生物反应及反应器原理(全)

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1、生物反应及反应器原理第一章 序论1.1 生物反应工程研究的目的1.2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法n 1.3.1生物反应动力学n 1.3.2 生物反应器n 1.3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章 酶促反应动力学n 2.1 酶促反应动力学的特点n 2.1.1 酶的基本概念n 2.1.1.1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制n 一、酶的分类n （1）氧化还原酶n （2）转移酶n （3）水解酶n （4）异构酶n （5）裂合酶n （6）连接酶（合成酶）n 二、酶的组成n 酶是蛋白质，因此有四级结构，其中 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多

2、酶复合体全酶蛋白质部分（酶蛋白）非蛋白部分三、 酶的作用机制n （1）锁钥模型 （2）诱导契合模型2.1.1.2 酶作为催化剂的共性 一、催化能力 二、专一性 三、调节性n 酶浓度的调节n 激素调节n 共价修饰调节n 限制性蛋白水解作用与酶活力调控n 抑制剂调节n 反馈调节n 金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点n 2.1.2.1 酶的稳定性n 2.1.2.2 酶的应用特点2.1.3 酶和细胞的固定化技术n 2.1.3.1 固定化技术的基本概念n 2.1.3.2 固定化酶的特性n 2.1.3.3 固定化细胞的特性n 2.1.3.4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶

3、促反应的特征2.2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础 影响酶促反应的主要因素有：（1）浓度因素：酶浓度、底物浓度（2）外部因素（主要是环境因素）：温度、 压力、 溶液的介电常数、 离子强度、pH值（3）内部因素（结构因素）：底物、效应物 浓度、酶的结构n 酶促反应动力学模型的建立 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应n 也就是酶催化作用下，A B的过程n 此时反应式为：式中：K1一级反应速率常数 a0底物A的初始浓度 b t时间产物C的浓度 当底物A与底物B产生产物C时， 即：AB C时，为二级反应式中：K2二级反应速率

4、常数 a0底物A的初始浓度 b0底物B的初始浓度 Ct时间底物C的浓度如果把式积分可得： 当：A B C时，即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示： 式中：aA的浓度 bB的浓度 cC的浓度 K1第一步反应速率常数 A B K2第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A的初始浓度为a0，B和C的初浓度为0，得出：当反应达t时间后，A、B、C的最终浓度。当t0，A B C a0 0 0当t=t底物浓度分别为a、b、c 当B达到最大浓度时，达到最大浓度时的时间 2.2.2 单底物酶促反应动力学n 2.2.2.1 米曼氏模式（米氏方程）一、米氏方程：Michaelis-Ment

5、en model E + S ES E+P E s x P式中：E酶 S底物 ES中间复合体（酶与底物的复合体） K+1, K+2,K-1相应个步骤的反应速率常数 e ，s, x, P对应物质的浓度二、由 可获得由“快速平衡法”确定的米氏方程 式中：rp产物的生产速率 rs底物的消耗速率（负号表示减少） Ks平衡常数 KsK1/K+1 （也叫保饱和常数） K+2，K+1不同阶段反应速率常数 e酶的浓度 S底物浓度三、利用“稳态法”推导米氏方程ES E + P，然后E + S ES“稳态”生成速率消耗速率由此得到如下米氏方程：式中：Km米氏常数，mol/L; Km（ K-1+K+2 ） /（ K

6、+1）Km与Ks（平衡常数）之间的关系为： Km Ks（ K+2 / K+1 ）由米氏方程 可以看出，当S K+2时， 假设单底物S生成产物P的酶促反应机制成立，如下式：E + S ES E+PE s x P可逆酶促反应动力学方程可用如下公式表示：底物转化率 n Xs底物转化率n S0初始底物浓度n St反应至t时间底物的浓度n 在t=0，S=S0条件下，对米氏方程积分得：可以求出达到最大反应速率的时间t。（对反应速率积分即得反应时间）2.2.2.2 操作参数对酶促反应的影响n 对酶稳定性的影响n 对酶活性的影响n Michaelis提出三状态模型n 处于活性状态的酶记为EH- n 由活性状态

7、转入无活性状态时的酸性形势用EH2表示n 由活性状态转入无活性状态时的碱性形势用E2-表示n 三种状态关系式是：非活性（酸性） 活性 非活性碱性当底物S的反应状态不变时，中间体EHS生成目标产物P的过程。相应的机制为：由酶催化反应动力学的原理：设酶的初始浓度为酶在各个状态时的总和n 2.2.2.3 抑制剂对酶促反应速率的影响n 酶促反应速率下降的原因：n 失活作用n 抑制作用一、底物抑制底物抑制的反应机制为 如果复合体ES2为非活性，采用稳态法建立反应动力学方程可得：rp 反应速率Km米氏常数S底物浓度K1底物抑制的离解常数n 二、产物抑制n 产物抑制的反应机制：EP无活性的端点复合物。设酶总

8、浓度为e，则：当复合物ES处于稳定态时，2.2.2.4 多底物酶促反应动力学n 一般的酶促反应可看成 A+B+CP+Q+R，一、两底物反应动力学模型S1+S2 Pn 反应机制n E+S1 ES1; K1=E*S1/ES12.3 固定化酶促反应动力学n 2.3.1 固定化酶促反应动力学n 2.3.1.1 影响固定化酶促反应的主要因素n 制备固定化酶要考虑到一下因素：来源的经济性（包括使用寿命）考虑选择适当的反应器n 影响因素： 分子构象的改变：n 位阻效应 n 微扰效应固定化酶反应体系微环境与宏观环境n 分配效应n 分配效应采用分配系数表示n 扩散限制n 2.3.1.2 固定化酶反应动力学n 关

9、于反应速率n 酶分子结构的改变n 位阻效应2.3.2 固定化酶反应中的过程分析（一）建立固定化酶催化反应动力学方程须考虑的因素固定化酶本身活性变化底物传质速率底物性质操作条件载体性质n （二）固定化酶催化反应动力学方程的特征催化反应速率 传质速率2.3.2.1 外部扩散过程 当固定化酶与液相反应物接触时，反应过程有三步：底物由液相扩散到固定化酶外表面底物在固定化酶的外表面进行反应产物对外表面扩散进入液相主体n 当底物由液相向固定化酶外表面扩散时： 扩散速率与传质推动力成正比稳定状态下，传质速率等于酶促反应速率。n 也就是当S Ss时，传递阻力可以忽略 S Ss，整个反应速率内外扩散控制 如果（

10、S-Ss）的值界于二者之间，反应速率要考虑： 传质的影响 酶反应的影响引进一个参数：Da准数 Da准数最大反应率/最大传质率 Da准数可以用如下公式表示：为了降低外部传质阻力，要求Da准数要远远小于1，如果要减少Da值，就要加大KL值或a值。 KL（液）膜传质系数 a传质比表面n 在化工上引用效率因子（effectiveness factor）来描述催化反应进行的有效程度。n 效率因子的扩散定义为：由效率因子可得出：2.3.2.2 内部扩散过程底物酶产物v 内部扩散与外部扩散的区别：外部扩散是串联过程内部扩散是一个平行过程内部扩散过程的效率因子 对球形固定化酶R为半径 r中心半径 dr壳体壳厚

11、，（Rrdr）Sr壳体内底物浓度流入量4(r+dr)2De式中：De载体内部底物的扩散系数单位时间扩散离开壳体的底物量为：单位时间扩散离开壳体的底物量为：稳状态下流入量流出量反应量整理变形为式为球形颗粒内底物浓度分布微分方程西勒准数（固定化酶外表面处反应速率与内扩散速率之比）Vp固定化酶颗粒体积Ap固定化酶颗粒外表面积(-rs)固定化酶反应速率De底物有效扩散速率S平衡时底物浓度Ss固定化酶颗粒外表面的底物浓度n 由以上，固定化酶内部扩散效内因子：提高内扩散效率的途径：减少颗粒的直径，但R有下限值降低反应速率，但会影响生产效率通过温度等条件的调节，调节反应速率rmax与底物有效 扩散速率De的

12、关系2.4 酶的失活动力学n 酶的稳定性也叫操作稳定性n 测定方法有三种：1、分批测定法2、连续测定法3、直接跟踪法反应温度/底物的变化n 2.4.1 热失活n 最佳温度n （最佳温度是酶促反应速率与酶失活速率的临界点）4050607080反应时间 t底物变化临界点温度 转化化率2.4.2反应中酶的失活模型（底物的影响）酶促反应过程中，底物和产物的存在可使酶的稳定性增强或减弱，其影响可建立如下模型：D失活的酶Kd逆反应速率(失活反应速率) 常数底物对酶稳定性影响系数其失活反应动力学方程：（失活速率）e酶的浓度S底物浓度KmK-1+K+2K-1n 从失活方程中可以看出：=1时，底物对酶失活无影响

13、0 1时，底物加速失活。5.生物反应器设计n 生物反应过程中，如果采用活细胞（微生物、动植物细胞）为催化剂，称为细胞培养过程n 如果采用游离或固定化酶，称为酶反应过程。 分类： 按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同酶反应器 生物反应器 根据反应器所需能量的输入方式机械搅拌输入式 气体喷射动能的气升式液体循环式生物反应器应满足下列要求结构严密所选材质，耐腐蚀性好，减少金属离子对反应的影响有很好的气液固接触和混合性能有高效的热量、质量、动量传递性能在保持生物反应要求的前提下，降低能耗有良好的热交换性能，能维持生物反应的最适温度有可行的管路比例和仪表控制5.1 机械搅拌式生物反应器5.1.1 机械

14、搅拌式生物反应器的结构一、罐体二、搅拌器和挡板三、机械消泡装置消泡方法：加入消泡剂 机械消泡装置：a b机械搅拌式生物反应器机械搅拌玻璃发酵罐 (国产)特种耐温耐压玻璃材质，便于观测，2层平叶搅拌四、通气装置* 单孔管* 多孔环形管n 5.1.2 搅拌轴功率计算n 在生物反应器中，溶氧、气液固混合强度，与单位体积那的搅拌功率有很大关系（相同条件下，不通气与通气其功率是不一样的）5.1.2.1 不通气条件下轴功率的计算 与搅拌器的输出功率P0 (W)相关因素：发酵罐直径D(m) 搅拌器直径d(m)液柱高度HL(m) 搅拌器转速(r/min)液体粘度(Pa.S) 流体密度(Kg/m3)重力加速度g

15、(m/S2)n P0=(n.d.g)n 对牛顿型流体可以得到如下关系：不同流体状态下，X、Y值不同：当液面未出现漩涡时，y=0当液面处于层流状态，x=-1当液面处于湍流状态，x=0n 多层搅拌器（液柱较高时采用一只搅拌器往往效果不佳） 经验公式：Pm=mP0 式中： Pm多层搅拌器的功率 m 搅拌器的层数 P0 单层搅拌器的功率5.1.2.2 通气搅拌轴功率的计算通气搅拌，轴功率会有所下降原因：通气使液体密度降低 通气使液体产生翻动通气准数：Nan 热传递的经验方程：5.2 鼓泡式生物反应器n 鼓泡式生物反应器是气液两相反应器，通过气体鼓泡将含有反应物或催化剂的液层实现气液相反应的过程。n 5

16、.2.1鼓泡式生物反应器的结构及原理n一、结构二、原理气液固三相鼓泡式生物反应器：鼓泡式生物反应器的功率消耗计算5.2.2 鼓泡式生物反应器的传热和传质n 热量传递：夹套式或管式冷却器（内式） 液体循环外冷却式5.2.3 鼓泡塔反应器模型n 一、若菌体的生长为非限制型，即此时菌体的生长不受基质的限制，符合下式的生长动力学：n rxrmaxCx的生长动力学n 引入PezPeclet数，Pez=ul/DL；Da=maxDamkohler数；Cx菌体浓度 流体线速度l塔的轴向距离 DL液相扩散系数Cx0菌体初始浓度 max菌体最大生长速率当pez4Da时，二、若菌体的生长为基质限制型，符合如下动力学

17、模型三、若氧的传递成为菌体生长限制因素时符合如下动力学模型：式中：5.3 膜生物反应器n 优点：n 增大反应速率n 提高反应转化率n 简化生长步骤n 截留生物催化剂，使细胞或酶在高浓度下进行n 减少了能耗，节约成本5.3.1 膜生物反应器的分类n 目前常用的膜生物反应器有：1) 分置式膜生物反应器2) 一体式膜生物反应器3) 分离膜生物反应器4) 无泡曝气膜生物反应器5) 萃取膜生物反应器一、分置式膜生物反应器n 分置式：膜组件与反应器分开设置，超滤膜的压力驱动是依靠加压泵二、一体式膜反应器分置式与一体式优缺点比较n 分置式：膜组件自成体系，具有易清洗、更换及增设的优点，但泵的高速旋转产生剪切

18、力，会使某些生物菌体失活；n 一体式：由于不使用循环泵，可避免微生物菌体受剪切力失活，但不易拆装、清洗。三、分离膜生物反应器四、无曝气膜生物反应器无曝气膜生物反应器采用透气性膜，对反应器进行无泡供氧五、萃取膜生物反应器萃取膜生物反应器利用膜把废水中的污染物先萃取出去以后，再进行单独的微生物反应。5.3.2 膜材料及膜组件1) 有机膜材料2) 无机膜材料3) 膜组件：管式、平板式、卷式、微管式各种膜组件5.3.3 膜生物反应器要考虑的因素n 在膜反应器设计中要求根据物料特性和工艺要求确定：n 反应器的类型n 反应器大小和结构参数n 操作条件和工艺控制方式n 主要考虑三方面因素：n 生物因素n 水

19、力学因素n 膜因素膜反应工艺流程一、生物因素的考虑二、膜有关因素n 膜的选择：耐污染、耐降解n 膜的孔径：0.010.1m之间三、膜组件n 膜组件可选用管式、板式、卷式、毛细管式，对粘度较大的可选用管式。四、水力学因素n 膜面流速n 膜通量与有效压力5.3.4 膜生物反应器的应用1. 截留细胞或酶2. 选择性供应和除去不同化学物质3. 保护酶和细胞4. 能快速更换培养基5. 污水处理与回收利用5.3.5 膜生物反应器的研究进展与研究方向n 研究概况n 存在问题5.4 酶生物反应器5.4.1 酶生物反应器的分类1) 根据催化剂类型 2) 几 何 形 状3) 结 构游离酶反应器固定化酶反应器罐型管

20、型膜型超滤式酶反应器扩散型模式酶反应器接触式多相模式酶反应器动态膜分离式酶反应器超滤式酶反应器扩散型模式酶反应器接触式多相模式酶反应器动态膜分离式酶反应器5.5 故态发酵生物反应器基础理论5.5.1 故态发酵生物反应基础理论一、固态发酵的特点固态发酵与液体生物反应的区别固态生物反应与液态生物反应优点缺点优点缺点二、固态发酵的传质1. 固态发酵的特征2. 固态发酵的培养基固体液体气体三、固态发酵中的传热l 微生物发酵反应是一个放热反应，固态发酵中的热量直接与代谢的活力成正比。l 固态基质，导热性能差，缺乏有效混合， 散热困难，每公分的温差都很大。l 主要靠调节通气速率控制传热四、固态发酵的数学模

21、型固态发酵的数学模型有两种：宏观模型微观模型5.5.2 固态发酵的生物反应器固态发酵的生物反应器浅盘式反应器填充床式反应器流化床式反应器转鼓式反应器搅拌式反应器压力脉动式反应器一、 浅盘式生物反应器二、填充床生物反应器三、流化床生物反应器四、转鼓式生物反应器荷兰瓦赫宁根大学发明的水平桨混合反应器五、搅拌生物反应器六、压力脉动固态发酵生物反应器压力脉动曲线6. 植物细胞培养6.1 植物细胞次级代谢产物的生物合成途径（韩国高百特，亚洲最大规模的专业发酵设备厂商）植物细胞培养反应器高百特发酵机（上海）有限公司6.1.1 次级代谢生物合成的基本途径一、多酮途径:地衣酸的生物合成途径三、活性异戊二烯的生物合成莽草酸途径6.1.2 生物碱的生物合成 6.1.3 香豆素的生物合成6.1.4 类黄酮的生物合成