1、 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（
2、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（原无锡轻工业学院）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 ，天津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 年代上海出版了高校教材生物化工原理 ，北京化工大学戚以政、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
3、程的主要内容1）生物反应动力学研究生物反应过程速率及其影响因素，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、传热及物料流动类型有关。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、操作方式及尺寸的确定） ，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内容要点：了解酶反应特点，掌握 M-M 方程和各种抑制动力学特征及其应用。均相酶反应
4、，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： Pp2k1-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： dtnV1rPPSS；rS底物消耗速率，mol/LSrp产物生成速率，mol/LSV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： ESC2Pkr ；，酶 底 物 结 合
5、 复 合 物 浓 度 L/mol对反应机理有四点假设：（1）反应过程酶浓度恒定，即 ESEC0（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+EES 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： ES2SPS CkdttCrES11kSESE1ECKkC因 E0）（ SESSE10 SESCKoSmax,S2Srkro（r S，max =k+1CEo） SmaxP,SE2PKro当中间复合物生产速率与其分解成酶和产物的速
6、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：ES2PCkdtS11StES2E1SE1E Ckkdt SE1212S21ES CkkC又因： ESEo1CKSmoSmESo SmaxPSmE2ES2P CKrCkdtCr o ，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
7、率的关系式即米式方程： SmaxSSKr，pSaxSCr，式中：Km米氏常数，mol/L；底物农度，mol/L；SKm 与 KS 的关系： 12S12kk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（K m=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；K m 大小主要决定底物与酶的结合程度有关。结合力越大，K m 越小，反之越大。米氏方程的意义，在于掌握反应速率与
8、底物的关系。2.2.2 米氏方程动力学特征 SmaxSCr，当 CSK m时，axr，此反应与底物浓度无关，属 0 级反应。积分得： SStromax,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及最大反应速率，对大反应速率又取决酶的总浓度。当 CSK m时，ax,r反应速率与底物浓度成正比关系，属一级反应。积分得： SmSCKtr0lnax,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，ax,21Sr此时，C ES =CE。对米氏方程积分得出积分式： SmSS CKtroolnmax, 以上三个积分式，C so 为反应前的底物初始浓度， CS 是反应 t 时间后
9、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： 0S以上三个积分式可写成与转化率有关的积分表达式：即： ,maxoSSrtCX,ax1lnSStK,max0lSSmSrtCX2.2.3 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： SSmSCrKr1ax,ax,以 为纵坐标，以 为横坐标作图，直线斜率为 ，截距为 。S1S max,SrKmax,1Sr（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：max,ax,SSrCKr以 为纵坐
10、标，以 为横坐标作图，直线斜率为 ，截距为 。SrCmax,SrCmax,1Srmax.SrK（3） Eadie-Hofstee 法（简称 E-H 法）将 M-M 方程重排： SmSCrKrax,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： mSmSS KCtKrC1ln0ax,0 以 为纵坐标，以 为横坐标作图，斜率为 ，截距为 。S0l St0 mSKrax, m1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
11、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：解 产 物 。不 具 备 催 化 活 性 ， 不 分SEP31-kk根据稳态法，推导出的动力学方程： 0CkCkCkdtr SE3ES3ES2ES1SE1ES1 0t S3-S3S 3ESSEkCSI2maxSKCrrKSI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
12、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： 非 活 性 复 合 物 ；抑 制 剂 ；EIIPESE321-kk底物反应速率： ES2SICkr根据稳态假设： EISE0 S3IEm3-II I3IE3EISEmES2ES1S1ESCCkKkdtCCkdt SIImImES SIK3IkK令 ： SImE0ImSIIE0SCK1( )ES2SIkrSIm01E ImIKC1令 ：SIax,SICKr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
13、方程： Smax,IaS,I C1r1rImImI KK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 ：(/.)XdcrCghLt2322mnCHOabNcCHOdeC假定 是常数，积分得：0lnXCt二、Monod 方程（g/L.h）maxSK细胞生 长比速率（h -1
14、）C S 限制性底物质量浓度， （g/L ） 。KS饱和常数， （g/L） 。 max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，C S 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：0lnXCt0lnXt细胞生长曲线减速期减速期对数期加速期延滞期0lnXC通过曲线进一步理解 Monod 方程及生长比速率的涵义。 实际就是曲线上的斜率。1)延滞期= 02)加速期0 max3)对数期1()Xdht减速期= max，营养底物充足，对生长不
15、受限制。在对数生长期间， 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 RXVCR令： RDVD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 max当 D max，发酵就发生 “冲出 ”现象。* * * * * *连续发酵，在 D max 的前提下， 随着 D 的变化而变化，当 D 增大时，意味着进料速度增大，反应器内底物浓度增高，所以 值随之增大；当 D 降低时，意味着进料速度减小，反
16、应器内底物浓度随之降低，有许许多多的实验得出了 Monod 方程，即限制性底物浓度 C S 与生长比速率 的关系，因此连续发酵会自动趋向稳态，即=D，讨论：（1）底物浓度（C S）与稀释率的关系：maxSsCKmaxaxsSsSDKC（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(P X)与稀释率的关系菌体浓度（C X） 、底物浓度（C S） 、生产强度（P x）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） （DC X）,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
17、低。2）稀释率在一定范围内变化，细胞浓度（C X）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，罐内菌体浓度为零，底物浓度等于初/xsXYS/0/0max()sXxsSxsSKDCYCxPD始浓度，此时的稀释率称临界稀释率（D C） 。4）对细胞生产强度而言，有一个最佳稀释率（D 0pt） ，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
18、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（D opt)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（C Xopt）及最大生产强度（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：0max()0SXXSKPCYdmax01SoptDK, 00(XoptSSSYC最 大 生 产 强 度 : 200.max00) SSXopttXoptSKPDC（11XXCVFD对第二个罐细胞平
19、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：C X1=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 表示:两罐发酵时间用 m 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细胞浓缩，将浓缩液循环。通过浓缩液循环，提高反应器内细胞浓度，从而提高反应速率。以下是带细胞循环的单级细胞培养流程：122111212()()XXXFCVFCDD1D12112122121 122()0.85;()(0.85).0.5.0.3XmXXmCDCD图中
20、，RF 为循环液量，R 为循环比。 Cx2CXC X1对发酵罐培养系统菌体平衡:细胞浓缩分离系统菌体平衡：由以上两平衡式得出：、带细胞循环连续发酵讨论：循环与不循环相比：（1）在转化率和发酵罐体积不变时，可提高生产能力。（2）在生产能力和发酵罐体积不变时，可提高转化率（C S 降低）（3）在生产能力和转化率一定时，可减小设备体积。（4）如果细胞不浓缩， D =，对 CSTR 无意义。（5）生产能力的提高在于提高了发酵罐中的细胞浓度。七、带循环的 CPFR带循环的 CPFR（带循环平推流式反应器） ，对酶反应因循环物料使得进入反应器的底物浓度降低，因此可以解决因底物浓度抑制的反应而提高反应速率；
21、对微生物细胞反应则提供了连续接种的作用。1()XXFCVF12()XXRC12XXCVFD21X回流比 0VRr物料衡算：进口物料 r0110SSFrSC进口浓度： RF0第四节底物消耗与产物生成动力学一、底物消耗动力学1、 底物只形成细胞的消耗动力学底物消耗速率通过细胞得率系数与细胞生长的关系：max1SSXXXSsCrYYKXS对 底 物 总 消 耗 而 言 的 细 胞 得 率 ， 即 宏 观 得 率 。底物消耗比速率： max11SSSXXsCqrCYK,maxaxSXS令 ： ,axSSqKCqS,max 最大消耗比速率， （h -1） 。2、 包括维持细胞生命的底物消耗动力学底物消耗
22、速率：*11SXXSrmCCYYXS对 用 于 细 胞 生 长 所 消 耗 底 物 而 言 的 细 胞 得 率 ， 即 理 论 得 率 。细 胞 维 持 系 数 ， （ g/.h） 。底物消耗比速率： *1SXqmY总得率与理论得率关系式可写成： *XS1XSY以 纵 坐 标 ,为 横 坐 标 ， 做 图 如 下 ：11XSY斜率 m1XSY3、 包括产物生成的底物消耗动力学底物消耗速率： * *111SXPXPXSSSrmCrCmqCYYY底物消耗比速率：*1SPXSqmqY二、产物生成动力学根据产物生成速率与细胞生成速率的相关性分为三类：1、 相关模型指产物生成与细胞生长相关的。产物生成速
23、率可写成：PXPXrYC产物生成比速率： PXq2、 部分相关模型指产物生成与细胞生长部分相关。产物生成速率： PXrC产物生成比速率： Pq3、 非相关模型指产物生成与生长无关。其特点，细胞生长时无产物生产，当细胞停止生长后才生成产物。产物速率表达式：PXrC第五节 动力学参数求取Monod 方程两个重要参数 max 和 KS 的求取：将方程写成： maxmax11SKC利用微分法求取： 1XSXCt是 时 间 内 的 细 胞 平 均 浓 度 。1SC1maxSK斜 率max第六节灭菌动力学第四章反应器设计与分析第一节生物反应器类型生物反应器是指利用生物催化剂进行生物反应的设备，1、 按催化
24、剂不同分：细胞生物反应器；酶反应器；2、 按物料进出不同分：间歇操作反应器；连续操作反应器；半连续操作反应器；3、 根据催化剂分布分：块状反应器；膜反应器。4、 连续操作反应器根据流动模型分：全混流式；平推流式（活塞流式） 。在生产中搅拌槽式反应器视为全混流式反应器，酒精生产连续蒸煮，培养基连续灭菌及淀粉糖的连续液化都是用几个柱型容器串联，有的用管道。这些反应器可视为平推流式反应器。理想型全混流式反应器在容器内呈最大混合状态，反应器内物料反应浓度均一，排除的物料与反应器内物料浓度相同。理想型平推流式反应器，在轴向上没有返混，物料反应浓度随着位移发生变化。实际生产中反应器的流动都介于全混流和平推
25、流之间。5、 根据结构分：搅拌槽式、塔式（柱式） 、管道式；第二节间歇式操作反应器的设计特点：物料一次加入和放出，反应器内的底物、产物及细胞浓度均随反应时间而变化。优点：操作灵活。可多品种生产，染菌程度低。缺点：操作需要一定辅助时间，生产效率低。大多数间歇操作反应器是在搅拌中进行的，这种反应器也称搅拌槽式反应器，假定搅拌使反应器 内物料浓度达到分子水平均匀，反应器内不存在浓度、温度的分布。这种间歇的搅拌槽式反应器被视为理想间歇反应器（BSTR ） 。间歇式反应器反应时间一般用 tr 表示，辅助时间用 tb 表示。1/rS AB CDCSCS CS0E上图表示，当反应速率随着底物浓度增大而增大时，酶间歇反应或连续活塞流反应，反应时间大小就是图中 ABCD 所围成的面积，连续全混合反应，反应时间就是 ABCE 所围成的面积。显然采用 CSTR 反应器不利，采用分批式（间歇式）更有利。如果有底物抑制并转化率较高，应先用 CSTR 与 CPFR 结合最好，设计的反应器体积最小。
