優(yōu)選文檔化學(xué)反應(yīng)工程第九章生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)PPT

化學(xué)反應(yīng)工程第九章生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)9.1概述生化反應(yīng)工程是生物化學(xué)工程的一個(gè)分支，是生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵之一。

生物技術(shù)是應(yīng)用生物學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)的基本原理，利用生物體（包括微生物、動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞）或其組成部分（細(xì)胞器和酶）來(lái)生產(chǎn)有用物質(zhì)，或?yàn)槿祟愄峁┠撤N服務(wù)的技術(shù)。任何一個(gè)生化反應(yīng)過(guò)程都是利用生物催化劑來(lái)生產(chǎn)生物技術(shù)產(chǎn)品的過(guò)程。生物催化劑可概括為兩大類：

①游離酶或固定化酶；②游離細(xì)胞或固定化細(xì)胞。一般的生物過(guò)程：原料的處理生物催化劑制備及生化反應(yīng)產(chǎn)品的分離與純化生化反應(yīng)過(guò)程的特點(diǎn)：①生物催化劑體系復(fù)雜，給生化動(dòng)力學(xué)研究帶來(lái)很大困難；②生化反應(yīng)具有反應(yīng)條件緩和、催化專一性強(qiáng)和反應(yīng)選擇高的特點(diǎn)；③生化反應(yīng)比較復(fù)雜，常為氣-液-固多相系統(tǒng)；④生物催化劑易受環(huán)境和雜菌污染的影響，甚至失活；⑤雖然酶催化效率很高，但需在常溫常壓低濃度下反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率低，所需反應(yīng)體積大。9.2

生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1酶的特性2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)一、酶催化反應(yīng)及其動(dòng)力學(xué)

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(lái)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1酶的特性在間歇培養(yǎng)中基質(zhì)消耗速率為反應(yīng)終了時(shí)，酶本身并不消耗，且恢復(fù)到原來(lái)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)。（３）串聯(lián)全混流反應(yīng)器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；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③直接由第一釜進(jìn)料，但最后釜酶在參與反應(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。它表示單位菌體濃度的氧消耗速率，即現(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。④生物催化劑易受環(huán)境和雜菌污染的影響，甚至失活；有抑制作用時(shí)的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)多種型式的生化反應(yīng)器：（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。內(nèi)擴(kuò)散有效因子可按10.Ⅲ型稱為細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)型。將代入，得對(duì)于符合米氏方程的酶動(dòng)力學(xué)，在等溫、排除外擴(kuò)散情況下，其宏觀動(dòng)力學(xué)方程為與化學(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(wú)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。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2單底物酶催化反應(yīng)動(dòng)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(shí)，不同底物濃度呈現(xiàn)的反應(yīng)級(jí)數(shù)不同。①時(shí)，底物濃度很低，反應(yīng)呈現(xiàn)一級(jí)；②時(shí)，底物濃度高，反應(yīng)呈現(xiàn)零級(jí)，即r與大小無(wú)關(guān)，趨于定值；③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(guò)渡，為變級(jí)數(shù)過(guò)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(guò)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。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。（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。（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。（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。二、微生物的反應(yīng)過(guò)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1細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)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③酶催化反應(yīng)的反應(yīng)條件溫和，無(wú)需高溫和高壓。③直接由第一釜進(jìn)料，但最后釜由此可知，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。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。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；反應(yīng)終了時(shí)，酶本身并不消耗，且恢復(fù)到原來(lái)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)。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；Ⅲ型稱為細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)型。（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。Ⅲ型稱為細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)型。生物技術(shù)是應(yīng)用生物學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)的基本原理，利用生物體（包括微生物、動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞）或其組成部分（細(xì)胞器和酶）來(lái)生產(chǎn)有用物質(zhì)，或?yàn)槿祟愄峁┠撤N服務(wù)的技術(shù)。反應(yīng)終了時(shí)，酶本身并不消耗，且恢復(fù)到原來(lái)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)。反應(yīng)器中基質(zhì)濃度與稀釋率的關(guān)系為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。單底物酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)—米氏方程一般認(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：④生物催化劑易受環(huán)境和雜菌污染的影響，甚至失活；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?；顒?dòng)的基質(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(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。3產(chǎn)物生成動(dòng)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(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4氧的消耗速率9.3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(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。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(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(wú)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。9.4生化反應(yīng)器12概述生化反應(yīng)器的計(jì)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。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（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（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(guò)程，所以菌體的生長(zhǎng)速率為2生化反應(yīng)器的計(jì)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(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，得反應(yīng)器中基質(zhì)濃度與稀釋率的關(guān)系為

（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。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