生物反应工程原理第二章2
生物反应工程原理
生物反应工程原理一、引言生物反应工程是以生物学和化学工程学为基础，运用工程原理和技术手段，研究利用生物体（包括细胞、酶、微生物等）进行化学反应和转化的工程学科。
它在生物技术、制药工程、环境工程等领域有着广泛的应用。
本文将从反应选择、生物反应器设计和反应控制三个方面介绍生物反应工程的原理。
二、反应选择在生物反应工程中，反应物的选择是至关重要的。
一方面，反应物的性质需要与生物体相适应，以保证反应的高效进行。
另一方面，反应物的选择也要考虑到反应的经济性和可持续性。
例如，选择可再生的原料可以降低生产成本，选择可降解的废物可以减少环境污染。
三、生物反应器设计生物反应器是生物反应工程中的核心设备，其设计目标是实现高效的反应转化和产物收集。
在生物反应器设计中，需要考虑以下几个关键因素：1. 温度控制：合适的温度可以提高反应速率和产物选择性。
通过控制反应器的加热和冷却系统，可以实现温度的精确控制。
2. 氧气供应：氧气是生物反应的重要底物，对于需氧反应来说，氧气供应的充足性对反应效果至关重要。
通过搅拌和气体通气系统的设计，可以保证氧气的有效传递和溶解。
3. pH控制：pH值对于许多生物反应有着重要影响。
通过添加酸碱或使用缓冲溶液，可以调节反应体系的pH值，以满足生物体的生长和反应要求。
4. 搅拌和传质：搅拌可以提高反应物和生物体之间的接触效率，促进反应的进行。
传质过程对于反应物的扩散和生物体的营养供应也至关重要。
因此，在生物反应器设计中，需要考虑搅拌方式和传质特性。
四、反应控制反应控制是生物反应工程中的关键环节，它涉及到反应速率的调节、产物选择性的控制以及废物处理等问题。
常用的反应控制策略包括：1. 反应物浓度控制：通过控制反应物的供给速率，可以实现反应速率的调节。
例如，在微生物发酵过程中，可以通过控制底物浓度来调节产物的生成速率。
2. 温度控制：温度的调节可以影响酶的活性和微生物的生长速率，从而控制反应速率和产物选择性。
(完整word版)生物反应工程原理
1.微生物反应与酶促反应的主要区别？答：微生物反应与酶促反应的最主要区别在于，微生物反应是自催化反应，而酶促反应不是。
此外，二者还有以下区别：（1）酶促反应由于其专一性，没有或少有副产物，有利于提取操作，对于微生物反应而言，基质不可能全部转化为目的产物，副产物的产生不可避免，给后期的提取和精制带来困难，这正是造成目前发酵行业下游操作复杂的原因之一。
（2）对于微生物反应，除产生产物外，菌体自身也可是一种产物，如果其富含维生素或蛋白质或酶等有用产物时，可用于提取这些物质。
（3）与微生物反应相比，酶促反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制。
微生物反应是利用活的生物体进行目的产物的生产，因此，产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞因素的影响，并且微生物会发生遗传变异，因此，实际控制有一定难度。
（4）酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应相比，在经济上有时并不理想。
微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行；原料多为农产品，来源丰富。
（5）微生物反应产前准备工作量大，相对化学反应器而言，反应器效率低。
对于好氧反应，需氧，故增加了生产成本，且氧的利用率不高。
（6）相对于酶反应，微生物反应废水有较高BOD值。
2. 何为连续培养的稳定状态？当时，一定是微生物连续培养的稳定状态吗？答：连续培养是将细胞接种于一定体积的培养基后，为了防止衰退期的出现，在细胞达最大密度之前，以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基；与此同时，含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出，以保持培养体积的恒定。
连续培养的稳定状态时，此时反应器的培养状态可以达到恒定，细胞在稳定状态下生长。
在稳定状态下细胞所处的环境条件如营养物质浓度、产物浓度、pH值可保持恒定，细胞浓度以及细胞比生长速率可维持不变。
稳定状态可有效的延长分批培养中的对数生长期。
理论上讲，该过程可无限延续下去。
细胞很少受到培养环境变化带来的生理影响，特别是生物反应器的主要营养物质葡萄糖和谷氨酰胺，维持在一个较低的水平，从而使他们的利用效率提高，有害产物积累有所减少。
生物反应及反应器原理(全)
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⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹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⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹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⏹（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⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹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⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征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⏹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⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹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：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②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:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 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。
生物反应工程原理
各种微生物构成的混合培养系统； • （2）几乎全部采用连续操作； • （3）微生物所处的环境条件波动大； • （4）反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢
产物和微生物细胞本身；
④简介其他分类方法
• 按获取能量的方式分——好氧发酵酵，次级代
• 高技术：世界所拥有的先进技术构成的一个强 大的、活跃的技术群体，叫做高技术。高技术 凝聚着人类早期的发明和近期的创造，代表着 当代的科技文明。
• 我国正在实行的高技术：生物技术、信息技术 、新材料技术、新能源技术、海洋技术、空间 技术。
• 生物技术（工程）的研究内容：基因工程；酶 工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生 化分离工程；
生物（生化）反应过程：
从应用的观点出发可将生物技术 进行如下分类：
• 工业生物技术 • 农业生物技术 • 医药生物技术 • 环境生物技术
生物现象
Bio-appearance
• 从自然现象说起： 最初原始性的种植方式到现代化农业;
由无序到计划性……。 • 从我们每一个人，即个体说起：
由上帝创造人类到生命起源的……。 • 从现代化的生物工业生产而言：
• 工程本质上是具有价值取向的主体作用于 客体、主观思维物化为客观实体的一种目 标导向的活动和过程。
生物技术（工程） bioengineering/biotechnology ：
• 生物技术是应用自然科学及工程学的原 理，依靠生物催化剂（biological agents)的作用将物料进行加工以提供产 品或为社会服务的技术。 ——1982年国 际经济合作及发展组织
谢产物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸 发酵，维生素发酵，抗生素发酵…… • 按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种 发酵；分批发酵，半连续发酵，连续发酵；固 态发酵，液态发酵 • 反应产物或服务的性质 • 按产物所属国民经济部门
生物反应工程习题精解
试根据稳态假设，求其速率方程式。 解：由题意可知：
rs = k4CES dC ES = k+1CE CS − k−1CES − k+2CES CS + k−2CSES + K +3CES = 0 dt dCSES = k C C − k C − k C = 0 +2 ES S −2 SES +2 SES dt C = C + C + C E ES SES E0
k + 2 & k − 1说 明 中 间 产 物 分 解 速 率 远 小 于 中 间 产 物 分 解 为 产 物 的 速 率 那么限制步骤在于中间产物的生成 ∴ 总 反 应 速 率 rs = k + 1C S C E
2.4 一分 批 进行的均相酶催化反应，底物的 初始 浓度为 3 × 10-5mol/l,Km=1 × 10-3mol/l,,经过 2min 后，底物转化了 5% ，假定该反应符合 M-M 方程，试问当
2.3 某酶催化反应机理式为
k+2 +1 !!! " E + S #!! →E + P ![ ES ] k
−1
k
若假定上述反应机理式中，k+1<<k+2 , k-1<<k+2 ,试推导其速率方程。 解： ∵ k + 2 & k + 1说 明 中 间 产 物 产 生 速 率 远 小 于 中 间 产 物 分 解 为 产 物 的 速 率
由上述方程组可推出：
⇒ CSES =
k+2 CES CS = KCES CS k−2 + k+3
4
生物反应器工程-2
基本概念：本征反应动力学和宏观动力学
酶反应的宏观动力学速率： Rp (酶的本征反应动力学，三传因素）
2.1 酶反应的基本特征 2.1.1 酶催化的共性 作为生物催化剂，降低反应活化能、加快反应速率 2.1.2酶催化的特性
特定底物的最大转化量 ( mol ) 活性＝ 1mol 酶 ⋅ 单位时间
2.2 单底物酶反应动力学 2.2.1 M-M方程
S
S+E
E
[ES]
P
k +1 k −1
k+2
E+P
1 dnS rS = − V dt
1 dn P rP = V dt
k + 2 c E 0 c S rP ,max c S rP = = K S + cS K S + cS
M-M方程的意义： （1）M-M动力学的影响因素 内部因素与外部因素；两者构成反应条件 （2）底物浓度是反应速率的决定性因素； 反应条件的影响 表现于动力学常数rP,max和Km上。 rP= rP( cS , cE0 , k+2 , Km )
2.2.2 动力学特征与参数求解
rmax
1 rmax 2
2-1 当 cE 0 一定时，
动力学常数的意义： （1）Km 底物浓度决定反应的级别； Km为反应速度是最大反应速度一般时的底物浓度； Km表示酶与底物亲和力的大小。 （2）rP,max 以最大反应速度表示酶反应的效率，与初始酶浓度与温 度条件有关 动力学常数的求取：L-B等方法
2.2.3 底物抑制酶反应
E+S
k +1 k −1
[ ES ]
k +3 k −3
k +2
生物反应工程原理
第一章生物工程导论1.生化反应工程的概念以生物反应动力学为基础，利用化学工程方法研究生物反应过程的一门学科。
2.生化反应工程研究对象研究生物反应动力学反应器设计3.生化反应特点优点：反应条件温和设备简单同一设备进行多种反应通过改良菌种提高产量缺点：产物浓度低，提取难度大废水中的COD和BOD较高前期准备工作量大菌种易变异，容易染杂菌4.生化反应动力学本征动力学：又称微观动力学，生化反应所固有的速率没有物料传递等工程因素影响。
反应器动力力学：宏观动力学，在反应器内所观察到的反应速率是总速率考虑。
5.生化工程研究中的数学模型结构模型：由过程机理出发推导得出半结构模型：了解一定机理结合实验数据经验模型：对实验数据的一种关联第二章生物反应工程的生物学与工程基础1.因次：导出单位，也称量纲。
2.红制及基本单位密度比容气体密度压力第三章微生物反应计量学教材p53-641.反应计量学：对反应物组成及转化程度的数量化研究2.得率系数与维持因数：得率系数：细胞生成量与基质消耗量的比值维持因数：单位质量细胞进行维持代谢时所消耗的基质。
3.细胞组成表达式及元素衡算方程细胞组成表达式CH1-8O0.5N0.2元素衡算方程CHmOn+aO2+bNH3=CCH2O3Nr+d H2O +e CO24.得率系数与计量系数关系当细胞反应是细胞外产物的简单反应时，得率系数与计量系数关系如下：5．呼吸商：二氧化碳产生速率与氧气消耗速率之比6.实例计算第四章均相酶反应动力学（教材P8-10,26-38）1．酶活力表达方法及催化特性催化特性：酶具有很强的专一性较高的催化效率反应条件温和易失活，温热，氧化失活2.了解反应速率方程的几种形式零级反应：反应速率与底物浓度零次方成正比一级反应：反应速率与底物浓度一次方成正比二级反应：反应速率与浓度二次方成正比连锁酶促反应：3.米式方程快速平衡和拟稳态三点假设4.米式方程推导5.M-M方程与B-M方程比较6.酶反应一级动力学表达式及计算7.动力学常数Km与Vm的求取8.影响酶反应速率的因素：底物浓度酶浓度产物浓度PH值温度激活剂抑制剂9.竞争性、非竞争性、和反竞争性抑制的概念及动力学表达式竞争性：抑制剂为底物类似物，酶结合位点结合阻碍底物一般可逆非竞争性：抑制剂与酶活性位点以外结合，不影响底物的结合，最终可形成三联复合物反竞争性：抑制剂不与游离酶结合，但与复合物ES结合形成三联复合物10.酶失活动力学模型及测定方法第五章固定化酶与固定化细胞（教材P15-17,39-46）1.固定化酶、细胞制备方法与特点固定化细胞：物理化学手段将细胞限制哎一定空间保持活性并连续使用2.固定化酶与游离酶区别3.评价固定化酶生物催化剂指标固定化酶活力偶联率及相对活力4.固定化酶促反应动力学本征速率及本征动力学代表酶的真实特性；固定化酶催化反应速率受扩散和传质影响；所测速率是宏观有效反应速率和游离酶不同。
《生物反应工程》课程笔记
《生物反应工程》课程笔记第一章绪论1.1 定义、形成与展望生物反应工程，简称BRE（Bioreaction Engineering），是一门应用化学工程原理和方法，研究生物反应过程和生物系统的科学。
它涉及到生物学、化学、物理学、数学等多个学科，是一门典型的多学科交叉领域。
生物反应工程的研究对象包括微生物、细胞、酶等生物催化剂，以及它们在生物反应器中的行为和相互作用。
生物反应工程的形成和发展与生物技术的快速崛起密切相关。
生物技术是指利用生物系统和生物体进行物质的生产、加工和转化的技术。
随着生物技术的不断发展，生物反应工程逐渐成为生物技术领域的一个重要分支，为生物制品的生产提供了重要的理论支持和实践指导。
展望未来，生物反应工程将继续在生物技术领域发挥重要作用。
随着科学技术的进步和生物产业的发展，生物反应工程将不断完善和发展，为人类的生产和生活带来更多的便利和福祉。
特别是随着合成生物学、系统生物学等新兴学科的发展，生物反应工程将面临新的机遇和挑战，有望在生物制造、生物医药、生物能源等领域取得更大的突破。
1.2 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容包括以下几个方面：（1）生物反应动力学：研究生物反应过程中反应速率、反应机理和反应物质量的变化规律。
包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、细胞反应动力学等。
（2）生物反应器设计：根据生物反应的特性和要求，设计合适的生物反应器，使其能够高效、稳定地进行生物反应。
包括反应器类型的选择、反应器尺寸的确定、反应器内部构件的设计等。
（3）生物反应器操作：研究生物反应器中生物反应的运行规律，优化操作条件，提高生物反应的效果。
包括分批式操作、流加式操作、连续式操作等。
（4）生物反应器优化：通过对生物反应器的设计和操作进行优化，提高生物反应的产率和质量。
包括过程优化、参数优化、控制策略优化等。
（5）生物反应器控制：研究生物反应过程中的控制策略和方法，实现对生物反应过程的稳定控制。
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分配系数 (Kp)链接
分配系数：载体内外底物(或其他物质)浓度之比。
Kp的测定： 已知底物浓度(CS0 )，体积(V0)的溶液 中，放入不含底物的一定体积的载体，并保持适宜 条件，当达到平衡时，测定载体外溶液的底物浓度 (Cs)。
2.3.2 固定化酶促反应过程分析
2.3.2.1 外部扩散过程 以表面固定化酶为例。
见教材33页图2-10
内扩散效率因子in 是 和的函数。
对in影响不大，影响in的主要参
数是西勒准数。如果
，则
不随变化，近似等于1，也就是说
没有内部传质阻力，若
，
则
，反应为内扩散所限制。
为提高固定化酶内扩散效率， 应设法减小。
减小的措施主要是适当降低固 定化酶颗粒粒径。
外扩散过程
可见，Da准数是决定效率因子 和比浓度C* 的唯一参数，因而是表征传质过程对反应速率影响 的基本准数。
Da准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体 浓度CS， 越接近于1。Da准数越大，固定化酶 表面浓度越趋近于零， 越小，越趋近于零。
为提高固定化酶外扩散效率,应设法减小 Da准数。减小Da准数的措施：
E
EA
EQ
（不形成三元复合物）反应模型
＋A
－P
＋B
－Q
E
EA
EG
EQ
E
－A
＋P
－B
＋Q
（ EG：修饰过的酶 ）
简单机制
＋A
＋B
－Q
－P
E
EA
EAB EPQ
EP ＋P
E
－A
－B
＋Q
双底物酶促反应动力学
反应机理：
解之，得 式中：
2.3 固定化酶促反应动力学
2.3.1 固定化酶促反应动力学基础 2.3.1.1 酶的固定化技术定义
2.2.3 多底物酶促反应动力学
一般的多底物酶促反应可表示为： 这里讨论：双底物双产物情况
反应机制：
关键问题：底物A、B哪个先和酶结合？ 任何一个都有可能先与酶结合 （随机机制） A先与酶结合或B先与酶结合 两底物同时与酶结合 （可能性极小）
随机机制（分支机制）
EP EB
E
EAB
EPQ
两侧同除
,得
当反应符合米氏方程规律时，
故,
令
,
,
,
上式可转化为无因次形式，得
,
边界条件:
,
该微分方程无解析解，只能用数值法求解。
西勒准数( )
的物理意义是表面反应速率与内扩散速率 之比。对各类反应动力学与固定化酶的形状， 普遍化的的定义式为 :
引入无因次参数，则 无解析解，只有数值解。
CSS
CS
外扩散过程分析 外扩散速率：
酶促反应速率： 达到平衡时，
即
N, r
rmax
Nmax
(CSS，rout)
0 CSS
CS
N，r Nmax
rmax
0
(CSS，rout) CSS CS
Da准数 :
当
时，
过程为外扩散控制。
当
时，
过程为反应控制。
式中:
表明C*为Da准数的函数，即
(
时,
)
表明 为C*的函数，即
内扩散过程
Da准数是决定外扩散
准数是决定内扩散
效率的唯一参数。
效率的主要参数。
Da准数定义： 外扩散效率因子定义：
西勒准数定义： 内扩散效率因子定义：
Da<<1，过程为反应控制； <<0.3时，过程为反应控
Da>>1，过程为外扩散控 制； >>0.3时，过程为内
制
扩散控制。
作业
P50 9， 12，13
共价结合法 交联法
格子型 包埋法
微胶囊
交联法
O E
O
O E
E O
E
2.3.1.3 固定化对酶性质的影响
• 底物专一性的改变 • 稳定性增强 • 最适pH值和最适温度变化 • 动力学参数的变化
2.3.1.4 影响固定化酶促反应的主要因素
• 分子构象的改变 • 位阻效应 • 微扰效应 • 分配效应 （可用Kp 定量描述）链接 • 扩散效应 （可定量描述）
酶的固定化技术是将水溶性的酶分子通过一定的方式， 如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂 等材料制成固相酶的技术。
细胞的固定化技术: 为省去从微生物（或动、植物）中 提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物 细胞、动植物细胞、组织技术。
2.3.1.2 酶和细胞固定化方法
物理吸附法 载体结合法 离子结合法
1、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表 面积，但由于粒径减小会伴随压降增加， 因此应用中综合考虑，确定合适的粒径。
2、使固定化酶表面流体处于湍流状态以 增大 。
2.3.2.2 内部扩散过程
具有大量内孔的球形固定化酶颗粒
dr r
R
内扩散效率因子
稳定状态下，对底物进行物料衡算：
流入量－流出量＝反应量
整理,得