《生物反应》复习资料

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1、绪论生物技术是指应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂的作用将物料加工以提供产品 成为社会服务的技术。将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程称为生物反应 过程。典型的生物反应过程：(1) 原材料的预处理。(2) 生物催化剂的制备。(3) 生化反应器及反应条件的选择与监控。(4) 产物的分离纯化整个生物反应过程以生物反应器为核心。生物反应工程(Bioreact ionEngi neer i ng):是生物反应过程的一个部分，主要围绕生物反应 器进行研究，研究生物反应过程中有关反应器设计放大等具有共性的工程技术问题，以达到 在工业规模的反应器中给生物反应提供一个最佳

2、的反应环境。生物反应工程的研究内容：1.生物反应动力学2.生物反应器生物反应器的研究内容(1) 生物反应器中的传递特性。(2) 生物反应器的设计与放大。生物反应器的优化与控制。生物反应器的型或和掾作右戎培式两者结音可以形 成彳艮衣种可以在 工业生产中便用 的生物皮应器。常JXL的生物反匹器：按拌釜式同陳辰瑟部冋阴如戎反应攀流力口搅拌釜式辰血器 连统通升戎反应器补料第一章酶催化反应动力学酶的催化反应特性1. 高效的的催化活性2. 高度的专一性3. 辅因子的参与4酶的催化活性可被调控5.酶易变性和失活1. 优点在常温、常压、中性范围条件下进行； 由于酶促反应的专一性，副产物较少；与微生物相反应相比

3、，体系简单，易控制最适条件2. 不足 酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应，与微生物体系相比，在经济上有时并不理想； 酶促反应条件温和，但一般周期较长，有发生染菌可能； 固定化酶反应体系有许多有利于酶反应体系的优点，但并非是最佳的生物催 化剂。1. 米氏方程快速平衡说k.t vk.y vE+SE+P匕I匕24点假设：1. 在反应过程中，酶的浓度保持恒定，即圧Hot二圧Jfree +圧S2. 与底物浓度S相比，酶的浓度是很小的，因而可以忽略由于生成中间复合物而消耗 的底物。3. 产物的浓度是很低的，因而产物的抑制作用可以忽略，即不必考虑逆反应的存在。 换言之，据此假设所确定的方程仅适用于反应

4、初始状态。4. 生成产物的速率要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应速率，因此，生成产物的速 率决定整个酶催化反应的速率，而生成复合物的可逆反应达到平衡状态。因此，又 称为“平衡”假设。IES =kEfrS2. 米氏方程稳态法E+S 严一ES 产一 E+PJ匕24个假设：1. 在反应过程中，酶的浓度保持恒定，即圧Hot二圧Jfree +圧S2. 与底物浓度S相比，酶的浓度是很小的，因而可以忽略由于生成中间复合物而消耗 的底物。3. 产物的浓度是很低的，因而产物的抑制作用可以忽略，即不必考虑逆反应的存在。 换言之，据此假设所确定的方程仅适用于反应初始状态。4. 当从中间复合物生成产物的速率与其分解成

5、酶与底物的速率相差不大时，反应体系 中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合物分解时所得到的酶又立即与底物相结 合，从而使反应体系中复合物浓度维持不变，即中间复合物的浓度不再随时间而变 化，这就是“拟稳态”假设。ES = ESS + K由米氏方程可知： 当S KMrp=k+2 EO S /KM 当SKMrprp,max=k+2E03. 特征常数KM和rp, max的求法 Lineweaver-burk 法，双倒数法Km 1 ,1/;jnaxGmx S r： Ead i eHof sr+ee 井D0vHanesWoo - f 廉(禺HW 非)Langmu i rsl 阡 a厂K 巨I+f fKm

6、0口 *沁渺床一三 S0MS1 UK2 +F* f 卜 (0丄s) K2 0丄sK2叫爲/lnlS0J/LSt1 且s-S r 心/Km有抑制剂酶促反应动力学：竞争性抑制剂，非竞争性抑制剂，反竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制rI.max 6反竞争性抑制（1 +二1）（ R +CQkjm酶促反应的影响因素：pH值，温度第二章细胞反应动力学呼吸商：细胞生长过程中放出的C02与消耗的02的摩尔比ACO2 _ eAO2 a式中：AC02为一定时间内细胞生长放出的C02量(mol、Kmol);得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。消耗1克基 质生成细胞的克数称为细胞得率或

7、生长得率。,二生成细胞的质量=mx X!S二消耗基质的质量二打；细胞得率,二生成细胞的质量=N叫 xo二消耗氧的质量二莎;细胞反应动力学的非结构模型 动力学特性与模型分类(1) 微生物反应过程细胞群体 细菌群体的复杂性：通常培养液中含有107108个细胞，每个细胞都经历生长、成 熟、衰亡的过程，同时伴有退化、变异 多相：体系中有液相、固相、气相，性质不同，相内、相间有反应、传质 多组份：细胞组成复杂，蛋白质、脂肪、糖、核酸、维生素、无机盐、水等，培养液中的营 养物，代谢产物 非线性：生化反应过程复杂，不能用线性方程描述非结构模型的假设有：1,不考虑胞内存在的各种反应和各种组分的功能。2,细胞处

8、于均 衡的生长状态，胞内组成将不随细胞的生长而变化，所以细胞被视为一个组成恒定的生物相， 所有反应均在细胞与环境之间进行。3,细胞生长过程的唯一变量为细胞的质量或浓度。反应速率的定义de 绝对速率：rx = dt图卜4细魔的生长比谨率“与限制性 偎物浓度d的关杲式中 相对速率细胞生长比速率1 dcxLl =cx dtIh1底物消耗比速率1 dcq qsj J5 dtIh1!氧消耗比速率1 dco3 q。、dt1 depL h1产物生成比速率qP =LCx dtIh1!反应热生成比速率1 dHq% *丄丄J/kg hcx dt比速率与催化活性物质的塔台关因此比速率的大小反映了细胞活力的大小 无抑

9、制的细胞反应动力学it长比速率，s-1；林最大生长比速率S：c$限制件底物质量浓度.g/L；Ks饱和常数，其值竽于生长比速率恰为JS大生长比速率的浓度一半上式称为莫诺得(Monod)方程，形式式上与酶催化动力学的M-M方程相似，但Monod方程 是从经验得出的，常称为形式动力学。Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如 下。 细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的惟一变量是细胞的浓度。 培养基中只有一种底物是生长限制性底物，而其他组分为过量，不影响细胞的生长。 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。Monod方程u为相对速率米氏方程u是绝对速率Monod方程表述简单，应用

10、范围广泛，是细胞生长动力学最重要的方程之一。但是，Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下。因为只有这时，细胞 的生长才能与底物浓度cS成一简单关系式。如果底物消耗速率过快，则极有可能产生有害的副产物：在细胞浓度很高时，则有害的副 产物可能更多。因此，人们又提出如下一些无抑制的细胞生长动力学。影响细胞反应速率的主要环境因素(1) 温度温度对细胞内所进行的各种生化反应和其生长速率都有很大的影响。微生物细胞根据其最适宜培养温度可分为低温菌、中温菌、高温菌、特耐高温菌和超级高(2) pH pH也是影响细胞生长的一个重要因素。 对于细胞能够进行生长的pH范围大约为3-4个pH单位。而最

11、适宜的pH范国为1-2 个pH单位。每一类细胞对pH的要求是不同的。(3) 溶氧底物消耗与产物生成动力学(1 )底物消耗速率与消耗比速率 “=“门仆-Ks底物消耗速率可通过细胞得率系数与细胞生长速率相关联。(2) 包括维持能的底物消耗动力学当底物既是能源又是碳源时、就应考虑维持能所消耗的底物。(3) 包括产物生成的底物消耗动力学底物在细胞內合成产物的模型取决于产物的生成是否与能量代谢过程相耦联。代谢产物生成动力学一. 生长偶联型(相关模型)是指产物的生成与细胞的生长过程相关，即产物通常是基质的分解代谢产物(如乙醇 发酵)或代谢过程的中间产物(如氨基酸发酵)，代谢产物的生成与细胞的生长是同步的。

12、产物的生成速率为：rp =- = YP/xrx = YPfXpcx dt二. 生长部分偶联型(部分相关模型)产物的生成与细胞生长部分相关。动力学方程为： rp=arx+f3cx等式两边除以CX,则有:说明：第一项与细胞生长有关，第二项无关；cc、卩由细胞生理特性与生长条件而定，只有 通过对不同的细胞代谢过程进行研究，才能找出其与细胞生长条件、环境因素的关系。三. 非生长偶联型(非相关模型)产物的生成与细胞的生长无直接关系，特点是当细胞处于生长阶段时，并无产物积累，而当细胞生长停止后,产物却大量生成。q产卩细胞死亡(灭菌)动力学灭菌的目的：杀菌的同时不破坏营养成分。设计灭菌操作，必须以细菌芽胞作

13、为杀灭对象，因为要杀灭了芽胞，其他杂菌一定也杀灭。 这一点，既是食品灭菌的依据，同时也是发酵培养基灭菌操作的基础。微生物受热死亡的原因主要是因高温使微生物体内的一些重要蛋白质，如酶等发生变性，从 而导致微生物无法生存而死亡。微生物受热死亡的规律有很多类型，但常见的是对数死亡律，也称对数残存律。-dNV/dt=AoNV其中：NV是活菌体浓度，以活菌体个数/ml斤是比死亡速率常数，min-1对数死亡律-dNV/dt=AoNVI n (NV/NO)NV 二 NOexp (-Adt)t=2. 303X Iog(NV/NO)/kdkd值反应了微生物耐热性的強弱,越小表明微生物越不易热死;反之越易热死。微

14、生物受热死亡的活化能一般要比营养成分热分解的活化能大的多,E1300KJ/mol , E290KJ/moI,则E2-E1-210KJ/moI,这就意味着当温度升高时，微生物的死亡速率要比营 养成分的破坏速率增加的多，这正是为什么采用高温、瞬时灭菌-HTST (High Temperature Short Time)。培养基灭菌的工程设计1. 间歇灭菌整个灭菌过程由加热、保温和冷却三个阶段组成2. 连续灭菌 与间歇灭菌相同，连续灭菌也需要加热、保温和冷却三个阶段； 间歇灭菌这三个阶段在空间上相同，在吋间上不同； 连续灭菌这三个过程同时发生，但在空间上不同，因此需要有加热设备、保温设别 和冷却设备。细胞反应动力学参数的估计动力学实验的目的1. 确定反应速率与反应物浓度之间的函数关系，这实际上是确立速率方程的基本形式;2. 确定动力学参数，例如细胞反应器中的Ks和口 max的值；3. 确定动力