《生物反应工程计算题解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物反应工程计算题解析（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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
2、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 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
3、程的主要容 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 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
4、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 EPESES pS 2k 1 k 1 k E 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 dt dn V 1 r dt dn V 1 r P P S S 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
5、物物质量 mol nP 产物物质量 mol t 时间 S 根据反应定律 ES C 2P kr 酶底物结合复合物浓度 L molC ES 对反应机理有四点假设 1 反应过程酶浓度恒定 即 ESEE CCC 0 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 ES2 SP PS Ck dt dC dt dC rr ES1ES1 CkCCk S ES S S ES 1 1 E C C
6、 K C C k k C 因 ESEE CCC 0 S S ESES S ES SE C K 1CC C C KC 0 SS SE ES CK CC C o SS S maxS SS SE2 S CK C r CK CCk r o rS max k 1CEo SS S maxP SS SE2 P CK C r CK CCk r o 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
7、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 ES2 P Ck dt dC ES1ES1 S CkCCk dt dC ES2ES1SE1 ES CkCkCCk dt dC S ES 1 21 E 1 21 SE 21 SE1 ES C C k kk C k kk CC kk CCk C 又因 ESEE CCC o 1 C K CC S m ESEo Sm SE ES CK CC C o Sm S maxP Sm SE2 ES2 P P CK C r CK CCk Ck dt dC r o 因底物浓度比酶浓度高的多 产物的反应速率就等于
8、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 Sm S maxSS CK C rr p r Sm S maxSS CK C rr 式中 Km 米氏常数 mol L S C 底物农度 mol L Km与 KS的关系 1 2 S 1 21 m k k K k kk K 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
9、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 Sm S maxSS CK C rr 当 CS Km时 maxSSrr 此反应与底物浓度无关 属0 级反应 积分得 SSS CCtr o max 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 CS Km时 S m max S S C K r r 反应速率与底物浓度成正比关系 属一级反应 积分得 S S mS C C Ktr 0 ln max 当底物浓度即不 也不 米氏常数时 就符
10、合米氏方程 当Km CS时 max 2 1 SS rr 此时 C ES CE 对米氏方程积分得出积分式 S S mSSS C C KCCtr o o ln max 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 0 0 S SS S C CC X 以上三个积分式可写成与转化率有关的积分表达式 即 max o SSS rtCX max 1 ln 1 Sm S rtK X max0 1 ln 1 SSSm S rtCXK X 2 2 3米氏方程参数的求取 有四种方法求取 1 lineweav
11、er Burk 简称 L B 法 将米氏方程两边取倒数 SS m SS Cr K rr 111 max max 以 S r 1 为纵坐标 以 S C 1 为横坐标作图 直线斜率为 max S m r K 截距为 m ax 1 S r 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 max S S S m S S r C r K r C 以 S S r C 为纵坐标 以 max S S r C 为横坐标作图 直线斜率为 m ax 1 S r 截距为 max S m r K 3 Eadie Hofstee 法 简称E H 法 将 M M 方程重排
12、S S mSS C r Krr max 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 mSSm S SS S S KCC t K r CC C C 1 ln 0 max 0 0 以 SS S S CC C C 0 0 ln 为纵坐标 以 SS CC t 0 为横坐标作图 斜率为 m S K r max 截距为 m K 1 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
13、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 SES SESESS PEESSE 3 3 1 1 k k k k k 根据稳态法 推导出的动力学方程 0CkCCkCkCkCCk dt dC Ck dt dC Ckr SES3ESS3ES2ES1SE1 ES 1 S ES1S 0CkCCk dt dC SES3 ESS3 SES 3 3 ESS SES k k CC C SI 2 S Sm Smax SS K C CK Cr r KSI 底物印制的解离常数 mol L 2
14、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 非活性复合物 抑制剂 EI I EIIE PEESSE 3 3 21 1 k k kk k 底物反应速率 ES2SI Ckr 根据稳态假设 EIESEE0 S3 IESm3 3 IE3 EI EI3IE3 EI S ESm E ES2ES1SE1 ES CCCC Ck CCKk k CCk C CkCCk dt dC C CK C CkCkCCk dt dC SI
15、ImSIIm ES SI IESm ES S ESm E0 CK CKCKKK C CK CCK C C CK C 3 3 I k k K令 S I I m SE0 ImSIIm SIE0 ES C K C 1K CC CKCKKK CKC C ES2SI Ckr S I I m S01 C K C 1K CCk E I I mmI K C 1KK令 SmI Smax S SI CK Cr r 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 Smax S mI maxS S
16、I C 1 r K r 1 r 1 I I m m I I mmI C K K K K C 1KK 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 是常数 积分得 X XX dc rCg h L dt 1 1 X X dC h Cdt 2322mn CH OaObNHcCH O NdH OeCO 0 ln X X C t C 二 Monod 方程 max S SS C KC g L h 细胞生长比速率 h 1 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 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
