生化反應(yīng)工程

生化反應(yīng)工程Contents第一節(jié)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)第三節(jié)生物反應(yīng)器第四節(jié)連續(xù)培養(yǎng)幾個(gè)問(wèn)題？你們?cè)谄匠Ｉ钪幸?jiàn)過(guò)那些生化反應(yīng)？生化反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的？第一節(jié)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶是有催化功能的蛋白質(zhì)，催化劑能影響化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率，但是不能影響反應(yīng)的平衡狀態(tài)第一節(jié)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)什么是催化劑：催化劑是一種物質(zhì)，它能夠加速反應(yīng)的速率而不改變?cè)摲磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓變化。

酶同化學(xué)催化劑在催化過(guò)程中的作用是相似的，但是化學(xué)催化劑常是非專(zhuān)一性的，酶催化劑雖然也有些不是非常專(zhuān)一，但大多數(shù)是專(zhuān)一性很強(qiáng)的，它們催化某種底物進(jìn)行一種反應(yīng)。例如：將水解蛋白成為小的多肽或氨基酸的水解蛋白酶，并不希望它有太強(qiáng)的專(zhuān)一性，或者稱(chēng)為廣譜酶；而催化一種特殊物質(zhì)異構(gòu)化的酶確往往要求很強(qiáng)的專(zhuān)一性。而決定催化能力的活性點(diǎn)與酶分子的三維結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

酶的另一個(gè)特性是經(jīng)常需要輔因子的共同作用，輔因子是非蛋白質(zhì)化合物，它與非活性蛋白結(jié)合形成具有催化活性的復(fù)合物，這種復(fù)合物常稱(chēng)為酶。輔因子分為三類(lèi):第一節(jié)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1、金屬離子：最簡(jiǎn)單的輔因子。酶與輔因子結(jié)合緊密時(shí)，金屬離子已成為酶的一部分。有時(shí)，酶與金屬離子的可逆結(jié)合比較弱，這類(lèi)金屬離子成為激活劑。第一節(jié)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2、輔酶。很多酶是由蛋白質(zhì)部分和與其相結(jié)合的輔基所組成，其蛋白質(zhì)部分叫作酶蛋白，輔基部分叫作輔酶。3、輔底物。包括NAD、NADP、輔酶Q、谷胱甘肽、ATP、輔酶A和四氫葉酸等，這類(lèi)物質(zhì)是作為第二底物（同底物相比較）起作用的，它們以化學(xué)計(jì)量關(guān)系與真正的底物進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后輔底物發(fā)生變化，不能靠這個(gè)酶反應(yīng)本身把它還原成原來(lái)的狀態(tài)（即），如1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如果酶催化反應(yīng)為：

，則反應(yīng)速率可以定義為：式中Cs和Cp分別為底物和產(chǎn)物的濃度。為測(cè)定酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，常作如下實(shí)驗(yàn)：在時(shí)間為零時(shí)，把底物和酶溶液在充分?jǐn)嚢柘屡cpH緩沖溶液混和，保持恒溫，然后跟蹤底物或產(chǎn)物濃度隨時(shí)間的變化，由所得的數(shù)據(jù)求取底物或產(chǎn)物對(duì)時(shí)間曲線的初始斜率，即其中酶濃度CE＝CE0，CS＝CS0和Cp＝0

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一、米氏方程米氏方程取不同的CS0和CE0可得到不同的，如圖10-1，從圖中可以看出：對(duì)底物濃度來(lái)說(shuō)，在低濃度下，反應(yīng)速率呈一級(jí)反應(yīng)的特征；底物濃度不斷增加時(shí)，對(duì)底物的反應(yīng)級(jí)數(shù)從一級(jí)逐漸變成零級(jí)；反應(yīng)速率與總酶量成正比。

圖1-1酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)這種現(xiàn)象最簡(jiǎn)單的解釋是酶催化反應(yīng)至少必須經(jīng)過(guò)兩步。首先，酶E和底物S結(jié)合形成酶－底物中間體ES，在中間體形式下，底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物并釋放出來(lái)：

如果10-3a反應(yīng)進(jìn)行的很快，處于平衡態(tài)，有

其中CS，CE，，CES表示底物S酶E，中間體ES的濃度。，中間體變成產(chǎn)物和游離酶是不可逆的，

10-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)將1-5、1-6式代入到1-4式中，得

因，且當(dāng)所有酶都參加了第二步反應(yīng)，反應(yīng)速率達(dá)到最大值，即，則（1-7式）可變型為其中稱(chēng)作最大反應(yīng)速率，稱(chēng)為米氏常數(shù)。而這個(gè)方程我們成為米氏方程

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)米氏方程是最簡(jiǎn)單最經(jīng)典的酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式，更為一般的情況，常用定態(tài)法處理，即

反應(yīng)速率（的反應(yīng)速率等于中間產(chǎn)物ES的生成減去分解）酶中間體生成速率因?yàn)槊傅闹虚g體在反應(yīng)開(kāi)始升高后，基本不在改變保持定態(tài)，所以

這個(gè)假設(shè)稱(chēng)為擬定態(tài)假設(shè)，成立條件為初始底物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于總酶濃度。我們將1-5、1-9、1-10和1-11式聯(lián)立，得到

其中

，不在有解離常數(shù)的物理意義我們把米氏方程1-8式積分，得

從式（1-4）或式（1-10）和1-11）都可以得到

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1-4式推到過(guò)程：

1-10推導(dǎo)過(guò)程：

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因此，當(dāng)?shù)扔跁r(shí)，總的酶分子中，有一半處于游離態(tài)，另一半處于結(jié)合態(tài)，反應(yīng)速率為最大可能反應(yīng)速率的一半。當(dāng)遠(yuǎn)大于時(shí)大多數(shù)的都與底物結(jié)合成，反應(yīng)速率呈零級(jí)反應(yīng)特征；當(dāng)遠(yuǎn)小于時(shí)，大多數(shù)酶以游離狀態(tài)存在，反應(yīng)速率呈一級(jí)反應(yīng)特征。

圖1-2米氏方程的速率－濃度關(guān)系

二、可逆反應(yīng)、雙底物反應(yīng)、底物抑制和平行反應(yīng)1、可逆反應(yīng)在酶催化反應(yīng)中，如生物大分子的水解其平衡點(diǎn)極有利于產(chǎn)物，多數(shù)情況下可看成不可逆的。但是，對(duì)于有些酶反應(yīng)，如葡萄糖異構(gòu)化酶轉(zhuǎn)化葡萄糖為果糖，在平衡狀態(tài)下時(shí)，底物和產(chǎn)物都有相當(dāng)?shù)牧?，必須考慮逆反應(yīng)。對(duì)于最簡(jiǎn)單的可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)若適用于定態(tài)近似，則正反應(yīng)速率方程為其中和與米氏方程中的和一致，并且

設(shè)平衡狀態(tài)下底物濃度為，產(chǎn)物濃度為，平衡常數(shù)為，式1-18的分子項(xiàng)等于零（平衡時(shí)反應(yīng)速率為零），即

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)又因反應(yīng)為單分子反應(yīng)，反應(yīng)物與生成物的分子個(gè)數(shù)相等，故將式1-20代入到1-21中，得引入新的底物濃度（因底物濃度很大，所以可以近似看成）

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)把式（1-20），式（1-22），式（1-23）代入式（1-18），得

其中，式（1-24）與米氏方程形式相同。實(shí)際上，當(dāng)趨于零時(shí)和分別表示和（當(dāng)，由1-19式和1-20式可，，則，同理＝）1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2、雙底物反應(yīng)有兩個(gè)底物同時(shí)與酶作用的酶催化反應(yīng)，稱(chēng)為雙底物反應(yīng)。由乙酰輔酶A和草酰乙酸生成檸檬酸的反應(yīng)，以及氧化磷酸化過(guò)程中還原輔酶（NADH＋H＋）與氧分子結(jié)合成水的酶催化反應(yīng)等都是雙底物反應(yīng)的例子速率方程式推導(dǎo)如下：1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)式中為平衡常數(shù)，為反應(yīng)速率常數(shù)，根據(jù)酶總濃度不變的原則，假定，可推得：在雙底物反應(yīng)中，若其中一種底物處于過(guò)量狀態(tài)，這時(shí),式1-29回復(fù)到米氏方程的形式

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)3、底物抑制在高底物濃度下，酶催化反應(yīng)往往會(huì)減慢，這種現(xiàn)象稱(chēng)為底物抑制，如圖1-3所示隨著底物濃度的增加，反應(yīng)速率r經(jīng)過(guò)一個(gè)最大值。當(dāng)?shù)孜餄舛葧r(shí)，底物濃度的增加反而引起反應(yīng)速率的減小。

圖1-3底物抑制時(shí)的反應(yīng)速率和底物濃度關(guān)系圖1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)這種動(dòng)力學(xué)行為對(duì)生化反應(yīng)器的性能有重要意義。在最簡(jiǎn)單的情況下可用類(lèi)似米氏方程的方法得出，酶－底物中間物ES能夠與第二個(gè)底物分子S結(jié)合生成第二個(gè)ESS，且它不能進(jìn)行下一步反應(yīng)。平衡下的反應(yīng)步驟如下：

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)利用上述關(guān)系可推出（應(yīng)用定態(tài)法）在低底物濃度下，若遠(yuǎn)小于1，上式簡(jiǎn)化成米氏方程的形式。于是，這個(gè)方程的參數(shù)和常在低底物濃度下求取。在高底物濃度下，r值比米氏方程計(jì)算值小，且在時(shí)，r達(dá)到最大值，然后縮小。（或求方程最小值）

1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)4、平行反應(yīng)許多酶不止能利用一種底物，各種反應(yīng)物共用酶的活性點(diǎn)，并產(chǎn)生相互之間的競(jìng)爭(zhēng)，這種反應(yīng)方式稱(chēng)為平行反應(yīng)。例子：生物大分子的水解酶類(lèi)，如淀粉、多糖等分子鏈很長(zhǎng)并大小不一，實(shí)際上并不是由一種物質(zhì)構(gòu)成，因此其動(dòng)力學(xué)行為也會(huì)有相應(yīng)的差別，在這里，我們先假設(shè)一種酶同時(shí)催化兩種不同的底物進(jìn)行反應(yīng)。1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢反應(yīng)由此可推出1-1簡(jiǎn)單酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)定義總的底物濃度為將1-33和1-34式代入到1-35，得到總反應(yīng)速率從1-36式可以看出，在保持總量不變的情況下，總反應(yīng)速率還取決于底物濃度之比。當(dāng)時(shí)

1-36式變?yōu)?，?dāng)時(shí)，1-36是變成為和米氏方程一致。同樣，在酶反應(yīng)中，即使反應(yīng)物總濃度保持常數(shù)，但相對(duì)量不同，反應(yīng)器性能也會(huì)發(fā)生改變。

1-2競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制首先要了解什么是抑制劑，某種物質(zhì)的存在而使酶催化反應(yīng)速率減慢，這種物質(zhì)稱(chēng)為抑制劑。抑制劑可通過(guò)兩種方式產(chǎn)生抑制作用：1、抑制作用可由抑制劑和酶之間的作用引起；2、抑制作用可由抑制劑和底物之間的作用引起。因?yàn)橐种苿┖偷孜锏淖饔脵C(jī)理相對(duì)復(fù)雜，這里只討論抑制劑和酶之間的相互作用引起的抑制現(xiàn)象。通過(guò)稀釋和去除抑制劑，有的抑制現(xiàn)象可逆，有的抑制現(xiàn)象不可逆，在眾多抑制作用中，最簡(jiǎn)單的模型是競(jìng)爭(zhēng)性抑制和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。

1-2競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制酶是靠它的活性部位來(lái)完成催化作用的。當(dāng)?shù)孜锖鸵种苿┒寄軐?zhuān)一的作用于酶的同一活性部位，抑制劑與酶的結(jié)合阻止了底物與這個(gè)酶分子的結(jié)合，這種現(xiàn)象稱(chēng)為競(jìng)爭(zhēng)性抑制。當(dāng)抑制劑和酶分子的結(jié)合點(diǎn)不在酶催化反應(yīng)的活性部位，底物和酶的結(jié)合并不影響抑制劑與酶的結(jié)合，而抑制劑與酶的結(jié)合卻阻止了底物與酶的結(jié)合，這種現(xiàn)象稱(chēng)為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。

圖1-4競(jìng)爭(zhēng)性抑制和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制

1-2競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制一、競(jìng)爭(zhēng)性抑制其中I為抑制劑，其反應(yīng)速率為我們繼續(xù)用定態(tài)假設(shè)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)、在達(dá)到平衡后維持不變，則1-2競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制因抑制劑都是過(guò)量的，所以可近似認(rèn)為抑制劑總濃度等于，可得

(可與米式方程對(duì)應(yīng))式中

競(jìng)爭(zhēng)性抑制可用于化學(xué)治療藥物，也可用于殺蟲(chóng)劑或除草劑。在青霉素之類(lèi)抗生素發(fā)現(xiàn)之前，磺胺藥物（如磺胺吡啶）用作主要的的抗細(xì)菌藥物，它在輔酶四氫葉酸的合成中能與對(duì)氨基苯甲酸競(jìng)爭(zhēng)，細(xì)菌需要合成這種酶，而人直接從維生素葉酸獲得，這樣用磺胺吡啶處理細(xì)菌感染，對(duì)人影響很小。

1-2競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制二、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制同樣根據(jù)定態(tài)假設(shè)，可得

1-2競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制在下，得式中三、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判別競(jìng)爭(zhēng)性抑制和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制通過(guò)E-H作圖法，將米氏方程轉(zhuǎn)換為；對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)性抑制和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制可將方程轉(zhuǎn)換為和1-2競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制圖1-5競(jìng)爭(zhēng)性抑制和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制的eadie作圖

1-3pH值和溫度的作用

影響酶催化活性的因素很多，如pH值、溫度、流體力、化學(xué)試劑和輻射等，其中，最常遇到、影響最大的是pH值和溫度對(duì)催化活性的作用。一、pH值的作用我們都知道，酶的基本組成是蛋白質(zhì)，構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸含有堿性、中性和酸性集團(tuán)。在一定pH值下，酶既帶有正電荷基團(tuán)也帶有負(fù)電荷基團(tuán)，而這些基團(tuán)常是構(gòu)成活性點(diǎn)的部分。一種酶往往只是在一種特定的電荷狀態(tài)下才具有催化活性。因?yàn)榫哂羞@種特定電荷狀態(tài)的酶只占總酶的一部分，隨著pH值的變化，酶的相對(duì)活力有一個(gè)最大值，即相對(duì)活性pH值曲線常呈鐘罩型或倒拋物線型。

1-3pH值和溫度的作用其模型如下：其中E代表酶的活性形式，、都是酶的非活性形式。解離常數(shù)K1,K2分別由下式表示：1-3pH值和溫度的作用其中分別對(duì)應(yīng)的和氫離子的濃度形式，而上述三種狀態(tài)的酶的總濃度是不變的，即

用分別表示與值之比，通過(guò)1-50和1-51式的轉(zhuǎn)換，則有

1-51轉(zhuǎn)換得：

1-3pH值和溫度的作用1-50轉(zhuǎn)換得：兩式代入得同理可得到：

1-3pH值和溫度的作用上述三式稱(chēng)為米氏pH值函數(shù)，y達(dá)到最大值時(shí)的氫離子濃度為即1-3pH值和溫度的作用因?yàn)閰⒓用阜磻?yīng)的是處于活化狀態(tài)的酶，那可用代替總酶濃度，則得到新的最大反應(yīng)速率為

（米式方程中最大反應(yīng)速率表達(dá)式為）

1-3pH值和溫度的作用二、溫度作用溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的作用可用阿倫尼烏斯方程表示

其中k為反應(yīng)速率常數(shù)，A為數(shù)前因子，Ea為活化能，Rg為氣體常數(shù)8.31，T是絕對(duì)溫度。最佳溫度產(chǎn)生原因：溫度升高，反應(yīng)速率加快，同時(shí)，溫度過(guò)高，酶受到破壞，失去活性，但兩者達(dá)到平衡取得最佳值時(shí)就是最佳溫度。第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)第一節(jié)我們講了幾種簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程和影響酶催化反應(yīng)的因素，這一節(jié)我們主要從細(xì)胞的角度來(lái)分析動(dòng)力學(xué)方程。細(xì)胞和酶有明顯的區(qū)別，酶是有活性的物質(zhì)，而細(xì)胞則是有生命的物質(zhì)，他利用底物主要有三個(gè)作用：（1）合成新的細(xì)胞物質(zhì)（自身代謝）（2）合成細(xì)胞外產(chǎn)物（作為整個(gè)細(xì)胞組織其它細(xì)胞的需要）（3）提供必須能量。a、進(jìn)行合成反應(yīng)需要；b、維持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的濃度與環(huán)境的差別；c、進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)

進(jìn)行細(xì)胞過(guò)程所需要的能量是ATP或類(lèi)似物質(zhì)的化學(xué)能，它由兩個(gè)過(guò)程產(chǎn)生：一、底物氧化成CO2和水（氧化磷酸化）；二、底物降解為簡(jiǎn)單產(chǎn)物（如乙醇、乙酸、檸檬酸、底物水平磷酸化等）、CO2和水等。底物水平磷酸化為第一類(lèi)產(chǎn)物。

第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)細(xì)胞外產(chǎn)物是指：（1）胞外酶（分解不能通過(guò)細(xì)胞壁的底物）；（2）多糖（用于細(xì)胞聚集）；（3）特殊代謝產(chǎn)物（能抑制競(jìng)爭(zhēng)微生物，如抗生素），這類(lèi)物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為第二類(lèi)產(chǎn)物。有時(shí)當(dāng)含碳底物過(guò)量，含氮鎂等底物限制下，產(chǎn)生第三類(lèi)底物，它們主要是蓄能化合物，如糖原、脂肪和多糖等。維持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的濃度與環(huán)境的差別和進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需要的總能量稱(chēng)為維持能，其只能維持細(xì)胞處于活性狀態(tài)，不生成細(xì)胞物質(zhì)和第二、三類(lèi)產(chǎn)物。

第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)圖1-6是細(xì)胞、底物、能量和產(chǎn)物的關(guān)系圖，各個(gè)r表示下標(biāo)物質(zhì)的生成或消耗速率，S、N、O、X、P和C分別表示底物、氮源、氧、細(xì)胞、產(chǎn)物和二氧化碳。實(shí)線表示物質(zhì)流，虛線表示以ATP形式的能量流。含碳底物（以CHO表示）形成第三類(lèi)產(chǎn)物，與含氮底物一起形成細(xì)胞物質(zhì)和第二類(lèi)產(chǎn)物。因反應(yīng)過(guò)程需要能量，含氮底物又被用來(lái)產(chǎn)生能量用以合成和維持。產(chǎn)能途徑有兩條:一是無(wú)氧代謝產(chǎn)生第一類(lèi)產(chǎn)物，二是有氧代謝產(chǎn)生CO2和水。

第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)圖1-6細(xì)胞、底物、能量和產(chǎn)物的關(guān)系圖第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)進(jìn)入的物料有三種（CHO、N、O），可以寫(xiě)出三個(gè)獨(dú)立的物料平衡關(guān)系，也能寫(xiě)出總的ATP平衡關(guān)系，這樣就有四個(gè)平衡方程。圖1-6中有八個(gè)物料流和一個(gè)能量流，總共9個(gè)速率式。因此可以有5個(gè)獨(dú)立的速率方程式。（5個(gè)反應(yīng)速率方程）

第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)最常選擇的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式rm（維持能）和rx（生長(zhǎng)速率），其它的表達(dá)式可選擇ro（氧攝入速率）、rp2和rp3（第二、三類(lèi)產(chǎn)物生成）。因?yàn)樵趯?shí)際中不可能把氧化磷酸化產(chǎn)生的CO2和水與作為第一類(lèi)產(chǎn)物的CO2區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此可忽略這支流和對(duì)應(yīng)的氧平衡，剩下兩個(gè)物料平衡和一個(gè)ATP平衡式

第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的動(dòng)力學(xué)式中Y為得率系數(shù)。為生成每kg細(xì)胞所需的ATP的千摩爾數(shù)，為生成每kg第一類(lèi)產(chǎn)物所需的ATP的千摩爾數(shù)，和類(lèi)推。這樣有了三個(gè)平衡關(guān)系和七個(gè)速率關(guān)系，其中只有四個(gè)速率方程是獨(dú)立的。它們的基本形式是

1-4細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持一、細(xì)胞的生長(zhǎng)和抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)和抑制的動(dòng)力學(xué)模型大多以酶動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)。把細(xì)胞看做是一個(gè)微小的化學(xué)反應(yīng)器，通過(guò)復(fù)雜的酶催化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)把底物轉(zhuǎn)化為活細(xì)胞物質(zhì)和分泌物質(zhì)。假設(shè)所有底物中有一種是限制性底物，在這種底物轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)所經(jīng)過(guò)的各種途徑中，有一條途徑是最慢的，限制了總反應(yīng)速率。這樣我們通過(guò)測(cè)定這條途徑的速率就可以測(cè)定總反應(yīng)速率，這步反應(yīng)稱(chēng)為限制性反應(yīng)。如果我們對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，假定速率控制反應(yīng)中，酶濃度正比于細(xì)胞濃度，底物濃度正比于限制性底物濃度，那么對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)，可以寫(xiě)出與酶催化反應(yīng)的米氏方程類(lèi)似的形式

1-4細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持此式稱(chēng)為細(xì)胞生長(zhǎng)的（Monod）方程，其中是細(xì)胞生長(zhǎng)速率，是最大比生長(zhǎng)速率，是限制性底物濃度，是飽和常數(shù)，是活細(xì)胞濃度。

稱(chēng)為比生長(zhǎng)速率。

1-4細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持如果限制性底物濃度遠(yuǎn)大于，那么比生長(zhǎng)速率為定制。這表明菌體處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，即生長(zhǎng)速率與已有的細(xì)胞量呈正比。比生長(zhǎng)速率與細(xì)胞倍增時(shí)間的關(guān)系為（倍增時(shí)間是細(xì)胞總量增加一倍所用的時(shí)間）

1-4細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持同理，對(duì)應(yīng)酶反應(yīng)方程，可得出雙底物限制、底物限制和生長(zhǎng)抑制的細(xì)胞生長(zhǎng)方程為（受底物抑制，當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄖ岛?，再提高底物濃度生長(zhǎng)速率會(huì)下降）

（受雙底物限制時(shí)）

有許多物質(zhì)包括底物、產(chǎn)物或其他物質(zhì)會(huì)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，這些抑制劑的作用就好象酶催化反應(yīng)中的抑制劑，可按酶催化抑制動(dòng)力學(xué)模擬細(xì)胞生長(zhǎng)抑制，為抑制劑濃度

1-4細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持二、細(xì)胞維持維持能是細(xì)胞消耗能量的一部分，用于維持細(xì)胞處于活性狀態(tài)（例如新合成被不斷降解的細(xì)胞物質(zhì)）以及保持細(xì)胞內(nèi)外的濃度梯度，產(chǎn)生維持能而消耗底物的速率寫(xiě)為：也可根據(jù)ATP寫(xiě)出維持方程

1-4細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持其中是ATP需要量，是速率常數(shù)。M值的范圍（0.02-4），單位是kg底物、（kg細(xì)胞h）。值的范圍為0.5-200。m值的大小與環(huán)境條件和細(xì)胞生長(zhǎng)速率有關(guān)。大部分維持能用于保持滲透壓的恒定，增加培養(yǎng)基鹽濃度會(huì)大大增加m值。pH值對(duì)m值也有較大影響，改變了環(huán)境條件，細(xì)胞調(diào)節(jié)酶譜適應(yīng)環(huán)境，細(xì)胞蛋白的重新合成加快，m值提高。生長(zhǎng)條件不改變時(shí)，用于細(xì)胞物質(zhì)重新合成的維持能比較低，但當(dāng)細(xì)胞停止生長(zhǎng)或適應(yīng)新的底物時(shí)，m值就比較高。

1-4細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持三、細(xì)胞死亡細(xì)胞在生長(zhǎng)的同時(shí)，也有部分活細(xì)胞變成非活性的。所謂非活性細(xì)胞，一部分是真正死亡，唯一的命運(yùn)是水解；另一部分處于假死狀態(tài)，短期內(nèi)不能轉(zhuǎn)化為活細(xì)胞，假定轉(zhuǎn)化為非活性細(xì)胞的速率正比于活細(xì)胞量1-4細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持環(huán)境條件對(duì)的影響知之甚少，底物濃度對(duì)的影響可假定為在底物濃度為零時(shí),有最大值；在底物濃度高時(shí)，即，有最小值。

1-5產(chǎn)物形成對(duì)各類(lèi)產(chǎn)物的生成，有許多模型，有三種模型代表了三種系統(tǒng)生長(zhǎng)偶聯(lián)產(chǎn)物：(與細(xì)胞生長(zhǎng)速率有關(guān))非生長(zhǎng)偶聯(lián)產(chǎn)物：（與細(xì)胞濃度有關(guān)）混和動(dòng)力學(xué)：

對(duì)乳酸發(fā)酵：這個(gè)式子是經(jīng)驗(yàn)式，但也可從細(xì)胞過(guò)程推出。1-5產(chǎn)物形成在無(wú)氧條件（）下，對(duì)第一類(lèi)產(chǎn)物作ATP平衡（）

（第一類(lèi)產(chǎn)物產(chǎn)生的ATP等于生成細(xì)胞物質(zhì)和細(xì)胞維持所需能量）

式中

，所以

為生成每kg細(xì)胞所需的ATP的千摩爾數(shù)，為生成每kg第一類(lèi)產(chǎn)物所需的ATP的千摩爾數(shù)。

1-5產(chǎn)物形成此式與式（1-37）一致，但有了理論依據(jù)。要使第一類(lèi)產(chǎn)物生成速率高，就需要微生物有高的維持能要求，生產(chǎn)單位量的第一類(lèi)產(chǎn)物時(shí)生產(chǎn)的ATP要少（即要少）。上述方程也可解釋乙醇發(fā)酵中運(yùn)動(dòng)短桿菌比酵母效率高的原因。運(yùn)動(dòng)短桿菌的mATP值是酵母的14-25倍，而運(yùn)動(dòng)短桿菌的值是0.5kmolATP/（kg乙醇），酵母的對(duì)應(yīng)值卻是1。1-5產(chǎn)物形成對(duì)其他產(chǎn)物的生成也可采用類(lèi)似的方法討論。對(duì)第二類(lèi)產(chǎn)物，有為使產(chǎn)物生產(chǎn)速率最大，應(yīng)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，氧攝取率應(yīng)最大，用于維持和產(chǎn)物生成的底物為：

1-5產(chǎn)物形成在培養(yǎng)基中產(chǎn)物達(dá)到足夠高的濃度，會(huì)抑制甚至停止產(chǎn)物生成，這在乙醇發(fā)酵中是很典型。產(chǎn)物抑制的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式可借用細(xì)胞生長(zhǎng)抑制的表達(dá)式（1-68），把其中的抑制物濃度換成濃度。乙醇發(fā)酵中常用的產(chǎn)物表達(dá)式為：其中為最大可能的乙醇濃度。

1-6底物利用

隨著底物消耗，形成細(xì)胞物質(zhì)和代謝物質(zhì)。那底物利用速率和這些物質(zhì)的生成速率又是怎樣一個(gè)關(guān)系呢，我們可以通過(guò)一個(gè)化學(xué)方程式來(lái)表示，如葡萄糖生成乙醇的方程

即消耗1kg葡萄糖（分子量180），生成0.51kg乙醇（分子量46）。如果表示產(chǎn)物生成速率，表示用于產(chǎn)物生成的底物消耗速率，即1-6底物利用式中，是產(chǎn)物對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)。在以細(xì)胞無(wú)氧生長(zhǎng)的關(guān)系為例式中(分子量30)代表糖類(lèi)化合物，（分子量18）是氮源，（分子量24.6）是許多細(xì)胞的近似分子式。由此可見(jiàn)，每消耗1kg糖類(lèi)底物可產(chǎn)生0.81kg細(xì)胞，而每1kg氮源則可產(chǎn)生8.8kg細(xì)胞

1-6底物利用或或以乙醇發(fā)酵為例，酵母無(wú)氧生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)胞合成所需要的能量從糖生成乙醇的反應(yīng)中得到。為生成1kg細(xì)胞所需的ATP的千摩爾數(shù)，為生成每kg乙醇所產(chǎn)生的ATP千摩爾數(shù)。這樣，每生成1kg細(xì)胞，會(huì)產(chǎn)生kg乙醇，即每生成1kg細(xì)胞，要消耗1/0.81kg生成細(xì)胞的葡萄糖，kg葡萄糖生成乙醇。

1-6底物利用細(xì)胞對(duì)葡萄糖產(chǎn)率為，對(duì)于＝0.095，＝1/46，值為0.102。同樣乙醇對(duì)糖的產(chǎn)率為0.446。這里沒(méi)有考慮維持能，它會(huì)進(jìn)一步減少細(xì)胞和乙醇的產(chǎn)率。產(chǎn)率是一種產(chǎn)物對(duì)一種反應(yīng)物的比率，其中的反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)后，可以形成各種產(chǎn)物。

1-6底物利用總的底物利用速率是利用底物形成各種產(chǎn)物（包括細(xì)胞）的速率之和。當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)、產(chǎn)物合成和維持用的能量來(lái)自氧化磷酸化時(shí)，CO2和水也包括在產(chǎn)物中，但它們也是合成反應(yīng)的產(chǎn)物。很難搞清楚它們具體來(lái)自哪個(gè)途徑。可是，若已知氧消耗速率，則氧化磷酸化所利用的底物可通過(guò)氧化反應(yīng)計(jì)量學(xué)求得。用氧把葡萄糖氧化成CO2和水，每30kg葡萄糖要消耗32kg氧，所以氧所需要的底物的比率系數(shù)是1.067，對(duì)應(yīng)的底物消耗速率為

1-6底物利用如果氧化磷酸化的氧消耗速率未知，生產(chǎn)合成需的能量的那部分底物包括在按化學(xué)方程式合成所需的底物中。這時(shí)的產(chǎn)率系數(shù)稱(chēng)為產(chǎn)率因子，用表示。對(duì)于提供維持能所需的底物，常采用一級(jí)關(guān)系.

這樣底物利用的更普遍的表達(dá)式為：1-7溫度和pH值的影響在細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程中，除了滿足細(xì)胞生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需要外，還需要維持細(xì)胞生長(zhǎng)的適宜操作條件，其中溫度和pH值是兩個(gè)重要的因素

1、溫度溫度對(duì)細(xì)胞內(nèi)所進(jìn)行的各種生化反應(yīng)和其生長(zhǎng)速率都有很大的影響。一般動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)溫度為31-39℃，植物細(xì)胞為25-30℃，微生物則根據(jù)其最適培養(yǎng)溫度可分為低溫菌中溫菌和高溫菌等幾種。絕對(duì)反應(yīng)速率理論既適用于細(xì)胞生長(zhǎng)，也適用于細(xì)胞死亡，即1-7溫度和pH值的影響其中，k為比生長(zhǎng)速率常數(shù)或死亡速率常數(shù)，是過(guò)程的活化能，R是氣體定律常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)活化能的數(shù)量級(jí)為35-50000，死亡活化能的能量級(jí)為200-400000。這樣，對(duì)于某種細(xì)胞，就有一個(gè)最佳生長(zhǎng)溫度，如圖1-7所示。

1-7溫度和pH值的影響圖10-7溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響1-7溫度和pH值的影響pH值對(duì)生長(zhǎng)速率影響的模型是在酶特性基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。由于酶是由氨基酸組成的，因而有酸、堿和中性三種形式，細(xì)胞也分為活性（即中性）（即酸性或堿性）形式

其中和是其平衡常數(shù)。如果把活性細(xì)胞分率定義為y：

1-7溫度和pH值的影響其中，那么與酶性質(zhì)相似，有

其中為氫離子濃度

1-7溫度和pH值的影響圖1-8表示pH值對(duì)活性細(xì)胞分率的影響。對(duì)多數(shù)細(xì)胞系統(tǒng)，

1-8重組微生物的穩(wěn)定性在重組微生物培養(yǎng)過(guò)程中，微生物生長(zhǎng)到一定代數(shù)后，產(chǎn)物的產(chǎn)率會(huì)逐漸減少。其主要原因有兩個(gè)：1、細(xì)胞分裂時(shí)，質(zhì)粒的缺失性分配；2、質(zhì)粒DNA突變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。對(duì)于穩(wěn)定得質(zhì)粒分配，細(xì)胞每分裂一代，每個(gè)細(xì)胞的平均質(zhì)粒拷貝數(shù)倍增，同時(shí)，在細(xì)胞分裂時(shí)，質(zhì)?？截惼骄胤峙涞絻蓚€(gè)子代細(xì)胞中。據(jù)報(bào)道，質(zhì)粒不穩(wěn)定的問(wèn)題在大腸桿菌、枯草桿菌和酵母作為宿主的系統(tǒng)中都廣泛存在。1-8重組微生物的穩(wěn)定性提高穩(wěn)定性的方法1、通過(guò)改變培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基，使有利于攜帶質(zhì)粒的細(xì)胞生長(zhǎng)2、施加選擇性壓力，控制丟失質(zhì)粒細(xì)胞的生長(zhǎng)3、使用溫度敏感性突變質(zhì)粒或突變株4、使用溫度敏感的基因表達(dá)控制。當(dāng)基因表達(dá)受控制時(shí)，質(zhì)粒常保持穩(wěn)定5、使用不含可轉(zhuǎn)移原件的質(zhì)粒?？赊D(zhuǎn)移元件實(shí)質(zhì)可插入基因圖譜中幾個(gè)位點(diǎn)的DNA片斷6、使用重組缺陷型細(xì)胞株

第三節(jié)生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器是生化產(chǎn)品生產(chǎn)中的主流設(shè)備，用于進(jìn)行酶反應(yīng)，動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)，常規(guī)微生物和基因工程菌的發(fā)酵。生物反應(yīng)器的幾何參數(shù)、機(jī)構(gòu)特征、操作類(lèi)型、流動(dòng)和混合狀態(tài)、能量引入的方式會(huì)影響生物反應(yīng)速率，甚至產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率。因此生物反應(yīng)器的選型和設(shè)計(jì)是生物反應(yīng)過(guò)程的重要方面。第三節(jié)生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器是利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。按照生物催化劑的不同可分為酶催化反應(yīng)器和細(xì)胞催化反應(yīng)器。按照反應(yīng)器的操作方式可分為間歇操作、連續(xù)操作和半間歇操作等。

1-9機(jī)械攪拌式反應(yīng)器生物反應(yīng)器是生化產(chǎn)品生產(chǎn)中的主流設(shè)備，用于進(jìn)行酶反應(yīng)、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)、常規(guī)微生物和基因工程菌的發(fā)酵。生物反應(yīng)器的幾何參數(shù)、機(jī)構(gòu)特征、操作類(lèi)型、流動(dòng)和混合狀態(tài)、能量引入的方式會(huì)影響生物反應(yīng)速率，甚至產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率。因此生物反應(yīng)器的選型和設(shè)計(jì)是生物反應(yīng)過(guò)程的重要方面。1-9機(jī)械攪拌式反應(yīng)器圖1-11機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐示意圖機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示，發(fā)酵罐外形為圓柱形，為承受消毒時(shí)的蒸汽壓力，蓋和底封頭為橢圓形，中心軸向位置上裝有攪拌器。1-9機(jī)械攪拌式反應(yīng)器其中H是筒身高度，D是罐內(nèi)直徑，W是擋板高度，d是攪拌器直徑，S是兩攪拌器間距，B是下攪拌器距底間距。反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)包括：筒體，攪拌器，換熱器，擋板，消泡器，電動(dòng)機(jī)和變速器，空氣分布器。在筒體的適當(dāng)部位裝有溶氧電極，pH電極，CO2電極，熱電偶，壓力表等檢測(cè)元件。反應(yīng)器還有排氣、取樣、放料和接種口，酸、堿管道接口和人孔視鏡等部位。

1-9機(jī)械攪拌式反應(yīng)器反應(yīng)器中的換熱器有不同形式，小的反應(yīng)器采用加套冷卻加熱來(lái)達(dá)到控溫的目的，大的反應(yīng)器則需要在內(nèi)部另加盤(pán)管。用于耗氧過(guò)程的反應(yīng)器裝有通氣裝置、氣體通過(guò)氣體分布器通過(guò)，分布器置于反應(yīng)器的最低層攪拌槳葉的下面。氣體分布器有的是帶孔的平板，有的則是一根單管。為防止堵塞，一般孔口朝下。

1-9機(jī)械攪拌式反應(yīng)器物料的混合和氣體在反應(yīng)器內(nèi)的分布靠攪拌器和擋板實(shí)現(xiàn)。攪拌器的葉輪可分為兩大類(lèi)型：軸向流式和徑向流式。軸向流葉輪產(chǎn)生的流體流動(dòng)基本軌跡是平行于攪拌軸的；徑向流葉輪則使流體沿葉輪半徑方向排出。軸向流葉輪的混合效果好，但是破碎氣泡的效果較差；

1-10氣升式反應(yīng)器氣升式反應(yīng)器是在鼓泡塔反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它以通入的氣體為動(dòng)力，靠導(dǎo)流裝置的引導(dǎo)，形成氣－液混合物的總體有序循環(huán)。反應(yīng)器內(nèi)分為上升管和下降管，通入氣體的部分，氣含率高，相對(duì)密度輕，隨氣泡上升，氣－液混合物向上升，至液面處大部分氣泡破裂，氣體由排氣口排出；剩下的氣－液混合物相對(duì)密度較上升管內(nèi)的氣－液混合物大，由下降管下沉，形成循環(huán)。

1-10氣升式反應(yīng)器根據(jù)上升管和下降管的布置，可將氣升式反應(yīng)器分為兩類(lèi)：一類(lèi)稱(chēng)為內(nèi)循環(huán)式，上升管和下降管在反應(yīng)器內(nèi)，另一類(lèi)為外循環(huán)式，通常將下降管置于反應(yīng)器外部，以便加強(qiáng)傳熱。氣升式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需攪拌，因此造價(jià)較低，易于清洗和維修，不易染菌，能耗較低。但是，要求的通氣量和通氣壓頭較高，增加空氣凈化工作段的負(fù)荷，而且對(duì)于黏度較大的發(fā)酵液，氧傳遞系數(shù)較低。

1-10氣升式反應(yīng)器圖1-12氣升式生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖1-11其它模型的生物反應(yīng)器一、固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器的基本原理是反應(yīng)液連續(xù)流動(dòng)通過(guò)靜止不動(dòng)的固定化生物催化劑。固定床反應(yīng)器內(nèi)影響反應(yīng)速率的因素不但有生物催化劑活性位點(diǎn)上的反應(yīng)，還有反應(yīng)物從流體主體向固體化顆粒表面的傳遞，固體固定化顆粒內(nèi)微孔中的擴(kuò)散，以及顆粒內(nèi)表面活性位點(diǎn)上生成的產(chǎn)物經(jīng)微孔和液固界面滯留膜向流體傳遞的過(guò)程。

1-11其它模型的生物反應(yīng)器二、流化床生物反應(yīng)器通過(guò)流體的上升運(yùn)動(dòng)使固體顆粒維持在懸浮狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)的裝置稱(chēng)為流化床反應(yīng)器。流化床中固體顆粒與流體的混合較充分，傳熱傳質(zhì)性能好，床層壓力降小，但是固體顆粒的磨損較大。

圖1-13液固流化狀態(tài)示意圖1-11其它模型的生物反應(yīng)器液固流化時(shí)，液體從設(shè)備下方流入，通過(guò)分布器，進(jìn)入顆粒物料層。流速低時(shí)，固態(tài)顆粒靜止不動(dòng)，液體從顆粒間縫隙流過(guò)。此時(shí)屬于固定床。流速升高至某一值，床層中顆粒開(kāi)始松動(dòng)，孔隙增大，一些顆粒開(kāi)始一定部位振動(dòng)或游動(dòng)，此時(shí)的床層稱(chēng)為膨脹床。流速在增大，床層內(nèi)部分顆粒處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，懸浮于液體中，顆粒與液體間的摩擦力與顆粒的重力相平衡，此時(shí)顆粒與顆粒相互間的擠壓力變?yōu)?，稱(chēng)為臨界流化床。當(dāng)流速繼續(xù)增大到液體與顆粒間的摩擦力大于顆粒重力時(shí)，顆粒被液體帶走。如果不添加顆粒床層不復(fù)存在，若連續(xù)加入顆粒，床層變?yōu)檩斔痛不蛄鲃?dòng)床。

1-11其它模型的生物反應(yīng)器以氣體為流化劑時(shí)，除了上述五種流化狀態(tài)以外，完全流化時(shí)還存在三種不同的情況。當(dāng)氣固流化床不均勻時(shí)，部分氣體以氣泡的形式通過(guò)床層，此式床層稱(chēng)為鼓泡流化床。此外，氣固流化床還會(huì)產(chǎn)生液固流化不會(huì)有的情況，騰涌和溝流。

圖1-14氣固完全流化時(shí)的三種狀態(tài)1-11其它模型的生物反應(yīng)器三、膜生物反應(yīng)器1、開(kāi)發(fā)膜反應(yīng)器的目的增大反應(yīng)速率。許多反應(yīng)為產(chǎn)物抑制型。隨反應(yīng)的進(jìn)程，產(chǎn)物濃度提高，反應(yīng)速率下降。采用膜反應(yīng)器可以在反應(yīng)過(guò)程中移去產(chǎn)物，使產(chǎn)物濃度保持恒定，反應(yīng)速率因此會(huì)比原來(lái)提高。提高反應(yīng)的最終選擇性。通過(guò)選用適當(dāng)?shù)哪?，將產(chǎn)物移出，截留副產(chǎn)物和反應(yīng)物提高選擇性簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，使反應(yīng)和分離同時(shí)在一個(gè)單元里操作截留生物催化劑，使細(xì)胞或酶在高濃度下運(yùn)行。提高反應(yīng)速率和產(chǎn)物濃度，減輕下一工段的負(fù)荷。同時(shí)可重復(fù)利用酶或細(xì)胞，以降低成本。

1-11其它模型的生物反應(yīng)器2、膜反應(yīng)器的分類(lèi)按照反應(yīng)器內(nèi)流體與生物催化的接觸形式，可將膜反應(yīng)器分為直接接觸式、擴(kuò)散式和多項(xiàng)膜三類(lèi)。（1）直接接觸式膜反應(yīng)器中的膜有的只起分離作用，分離區(qū)與反應(yīng)區(qū)是分開(kāi)的，通常酶活細(xì)胞呈游離狀態(tài)，與膜直接接觸

1-11其它模型的生物反應(yīng)器圖1-15直接接觸式膜反應(yīng)器中流體相對(duì)于膜的流動(dòng)方式1-11其它模型的生物反應(yīng)器（2）擴(kuò)散式這類(lèi)反應(yīng)器中物料是以擴(kuò)散的方式通過(guò)膜的。膜除分離以外同時(shí)還起催化作用，酶或細(xì)胞固定于膜上，稱(chēng)為催化功能分離膜反應(yīng)器。即是指把酶或細(xì)胞固定在分離膜的表面或著內(nèi)部，使分離膜具有催化功能作為反應(yīng)場(chǎng)。

1-11其它模型的生物反應(yīng)器（3）多項(xiàng)膜反應(yīng)器多項(xiàng)膜提供酶與底物之間的界面接觸，底物和產(chǎn)物可處于任一相，擴(kuò)散為界面?zhèn)鬟f的主要傳遞機(jī)制。膜通常作為不同相的界面，底物和產(chǎn)物儲(chǔ)存在不同的相內(nèi)

1-11其它模型的生物反應(yīng)器3、膜的傳遞推動(dòng)力被動(dòng)傳遞，靠產(chǎn)物的濃度差進(jìn)行傳遞，作用原理和透析相同促進(jìn)傳遞，以電勢(shì)差為推動(dòng)力，所使用的是一種特殊的半透膜，稱(chēng)為離子交換膜。他能選擇性透過(guò)陰陽(yáng)離子。主動(dòng)傳遞，其推動(dòng)力是壓力梯度，根據(jù)膜的平均孔徑大小，對(duì)不同組分的截留能力不同，可分為微慮膜、超濾膜和反滲透膜等幾種。第四節(jié)連續(xù)培養(yǎng)優(yōu)點(diǎn)：與分批培養(yǎng)比較，具有反應(yīng)速率容易控制，可以提高生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用：用于酵母、酒精、葡萄糖酸的生產(chǎn)和活性污泥處理污水缺點(diǎn)：由于是長(zhǎng)期連續(xù)生產(chǎn)，菌種易變異，而且純培養(yǎng)基也有困難。分批培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)液中的菌體濃度、底物濃度等都是時(shí)刻在變化的，培養(yǎng)系統(tǒng)一直處于非定態(tài)

第四節(jié)連續(xù)培養(yǎng)理論上，連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程常近似于全混流反應(yīng)過(guò)程菌的生長(zhǎng)受到某種底物的限制，培養(yǎng)液中的菌體和底物濃度等保持恒定，培養(yǎng)系統(tǒng)處于定態(tài)。按照全混流反應(yīng)器定義，反應(yīng)物和產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)均勻分布，濃度恒定。同時(shí)連續(xù)培養(yǎng)還常需要系統(tǒng)無(wú)雜菌，保持菌的生長(zhǎng)速率恒定。第四節(jié)連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)有兩種控制方式。一、恒化器以某種化學(xué)物質(zhì)作為控制微生物生長(zhǎng)的因素，通過(guò)控制器加入培養(yǎng)液中的速率來(lái)控制微生物生長(zhǎng)速率，這種能控制微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)稱(chēng)為限制性底物。限制性底物可以是一種，如碳源、氮源，也可采用兩種限制性底物。二、恒濁器是用來(lái)控制培養(yǎng)液的渾濁度，從而使菌的生長(zhǎng)速率保持恒定的裝置，一般用于光合微生物的連續(xù)培養(yǎng)，這種裝置是一個(gè)具有外循環(huán)管的容器，循環(huán)管裝有濁度計(jì)，當(dāng)培養(yǎng)物的濁度不符合規(guī)定的要求時(shí)，通過(guò)濁度計(jì)對(duì)進(jìn)料或出料進(jìn)行反饋控制，使培養(yǎng)物的濁度達(dá)到規(guī)定的水平。

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)在一個(gè)發(fā)酵罐中進(jìn)行的連續(xù)培養(yǎng)稱(chēng)為單罐連續(xù)培養(yǎng)。培養(yǎng)開(kāi)始時(shí)，以含有一定濃度的限制性底物的培養(yǎng)基用分批培養(yǎng)的方法進(jìn)行培養(yǎng)。當(dāng)限制性底物幾乎被消耗盡而菌體生長(zhǎng)到預(yù)定濃度時(shí)，一面以恒定連續(xù)加入含有同樣濃度的限制性底物的無(wú)菌培養(yǎng)基，一面以恒速出料，開(kāi)始連續(xù)培養(yǎng)。經(jīng)過(guò)一定階段的適應(yīng)，菌生長(zhǎng)進(jìn)入定態(tài)。

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)圖1-16單罐連續(xù)培養(yǎng)1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)一、單罐發(fā)酵的通用衡算模型

假定物料混合均勻，細(xì)胞平衡生長(zhǎng)，忽略細(xì)胞自溶，可得下列細(xì)胞衡算方程式：（F為容積流率）活細(xì)胞：

非活性細(xì)胞：

產(chǎn)物：

底物：

總?cè)莘e：

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)前四個(gè)衡算式可寫(xiě)成一般形式，以表示某種物質(zhì)的濃度式中，表示所有產(chǎn)生速率的總和；表示所有消失速率的總和；（稱(chēng)為稀釋速率，單位為，即培養(yǎng)液在發(fā)酵罐中平均停留時(shí)間的倒數(shù)），，和分別為進(jìn)料和出料的容積流率，下標(biāo)d表示非活性細(xì)胞。

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)假定只有一種限制性營(yíng)養(yǎng)物，最簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)方程為細(xì)胞生長(zhǎng)：細(xì)胞死亡：用于細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成的底物消耗：

用于維持的底物消耗：

產(chǎn)物生成：（混和動(dòng)力學(xué)）

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)三、單罐連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程分析在連續(xù)培養(yǎng)的細(xì)胞、產(chǎn)物和底物衡算中，所涉及到的變量和參數(shù)有如下幾類(lèi)。狀態(tài)變量。由過(guò)程的狀態(tài)的確定，包括操作變量。它們由過(guò)程操作者給定，包括通常為零。中間變量。它們是由狀態(tài)變量表示的速率項(xiàng)，包括動(dòng)力學(xué)參數(shù)。包括計(jì)量參數(shù)。包括，1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)令為零，可求解衡算方程，得到操作變量和狀態(tài)變量之間的關(guān)系。（通過(guò)157-160式）約束條件是1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)在進(jìn)一步分析一種簡(jiǎn)化的模型，除去上面所做的假設(shè)外，還忽略細(xì)胞死亡、產(chǎn)物生成和細(xì)胞維持，式（1-157）－（1-160）就成為如下形式

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)由此得出了連續(xù)培養(yǎng)中一個(gè)非常重要的關(guān)系

（由1-166和1-147得到，因所以）由1-168式變形整理得

（由10-162式推導(dǎo)出，忽略、、等因素）

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)如果單罐連續(xù)培養(yǎng)的目的是生成菌體，則其生產(chǎn)率

為式中為單位時(shí)間單位反應(yīng)器體積生產(chǎn)的細(xì)胞量。最大生產(chǎn)率可通過(guò)下式求得

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)從式（1-169）知，當(dāng)時(shí)，隨著D增加，線性增加。當(dāng)D值接近時(shí)，急劇增加。當(dāng)時(shí)，將趨于無(wú)窮，但有約束條件可知，不可能大于，同樣，對(duì)細(xì)胞濃度，當(dāng)很小時(shí)，接近于，當(dāng)時(shí)，等于，這就是洗出點(diǎn)（此時(shí)底物消耗殆盡）。如將各個(gè)D下的,,對(duì)D作圖，即得圖1-16，有圖可見(jiàn)，隨著D的增加而增加，在接近最大稀釋速率時(shí)，達(dá)到最大值。此時(shí)的D值就稱(chēng)為單罐連續(xù)培養(yǎng)的最適稀釋率，以Dm表示。圖1-16稀釋率與底物、菌體濃度和生產(chǎn)能力的關(guān)系1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)對(duì)式（1-168）作整理可得其中表示平均停留時(shí)間。

在洗出條件下（），可用特殊方法確定。對(duì)于下，用細(xì)胞的平衡方程，有（利用和t的線性回歸，可求出）

根據(jù)式（1-170），也可以求得

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)四、連續(xù)培養(yǎng)中菌體維持、死亡的分析當(dāng)模型與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不一致時(shí)（模型假設(shè)去掉的很多影響因素），需要對(duì)模型加以修正。有時(shí)，減少稀釋速率，連續(xù)培養(yǎng)達(dá)到定態(tài)后，菌體濃度反而會(huì)減少。這種現(xiàn)象可由菌體維持和死亡作出解釋。

（由10-152式(由1-152式轉(zhuǎn)化）

（由1-155轉(zhuǎn)化忽略產(chǎn)物）

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)達(dá)到非洗出定態(tài)后

(和

，1-177、1-178合并得)和對(duì)連續(xù)培養(yǎng)的性能都有較大的影響。當(dāng)稀釋速率趨于零時(shí)，這兩種因素都導(dǎo)致菌體濃度趨于零。

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)同時(shí)，菌體死亡還造成洗出點(diǎn)的稀釋速率變?。?即1-180式，轉(zhuǎn)換代入的)細(xì)胞比死亡速率和維持系數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)（1-179）和（1-180）求得，把1-179式轉(zhuǎn)化成按對(duì)作圖為一直線

1-12單罐連續(xù)培養(yǎng)如果無(wú)維持作用和死亡現(xiàn)象，等于。如果和已知，可在不同稀釋速率下得到一套定態(tài)數(shù)據(jù)，就能確定產(chǎn)率系數(shù)和維持系數(shù)。從式（1-182）可見(jiàn)，和的作用很相似，因此要把這兩個(gè)參數(shù)的作用區(qū)分開(kāi)來(lái)是很困難的。關(guān)鍵在于精確的求取洗出點(diǎn)與的差別。1-13多罐串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)為了得到一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，設(shè)有n個(gè)等體積的罐（圖1-17），對(duì)第I個(gè)罐作物料衡算

圖1-17多罐串聯(lián)聯(lián)系培養(yǎng)示意圖1-13多罐串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)活細(xì)胞：

產(chǎn)物:

底物：

1-13多罐串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)與單罐培養(yǎng)的分析一樣，培養(yǎng)液從第i-1罐流入第i罐，立即混合均勻，罐中的培養(yǎng)液與流出液組成相同，在各罐中具有相同的值（反應(yīng)方程式分子量固定），且為常數(shù)。在定態(tài)條件下，1-184方程的左邊為零，則于是

1-13多罐串聯(lián)連續(xù)培養(yǎng)即同樣，對(duì)于產(chǎn)物（1-186）和底物（1-188），也有

1-14具有循環(huán)的單罐連續(xù)培養(yǎng)在單罐連續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中，為保持罐內(nèi)高的微生物濃度，常采用具有循環(huán)的單罐連續(xù)培養(yǎng)的方法圖1-18，對(duì)罐作物料衡算。定態(tài)下，，則

（活細(xì)胞含量）

1-14具有循環(huán)的單罐連續(xù)培養(yǎng)圖1-18具有循環(huán)的單罐連續(xù)培養(yǎng)示意圖1-14具有循環(huán)的單罐連續(xù)培養(yǎng)由上式和式（1-194）得對(duì)分離器進(jìn)行物料平衡:

根據(jù)和，有

1-14具有循環(huán)的單罐連續(xù)培養(yǎng)再把上式代入式