生物反应工程计算题解析.docx

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生物反应工程计算题解析

《生物反应工程》讲稿

（生物反应工程与生物反应器）

课程简介：

1绪论

1.1生物反应工程的发展过程

20世纪40年代抗菌素工业诞生，对无菌操作、通风溶氧技术十分拍切，吸引了大量化学工程人员参与技术攻关，于是有微生物学、生物化学、化学工程形成了一门交叉学科——生物化学工程（生化工程），当初的生化工程研究的核心，通风搅拌无菌操作。

1942年monod研究连续发酵，研究的目的就是提高发酵速率，60-70年代，单细胞蛋白生产，污水处理的重视，对菌体生长速率、底物的反应速率等的研究越来越重视，于是人们就把微生物反应动力学的研究与生物反应器结合起来形成了生化工程的一个重要分支-——生物反应工程。

这门课（生物反应工程）是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应器的设计、放大和生物反应过程的优化操作和控制的学科。

生物反应工程课程有好多名称，在上世纪80年代初，江南大学（原轻工业学院）王鸿祺教授给研究生开设了《生化反应动力学与生化反应器》，XX科技大学贾士儒教授给研究生开设了《生物反应工程与生物反应器》，后来改为《生物反应工程原理》。

90年代XX出版了高校教材《生物化工原理》，化工大学戚以政、王叔雄编著了《生化反应动力学与反应器》（1995年第二版），以后有编写了《生物反应工程》。

本学学院最早给研究生开这门课名称是《生物反应工程与生物反应器》，2010年改为《生物反应工程》。

1.2生物反应工程的主要容

1）生物反应动力学

研究生物反应过程速率与其影响因素，是理论基础。

微观动力学（本征动力学，是研究分应的固有速率，与温度、浓度、PH、催化剂等有关，与传递无关。

另一种反应是宏观动力学，也称反应器动力学。

与反应器的传质、传热与物料流动类型有关。

实验室研究可以看作微观动力学，从工程角度要研究的是宏观动力学。

2）生物反应器设计、优化与放大（设计包括结构型式、操作方式与尺寸的确定），实际生物反应器设计是将生化反应动力学特征和生化反应器特征结合的设计。

生物反应器的优化分优化设计、优化操作。

第二章均相酶反应动力学

容要点：

了解酶反应特点，掌握M-M方程和各种抑制动力学特征与其应用。

均相酶反应，系指酶与反应物处于同一相（液相）的美催化反应。

在生产中均相酶反映较多。

如淀粉的液化和糖化。

2.1酶反应的基本特征

2.1.1共性

2.1.2特性

2.2单底物酶反应动力

2.2.1M-M方程建立

酶反应机理：

底物S与酶E结合形成中间复合物〔ES〕，然后复合物分解成产物，并释放出E。

反应式：

E—游离酶；

S—底物；

〔ES〕—酶底物结合的中间复合物；

P—产物；

反应速率方程：

rS—底物消耗速率，mol/L．S

rp—产物生成速率，mol/L．S

V—反应体系体积，L；

nS—底物物质量，mol;

nP—产物物质量，mol；

t—时间，S；

根据反应定律：

对反应机理有四点假设：

（1）反应过程酶浓度恒定，即

（2）与底物浓度CS相比，酶浓度很小，可忽略生产中间复合物所消耗的底物。

（3）产物浓度很低，产物抑制作用忽略不计，也不需考虑P+E→〔ES〕的可逆反应。

（4）生产产物的速率低于酶与底物的结合速率，生成产物的速率决定整个反应速率，而生成复合物的可逆反应达到平衡状态。

根据假设：

因

（rS，max=k+1CEo）

当中间复合物生产速率与其分解成酶和产物的速率相差不大时，以上公式不适用，MichaelisMenten的平衡假设不成立。

1925年，Briggs和Haldane提出了“拟稳态假设”，认为反应体系底物与酶浓度相比浓度高的多，中间复合物分解成产物和游离酶后，酶立即与底物结合，从而使反应体系中复合物浓度维持不变，即中间复合物不再随时间变化。

根据反应机理和以上假设：

又因：

因底物浓度比酶浓度高的多，产物的反应速率就等于底物的反应速率。

推出底物浓度与底物反应速率的关系式即米式方程：

式中：

Km—米氏常数，mol/L；

—底物农度，mol/L；

Km与KS的关系：

从上式看出，酶与底物结合成中间复合物这步反应速度很快，而复合物分解成产物这步反应很慢，米氏常数就等于解离常数（Km=KS）。

显然用“拟稳态平衡假设”推导出米氏常数更为科学，使米氏方程机理的推导更完美。

最大反应反应速率rS,max和米氏常数Km是米氏方程的重要参数。

rS,max大小与酶总量有关，与酶和底物反应特性有关；Km大小主要决定底物与酶的结合程度有关。

结合力越大，Km越小，反之越大。

米氏方程的意义，在于掌握反应速率与底物的关系。

2.2.2米氏方程动力学特征

当CS＞＞Km时，

此反应与底物浓度无关，属0级反应。

积分得：

该式表明，反应时间长短取决于底物的初始浓度和终了浓度以与最大反应速率，对大反应速率又取决酶的总浓度。

当CS＜＜Km时，

反应速率与底物浓度成正比关系，属一级反应。

积分得：

当底物浓度即不＞＞也不＜＜米氏常数时，就符合米氏方程，当Km=CS时，，

此时，C〔ES〕=CE。

对米氏方程积分得出积分式：

以上三个积分式，Cso为反应前的底物初始浓度，CS是反应t时间后的终了浓度。

利用积分式求反应时间，并知道哪些因素影响了反应时间。

用XS表示底物转化率：

以上三个积分式可写成与转化率有关的积分表达式：

即：

2.2.3米氏方程参数的求取

有四种方法求取。

（1）lineweaver-Burk（简称L-B法）

将米氏方程两边取倒数：

以为纵坐标，以为横坐标作图，直线斜率为，截距为。

（2）Hanes-Woolf法简称（H-W法）

将米氏方程取倒数，然后两边乘CS，得下式：

以为纵坐标，以为横坐标作图，直线斜率为，截距为。

（3）Eadie-Hofstee法（简称E-H法）

将M-M方程重排：

以上三种方法，反应速率都要通过浓度和反应时间求出，实质是利用微分法求出来的，故称微分法。

微分法反应速率不是直接求出的，当地物浓度很低反应速率很慢时，误差较大。

（4）积分法

将M-M方程的积分式，经整理得到：

以为纵坐标，以为横坐标作图，斜率为，截距为。

积分法特点，通过反应时间和底物浓度可直接求出动力学参数，产物的增加对反应速率没有影响，否则不符合米氏方程条件。

2.3底物抑制动力学

有的反应，底物浓度增加反应速率反而下降，这种由于底物浓度增大引起反应速率下降的作用称为底物抑制作用，反应机理如下：

根据稳态法，推导出的动力学方程：

KSI—底物印制的解离常数，mol/L；

2.4有抑制的酶反应动力学

某种物质存在而使酶反应速率减慢，这种物质呈抑制剂。

根据抑制机理可分为竞争性抑制，非竞争性抑制，反竞争性抑制。

竞争性抑制动力学，

抑制剂与酶活性中心结合，影响了酶与底物的结合，从而影响了酶反应。

抑制机理表达式：

底物反应速率：

根据稳态假设：

（）

竞争性抑制动力学，其抑制剂影响了米氏常数，影响大小决定于抑制剂浓度CI和解离常数。

竞争性抑制动力学参数的求取：

和M-M方程动力参数求取相同，两边取倒数，得到如下方程：

第三章微生物细胞反应动力学

第一节微生物细胞反应基本概念

第二节微生物细胞反应计量学

微生物细胞反应衡算目的：

是对反应物转化成细胞或产物进行转化程度的数量化研究，是为了更好的控制反应。

微生物细胞反应元素衡算方程

（1）无产物的反应式：

第三节微生物生长动力学

一、细胞生长动力学方程

分批培养：

（！

）细胞生长速率：

（2）比速率：

是以单位质量细胞为基准表示各组分的变化速率。

细胞生长比速率：

假定μ是常数，积分得：

二、Monod方程

（g/L.h）

μ—细胞生长比速率（h-1）

CS—限制性底物质量浓度，（g/L）。

KS—饱和常数，（g/L）。

μmax—最大生长比速率

Monod方程式是Monod在1943年通过大量实验做出的经验方程，CS是限制性底物浓度，Ks是饱和常数，即得出，生长比速率与限制性底物浓度的关系。

三、微生物细胞间歇培养

将方程以为纵坐标，以时间t为横坐标，作的曲线图如下：

通过曲线进一步理解Monod方程与生长比速率的涵义。

μ实际就是曲线上的斜率。

1）延滞期

μ=0

2）加速期

0＜μ＜μmax

3）对数期

μ=μmax，营养底物充足，对生长不受限制。

在对数生长期间，μ是恒值是一个常数。

4）减速期

在减速期，随着时间延长，营养底物越来越匮乏，生长比速越来越小（曲线上斜率越小）。

正符合Monod方程：

四、连续培养（单级）

操作连续稳定时，

细胞生长量=排出量

令：

D—稀释率，（h-1）。

稀释率是人为控制的，因此在连续发酵过程生长比速率可以人为控制。

连续发酵的必要条件

D＜μmax

当D＞μmax，发酵就发生“冲出”现象。

******

连续发酵，在D＜μmax的前提下，μ随着D的变化而变化，当D增大时，意味着进料速度增大，反应器底物浓度增高，所以μ值随之增大；当D降低时，意味着进料速度减小，反应器底物浓度随之降低，有许许多多的实验得出了Monod方程，即限制性底物浓度CS与生长比速率μ的关系，因此连续发酵会自动趋向稳态，即μ=D，

讨论：

（1）底物浓度（CS）与稀释率的关系：

（2）菌体相对基质得率系数Yx/s

（3）菌体浓度与稀释率的关系

（4）微生物细胞生产强度（PX）与稀释率的关系

菌体浓度（CX）、底物浓度（CS）、生产强度（Px）与稀释率（D）的关系作图如下：

从上图看出：

1）在一定的稀释率下，微生物细胞生产强度（生长速率）（DCX）,随着稀释率（D）增大而增大，当达到一定的稀释率后，其细胞生产强度随着稀释率增大而降低。

2）稀释率在一定围变化，细胞浓度（CX）和底物浓度（CS）变化很小。

当增大到一定程度，其变化迅速增加。

3）稀释率增大到一定程度时，微生物细胞冲出，罐菌体浓度为零，底物浓度等于初始浓度，此时的稀释率称临界稀释率（DC）。

4）对细胞生产强度而言，有一个最佳稀释率（D0pt），即细胞生产强度最高。

5）稀释率越小，底物浓度越低，细胞产率越高（转化率高）。

单罐连续发酵（培养），当转化率要求不高时，可以使用。

如果既要转化率高，又要细胞生产强度高，单罐连续发酵就满足不了这个条件。

如何设计才能使转化率和生产强度都高，用多级串联连续就能解决这个问题，一般用两个罐就可满足生产要求，第一个罐用作提高生产强度（控制最佳稀释率），第二个罐用作提高转化率。

四、最佳稀率（Dopt）

最佳稀释率是细胞生产强度（生长速率）最大时的稀释率。

生产强度对D求导，等于零，即求得稀释率最大值Dopt

最佳稀释率对应的最佳细胞浓度（CXopt）与最大生产强度（PX）opt

五、两级串联连续培养

连续稳定时，CX0=0

对第一个罐细胞平衡：

对第二个罐细胞平衡：

两罐串联与单罐连续发酵时间的对比

假定用两个罐（等体积）串联连续发酵，第一个罐的菌体浓度为第二个罐的0.85倍。

即：

CX1=0.85CX2

两罐与单罐排出的底物浓度相等，即：

CS2=CS

单罐发酵时间用τ表示:

两罐发酵时间用τm表示：

六、带细胞循环的单级培养

带细胞循环的单级培养是在单级连续培养的基础上进行的，将流出反应器的物料进行