁(yè)（１）間歇反應(yīng)器將式（10-1）代入間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。由于酶反應(yīng)是液相恒容過程，所以菌體的生長(zhǎng)速率為10.5.2生化反應(yīng)器的計(jì)算第30頁(yè)/共45頁(yè)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(cè)得麥芽糖轉(zhuǎn)化率為30％，試計(jì)算麥芽糖轉(zhuǎn)化率達(dá)90％時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間。

解:轉(zhuǎn)化率為30％時(shí)，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(zhǎng)速率10.5.2生化反應(yīng)器的計(jì)算第31頁(yè)/共45頁(yè)轉(zhuǎn)化率為９０％時(shí)的麥芽糖濃度代入式(10-32),得到轉(zhuǎn)化率為90％時(shí)的反應(yīng)時(shí)間，即10.5.2生化反應(yīng)器的計(jì)算第32頁(yè)/共45頁(yè)（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(shí)，在反應(yīng)器中菌體的生長(zhǎng)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(jì)算第33頁(yè)/共45頁(yè)10.5.2生化反應(yīng)器的計(jì)算反應(yīng)器中基質(zhì)濃度與稀釋率的關(guān)系為第34頁(yè)/共45頁(yè)

10.5.2生化反應(yīng)器的計(jì)算第35頁(yè)/共45頁(yè)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(dòng)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(jì)算：（1）在反應(yīng)器中的細(xì)胞濃度及其生長(zhǎng)速率。（2）為使反應(yīng)器中細(xì)胞產(chǎn)率最大，計(jì)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(jì)算第36頁(yè)/共45頁(yè)

10.5.2生化反應(yīng)器的計(jì)算解（１）全混流反應(yīng)器的稀釋率所以，細(xì)胞比生長(zhǎng)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)胞濃度第37頁(yè)/共45頁(yè)（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(jì)算第38頁(yè)/共45頁(yè)（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(shí)，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(jì)算第39頁(yè)/共45頁(yè)第一級(jí)反應(yīng)器中細(xì)胞的生長(zhǎng)速率對(duì)第二級(jí)反應(yīng)器的菌體進(jìn)行物料衡算整理得對(duì)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(jì)算第40頁(yè)/共45頁(yè)10.5.2生化反應(yīng)器的計(jì)算第41頁(yè)/共45頁(yè)10.5.2生化反應(yīng)器的計(jì)算（４）固定床反應(yīng)器

對(duì)于符