化學(xué)反應(yīng)工程第九章生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)

化學(xué)反應(yīng)工程第九章生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三概述1第9章生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)2生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)固定化生物催化劑3生化反應(yīng)器4第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三9.1概述

生化反應(yīng)工程是生物化學(xué)工程的一個分支，是生物技術(shù)實現(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、動物細胞和植物細胞）或其組成部分（細胞器和酶）來生產(chǎn)有用物質(zhì)，或為人類提供某種服務(wù)的技術(shù)。任何一個生化反應(yīng)過程都是利用生物催化劑來生產(chǎn)生物技術(shù)產(chǎn)品的過程。生物催化劑可概括為兩大類：

①游離酶或固定化酶；②游離細胞或固定化細胞。第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三一般的生物過程：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)過程的特點：①生物催化劑體系復(fù)雜，給生化動力學(xué)研究帶來很大困難；②生化反應(yīng)具有反應(yīng)條件緩和、催化專一性強和反應(yīng)選擇高的特點；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。第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三9.2

生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)1酶的特性2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)一、酶催化反應(yīng)及其動力學(xué)第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

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1酶的特性第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三與化學(xué)催化相比較，酶催化具有下述特點：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。第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三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2單底物酶催化反應(yīng)動力學(xué)———米氏方程第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三由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。①時，底物濃度很低，反應(yīng)呈現(xiàn)一級；②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；③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。第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三酶催化反應(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。3有抑制作用時的酶催化反應(yīng)動力學(xué)第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（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。第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（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。第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（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。第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（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。第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三二、微生物的反應(yīng)過程動力學(xué)12細胞生長動力學(xué)基質(zhì)消耗動力學(xué)3產(chǎn)物生成動力學(xué)4氧的消耗速率第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三1細胞生長動力學(xué)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μ，即第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三在間歇培養(yǎng)中基質(zhì)消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、維持菌體正常活動的基質(zhì)消耗速率以及產(chǎn)物合成三部分。第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三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Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型稱為細胞生長與產(chǎn)物合成偶聯(lián)型。Ⅱ型稱為細胞生長與產(chǎn)物合成半偶聯(lián)型。Ⅲ型稱為細胞生長與產(chǎn)物合成非偶聯(lián)型。3產(chǎn)物生成動力學(xué)第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三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4氧的消耗速率第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三9.3固定化生物催化劑12概述酶和細胞的固定化第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

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，固定化休止細胞和固定化增殖細胞。1概述第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三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。（１）吸附法有表面法和細胞聚集法兩種。（２）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。（３）共價結(jié)合法（４）交聯(lián)法2酶和細胞的固定化第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三一般認為符合工業(yè)生產(chǎn)要求的固定化生物催化劑應(yīng)滿足：①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；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單位體積細胞或酶含量高，以增大反應(yīng)器生產(chǎn)能力；④固定化細胞的機械強度高，酶活穩(wěn)定性好。第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三9.4生化反應(yīng)器12概述生化反應(yīng)器的計算第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三一般生化反應(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概述第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三多種型式的生化反應(yīng)器：（１）機械攪拌型（２）氣體提升型第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（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)器第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（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2生化反應(yīng)器的計算第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（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，得第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三反應(yīng)器中基質(zhì)濃度與稀釋率的關(guān)系為第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（３）串聯(lián)全混流反應(yīng)器

采用串聯(lián)的全混流反應(yīng)器進行細胞培養(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)補料；③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。第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第一級反應(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方程第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第36頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（４）固定床反應(yīng)器

對于符合米氏方程的酶動力學(xué)，在等溫、排除外擴散情況