生物反應(yīng)工程復(fù)習(xí)資料

優(yōu)選文檔生物反響工程原理復(fù)習(xí)資料生物反響過程與化學(xué)反響過程的實質(zhì)差異在于有生物催化劑參加反響。生物反響工程是指將實驗室的成就經(jīng)放大而成為可供應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的工藝工程。酶和酶的反響特點酶是一種生物催化劑，擁有蛋白質(zhì)的所有下性；擁有催化劑的所有特點；擁有其特有的催化特點。酶的本源：動物、植物和微生物酶的分類：氧化還原酶、水解酶、裂合酶、轉(zhuǎn)移酶、連接酶和異構(gòu)酶酶的性質(zhì)：1）催化共性：①降低反響的活化能②加速反響速率③不能夠改變反響的平衡常數(shù)。2)催化特點：①較高的催化效率②很強的專一性③平易的反響條件易變性和失活3）調(diào)治功能：濃度、激素、共價修飾、控制劑、反響調(diào)治等固定化酶的性質(zhì)固定化酶：在必然空間呈封閉狀態(tài)的酶，能夠進行連續(xù)反響，反響后能夠回收利用。與游離酶的差異：游離酶----一般一次性使用（近來借助于膜分別技術(shù)可實現(xiàn)屢次使用）固定化酶--能長遠、連續(xù)使用（底物產(chǎn)物的擴散過程對反響速率有必然的影響；一般情況下牢固性有所提高；以離子鍵、物理吸附、疏水結(jié)合等法固定的酶在活性降低后，可增加新鮮酶溶液，使有活性的酶再次固定，“再生”活性）固定化對酶性質(zhì)的影響：底物專一性的改變、牢固性增強、最適pH值和最適溫度變化、動力學(xué)參數(shù)的變化單底物均相酶反響動力學(xué)米氏方程k1k2EPESESk1快速平衡法假設(shè)：（1）CS>>CE，中間復(fù)合物ES的形成不會降低CS（2）不考慮ESEP這個可逆反響（3）E為快速平衡，ES為整個反響的限速階段，所以ES分解成產(chǎn)物不足以SESEP破壞這個平衡穩(wěn)態(tài)法假設(shè)：（1）CS>>CE，中間復(fù)合物ES的形成不會降低CS（2）不考慮ESEP這個可逆反響（3）中間復(fù)合物ES一經(jīng)分解，產(chǎn)生的游離酶馬上與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物ES濃度保持衡定，即dCES0dt.優(yōu)選文檔雙倒數(shù)法（LinewearBurk）：對米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)以1~1作圖得11Km1rrmaxrmaxCSrCSKm，截距為1得素來線，直線斜率為rmaxrmax依照直線斜率和截距可計算出Km和rmax控制劑對酶反響的影響：失活作用（不能逆控制）控制作用（可逆控制）：競爭控制、反競爭控制、非競爭控制、混雜型控制競爭控制反響機理：k1k2ESESEP1KIEIEI非競爭控制反響機理：k1k2ESESEP1IEIEIIESIESI.優(yōu)選文檔可逆控制各自的特點：P37多底物均相酶反響動力學(xué)(這里談?wù)摚弘p底物雙產(chǎn)物情況

ABPQ)逼迫有序體系序次體系西-錢氏體系雙底物雙產(chǎn)物反響體系：隨即有序體系乒乓體系注意在工業(yè)級反響中，反響速度一般是由改變所用酶濃度和（或）反響時間，而不是改變底物濃度來控制的，并且要測定的最重要參數(shù)是可測的轉(zhuǎn)變率，而不是反響速度酶失活的因素有哪些？酶會由于各樣因素發(fā)生失活。其中熱失活最重要。酶的熱失活隨溫度高升而失活程度加劇。物理因素有：加熱、冷卻、機械力化學(xué)因素有：酸、堿、鹽、溶劑、表面活性劑、重金屬、蛋白酶。酶失活過程的動力學(xué)未反響時的失活動力學(xué)表征方法（數(shù)學(xué)模型）：一級失活模型注:E--擁有活性的酶--失活的酶kd--衰變常數(shù)

dED模型中：1時，底物對酶失活無影響0時，酶完好被底物所保護.優(yōu)選文檔0<<1時，底物對酶有部分保護作用>1時，底物加速酶的失活所以，稱為底物對酶牢固性影響系數(shù)影響固定化酶促反響的主要因素:子構(gòu)象的改變、位阻效應(yīng)、微擾效應(yīng)、分配效應(yīng)（可用Kp定量描述）、擴散效應(yīng)（可定量描述）談?wù)撁阜错懫髦笜?biāo)：轉(zhuǎn)變率、產(chǎn)率、選擇性、停留時間均相酶反響器的分類：批式反響器（間歇反響器）按操作方式連續(xù)反響器半間歇反響器批式反響器將底物一次加入反響器內(nèi)，在反響的過程中無底物和產(chǎn)物的輸入和輸出，底物和產(chǎn)物的濃度隨反響時間變化連續(xù)反響器底物等連續(xù)輸入反響器，產(chǎn)物連續(xù)從反響器輸出，反響器的任何部位的各組分均不隨反響時間變化（牢固態(tài)）半連續(xù)反響器在一次反響的過程中，底物分次補入批式全混型反響器（間歇式攪拌罐反響器）（batchstirred-tankreactor，BSTR）連續(xù)全混型反響器（連續(xù)式攪拌罐反響器）（continuousstirred-tankreactor，CSTR）活塞流反響器（plugflowreactor，PFR）全混流——流入的液體在裝置內(nèi)剎時完好混雜。也就是說，各組分的濃度及粒子的分別無論在什么地方都完好相同?；钊鳌错懫鲀?nèi)反響液象活塞樣的流動。經(jīng)過裝置的液體在垂直于從入口到出口的流向的方向上的速率完好相同，在流動方向上既沒有混雜也沒有擴散。非均相酶反響器用于由固定化酶催化的非均相反響的反響器非均相酶反響器的種類及結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮：固定化酶更換操作難易底物性質(zhì)反響系統(tǒng)粘度PH值范圍控制等因素非均相酶反響器有：攪拌罐反響器能夠是：批式的BSTR（一般只適用于實驗室研究，如用于工業(yè)生產(chǎn)，則每批反響結(jié)束都要進行固液分別）連續(xù)式的CSTR（更合適與工業(yè)生產(chǎn)，但應(yīng)在出口處設(shè)置過濾器防范固定化酶顆粒的流失）固定床反響器是最廣泛適用的固定化酶反響器。.優(yōu)選文檔缺點：對固定化酶顆粒的強度要求高；液相的連續(xù)流動致溫度和PH控制難。優(yōu)點：連續(xù)操作、負載力大、效率高、生產(chǎn)能力大等操作：液相的流速和Re數(shù)都采用較小值、延長停留時間將有利于達到必然的轉(zhuǎn)變率流化床反響器流化流速范圍窄，不易工業(yè)應(yīng)用。缺點：流化態(tài)要求流體流速必定提高到必然程度致停留時間不足、轉(zhuǎn)變率不能夠足夠高（戰(zhàn)勝方法：部分反響液回補再循環(huán)）優(yōu)點：1液相和固相的微環(huán)境較易控制2傳熱、傳質(zhì)性能好3不會擁堵4能辦理渺小粉末狀底物5固定化酶顆粒能夠做得足夠?。軌蜃銐蚋撸┘毎错懝こ碳毎幕咎攸c：菌體成分：由80%左右的水分，以及蛋白質(zhì)、糖、脂類、核酸、維生素和無機物等構(gòu)成。物理性質(zhì)：密度：單細胞微生物的密度會因培養(yǎng)條件而異；菌體絮凝物及菌絲團的濕密度近似于水（流化速率低）；低濃度單細胞菌體懸浮液為牛頓流體；一般，含菌絲的培養(yǎng)液顯示非牛頓流體特點；分泌了大量高分子化合物的菌體懸浮液為非牛頓流體（非牛頓流體的攪拌和通氣收效很差）微生物反響的特點：特點：常溫常壓不爆炸、主要原料碳源價廉源廣、反響過程受生物的自控、產(chǎn)高分子和特異反響易進行、細胞自己也是產(chǎn)品、遺傳改變可大幅度改良性能或獲得新性能但是：1底物相當(dāng)多地用于生殖；2副產(chǎn)物很多、反響條件影響產(chǎn)質(zhì)量量；簡單發(fā)生遺傳變異，有利于保持性能牢固的固定化技術(shù)不能熟細胞反響的計量得率系數(shù)細胞（菌體）得率：YX/S=生成菌體的干重/耗資底物的質(zhì)量=微生物生長速率/底物耗資速率產(chǎn)物得率：YP/S=代謝產(chǎn)物的生成量/底物耗資量碳得率（碳轉(zhuǎn)變率）：YC=生成物含碳量/耗資的碳量=生成的菌體量×菌體含碳量/耗資的碳源量×碳源的含碳量細胞反響的化學(xué)平衡通式對忽略產(chǎn)物生成的細胞生長過程的計量關(guān)系可表示為CmHnOl+aO2+bNH3cCHON+dCO2+eH2O底物碳源氮源m細胞對C元素：cd（1）n3bc2e對H元素：（2）對O元素：l2ac2de（3）對N元素：bc（4）上述4個細胞反響的計量方程，不足以計算a、b、c、d、e等5個未知量，所以再搜尋1個方程如在好氧型培養(yǎng)時，可定義呼吸商（儀器測定）作為第5個方程；RQd/a（5）或采用還原度平衡的方法（C=4，H=1，N=-3，O=-2，P=5，S=6）聯(lián)立1～5式，有0010am0302bn2021cl0100d0RQ0010e0解得細胞反響方程的a、b、c、d、e等5個系數(shù)例：某以葡萄糖為底物的微生物細胞培養(yǎng)過程，有2/3的碳轉(zhuǎn)變成細胞。其細胞培養(yǎng)的反響方程為C6H12O6+aNH3+bO2=cC4.4H7.3O1.2N0.86+dH2O+eCO2葡萄糖微生物細胞.優(yōu)選文檔（1）試確定計量系數(shù)a、b、c、d、e；（2）試計算其細胞對底物的得率YX/S；（3）試計算呼吸商RQ。解：（1）細胞反響的方程式系數(shù)的計算1mol葡萄糖所含有的C元素為722/348葡萄糖轉(zhuǎn)變成微生物細胞的C元素為：72g，依據(jù)題意1molc480.909g4.412CO2的C元素為：724824則有：轉(zhuǎn)變成g則：2412e，e2對N元素平衡，有：a0.86c0.782對H元素平衡，有：123a7.3c2dd123a7.3c21230.7827.30.90923.855對O元素平衡，有：62b1.2cd2e，1.2cd2e6b21.20.9093.8552262所以：1.473a=0.782，b=1.473，c=0.909，d=3.855，e=2即：C6H12O6+0.782NH3+1.473O2=0.909C4.4H7.3O1.2N0.86+3.855H2O+2CO2（2）細胞對底物的得率YX/S的計算(127.311.2160.86)YX/S1細胞/mol葡萄糖183.028g83.028細胞葡萄糖180（3）呼吸商RQ的計算RQCO2的生成速率O2的耗資速率e21.358b1.473呼吸商的計算比耗資速率比生成速率微生物反響動力學(xué)模型的分類：有，按可否對細胞的生進步行平衡生長化假設(shè)，分的種類：結(jié)構(gòu)模型、非結(jié)構(gòu)模型（非平衡生長時，采用結(jié)構(gòu)模型）有，按可否考慮細胞集體中的個體的隨機（即時）變化，分的種類：隨機性模型、確定性模型（當(dāng)細胞濃度在.優(yōu)選文檔個/ml以下時，需足夠重視個體的影響，采用隨機性模型如，滅菌動力學(xué)；發(fā)酵過程中，細胞濃度經(jīng)常在107~1010個/ml范圍內(nèi)，可忽略個體的影響，采用確定性模型）平衡生長條件下微生物細胞的生長速率rx的定義式為rxdXXdt式中X為微生物的濃度，μ為微生物的比生長速率，其除受細胞自己遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素所影響。由上式可知，μ與倍增時間(doublingtime)td的關(guān)系為：ln20.693定義，比生長速率rX）：tdtd（1/hr[X]X為細胞的生長速率（g.DCW/L.h）；為細胞的質(zhì)量濃度（g.DCW/L）[X]Monod方程S注：--------比生長速率（h-1）max--------最大比生長速率（h-1）maxKSSK--------S飽和常數(shù)（g/L）--------限制性底物濃度（g/L）S代謝產(chǎn)物的生成動力學(xué)依照產(chǎn)物生成速率與細胞生成速率之間的關(guān)系，將其分成三各種類。相關(guān)模型,是指產(chǎn)物生成與細胞生長呈相關(guān)的過程。產(chǎn)物是細胞能量代謝的結(jié)果。此時產(chǎn)物平時是基質(zhì)的分解代謝產(chǎn)物。比方：乙醇、葡萄糖酸等。部分相關(guān)模型,反響產(chǎn)物生成與基質(zhì)耗資僅有間接的關(guān)系。產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。在細胞生長遠內(nèi)，基本無產(chǎn)物生成。屬于這類的有檸檬酸和氨基酸的生產(chǎn)等。非相關(guān)模型,產(chǎn)物的生成與細胞的生長無直接關(guān)系。在微生物生長階段，無產(chǎn)物積累，當(dāng)細胞停止生長，產(chǎn)物卻大量生成。屬于這類的有青霉素等二級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。微生物反響器操作深層培養(yǎng)的幾種方式：分批式操作（batchoperation）：是指基質(zhì)一次性加入反響器內(nèi)，在合適條件下將微生物菌種接入，反響完成后將所有反響物料取出的操作方式半分批式操作（semi-batchoperation）：又稱流加操作，是指先將必然量基質(zhì)加入反響器內(nèi)，在合適條件下將微生物菌種接入反響器中，反響開始，反響過程中將特定的限制性基質(zhì)按照必然要求加入到反響器內(nèi)，以控制限制性基質(zhì)保持必然，當(dāng)反響停止時取出反響物料的操作方式。屢次分批式操作（repeatedbatchoperation）：指分批操作完成后，不所有取出反響物料，節(jié)余部分重新加入必然量的基質(zhì)，再依照分批式操作方式，屢次進行。屢次半分批式操作（repeatedsemi-batchoperation）：是指流加操作完成后，不所有取出反響物料，節(jié)余部分重新加入必然量的基質(zhì)，再依照流加操作方式進行，屢次進行。連續(xù)式操作（continuousoperation)：是指在分批式操作進行到必然階段，一方面將基質(zhì)連續(xù)不斷地加入反響器內(nèi)，另一方面又把反響物料連續(xù)不斷的取出，使反響條件（如反響液體積等）不隨時間變化的操作方式。分批式培養(yǎng)過程的狀態(tài)方程式（環(huán)境過程的狀態(tài)方程式）可表示為：.VSVXYXSrS優(yōu)選文檔基質(zhì)：基質(zhì)（底物）耗資速率基質(zhì)（底物）比耗資速率VSrsVqsCXx菌體：dX/dt=μX產(chǎn)物：產(chǎn)物的生成速率rpYpsrs產(chǎn)物的比生成速率qprpxYpsqs流加操作的2種方式：無反響和有反響各有什么特點？前者包括定流量流加、指數(shù)流加和反響控制流加操作等。后者分間接控制、直接控制、定值控制和程序控制等流加操作。連續(xù)操作有兩大種類，即CSTR（continuousstirredtankreactor）型和CPFR(continuousplugflowtulularreactor）型。依照完成牢固狀態(tài)的方法不相同，CSTR型連續(xù)操作，大體可分為三種。一是恒化器法（chemostat），二是恒濁器法（第三是營養(yǎng)物恒定法）。各有什么特點？恒化器法是指在連續(xù)培養(yǎng)過程中，基質(zhì)流加速度恒定，以調(diào)治微生物細胞的生長速率與恒定流量相適應(yīng)的方法。恒濁器法是指起初規(guī)定細胞濃度，經(jīng)過基質(zhì)流量控制，以適應(yīng)細胞的既定濃度的方法。營養(yǎng)物恒定法是指經(jīng)過流加必然成分，使培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分恒定的方法。實質(zhì)應(yīng)用中多采用恒化器法。（注意：恒化培養(yǎng)的沖出現(xiàn)象）（恒化器法連續(xù)）變化量=流入量+生成量-流出量F為反響液流入與流出速度L/h，V為反響器內(nèi)反響液的體積L，Sin為流入液中限制性底物的濃度mol/L，S為反響器內(nèi)和流出液中限制性底物濃度mol/L，其余符號同前。D稱為稀釋率：DF/V物質(zhì)傳達以液相濃度為基準(zhǔn)可得下式：推動力CiCCCiC*C*C)N1kL1kG1kLKL(C阻力HkGkL為液膜傳質(zhì)系數(shù)；kG為氣膜傳質(zhì)系數(shù)；Ci為氣液界面上的平衡濃度；為反響液主流中氧的濃度；C*為與氣相氧分壓相平衡的氧濃度；為亨利常數(shù)；KL為以液膜為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)。氣液界面周邊氧傳達的雙膜理論模型影響物質(zhì)傳達的因素？如何提高氧的傳質(zhì)速率？.優(yōu)選文檔營養(yǎng)經(jīng)過細胞膜的傳達形式有：被動傳達、主動傳達、促進傳達體積傳質(zhì)系數(shù)的測定方法：亞硫酸鹽法、溶氧電極法（包括動向法、穩(wěn)態(tài)法）生物反響器的放大放大原則：即即是最常用的通氣攪拌罐，其規(guī)模放大依舊存在好多問題，在很大程度上還需要逐級放大數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗應(yīng)用理論解析和實驗研究相結(jié)合的方法，總結(jié)生物反響系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律及影響因素，重點研究解決質(zhì)量傳遞、動量傳達和熱量傳達問題，使在反響器放大過程中盡可能保持生物細胞的生長速率、代謝產(chǎn)物的生成速率細胞反響器放大的詳盡方法：1幾何尺寸的放大（Di）；2通襟懷的放大（Q/V、μs）；3以單位體積的通襟懷相同的原則放大；4以通氣線速度相同的原則放大；5以KLα相同的原則放大；6攪拌功率的放大（n）；7以流體雷諾數(shù)相同的原則放大；8以攪拌槳葉尖速度相同的原則放大；9以單位體積液體耗資功率P/V相等的原則放大。1D2Di23幾何尺寸的放大（Di）V2D1Di1V1D-------------反響器直徑Di-------------攪拌器直徑V--------------反響器的裝料容積通襟懷的放大（Q/V、μs）由

QVQV

21

HH

2233L1Di1L2Di2知：大罐的Q要比小罐的小得多以KLα相同的原則放大Q2經(jīng)過實驗和相關(guān)準(zhǔn)數(shù)的整理，可把Q與KLa關(guān)系以下：KLa注：KLa-------體積溶氧系數(shù)（1/h）HL3VQ---------通風(fēng)量（m3/min、或vvm）V---------發(fā)酵液體積（m3）HL--------發(fā)酵液深度（m）1KLa2QVKLa1QV

21

HH

232L1醒：實質(zhì)反響系統(tǒng)KLa的關(guān)系式擁有隨反響器結(jié)構(gòu)和發(fā)酵系統(tǒng)的多變性攪拌功率的放大（n）攪拌功率的放大實際上是n和Di的放大。若幾何相似，則Di必然，放大問題就可是選擇攪拌轉(zhuǎn)速n的問題（以流體雷諾數(shù)相同的原則放大）ReLnDi2細胞反響器中，此方法很少采用RenD2L21n222i2DRe1n12得：Di1n1Di2以攪拌槳葉尖速度（即剪切力）相同的原則放大若是在小型設(shè)備中攪拌器所產(chǎn)生的最大剪切力已湊近微生物的剪應(yīng)力極限，這時就必定按攪拌器尾端線速度相等來進行放大.優(yōu)選文檔這在利用絲狀菌（霉菌、放線菌）進行的發(fā)酵過