生物反应工程原理总复习

扩散效应 传质机理仅为
常数 扩散系数视为
5、底物分配系数是1。
6、固定化酶颗粒处于稳态之下。
7、底物和产物的浓度仅沿r方向而变化。 数学模型简化
第四章 细胞反应过程动力学
4.1 细胞反应的主要特征
1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。
生物反应工程的研究方法
用数学模型方法进行研究： 机理模型：或称结构模型，从过程机理出发推导得到的。 半经验模型：对过程机理有一定了解基础上结合经验数据 得到 经验模型：在完全不了解或不考虑过程机理的情况下，仅 根据一定条件下的实验数据进行的数学关联。
2.1.1 酶的催化共性
它能降低反应的活化能，加快生化反应的速率；但它不能 改变反应的平衡常数，而只能加快反应达到平衡的速率。 酶在反应过程中，其立体结构和离子价态可以发生某种变 化，但在反应结束时，一般酶本身不消耗，并恢复到原来状 态。
2.2 简单的酶催化反应动力学
1、什么是简单的酶催化反应动力学 2、活性中间复合物学说 3、简单的酶催化反应机理 4、推导方程的假设条件 5、“平衡”假设、“拟稳态”假设 6、米氏方程的参数及其物理意义
k +1 + E+S ⎯2 ES ⎯ k⎯→ E + P k −1
1 dns rs = − v dt
4.3.2 分批培养时细胞生长动力学
1、生长历程 2、Monod方程
目前，常使用确定论的 非结构模型是 Monod 方程 µ max ⋅C S µ＝ ( 3 − 34 ) K S + CS
第五章 生化反应器的设计与分析
间歇操作搅拌槽式反应器 Batch Stir Tank Reactor (BSTR) 连续操作的搅拌槽式反应器 Continuous Stir Tank Reactor (CSTR) 连续操作的管式反应器 continuous plug Flow Reactor (CPFR)
总复习
一、内容串讲 二、每章重点 三、范围划定
生物反应动力学是研究生物反应过程的 速率及其影响因素，这是生物反应工程 学的基础。
①本征动力学：又称微观动力学，它是指没有传递等工程因素影 响时，生物反应固有的速率。该速率除反应本身的特性外，只与 反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素 无关。 ②宏观动力学：又称反应器动力学，它是指在一反应器内所观测 得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形 式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。由于 生物反应过程的复杂性，也给生物反应动力学带来了多样性。
r dX / dt dX )( 4 − 5 ) = x (= dC S / dt dC S rs
Yx / s =
式中： rx — 微生物细胞的生长速率 rs — 基质的消耗速率
4.3 细胞生长的非结构动力学
4.3.1 细胞生长动力学的描述方法
是否考虑细胞的个体差异 确定论模型 概率论模型 是否认为细胞是单组分 结构模型 非结构模型 胞内各组分是否按比例变化 均衡生长 非均衡生长 是否把细胞看成一种溶质 分离化模型 均一化模型
本征速率和动力学参数
本征速率和动力学参数
分配效应
固有速率和动力学参数
扩散效应
有效速率和动力学参数
3.3 外扩散限制效应
r max⋅ Csi ( 3 − 8) kLa ⋅ (Cs 0 − Csi) = Km + Csi
最大反应速率 ( 3 − 18 ) Da = 最大传质速率
r max Da = kLa ⋅ Cs0
CS K S + CS
KS D CS = µ max − DS
KS D C X = YX / S (CS0 − CS ) = YX / S (CS0 − ) µ max − DS
对于符合Monod模型的简单细胞反 应，若以单位体积的细胞产率PX为优 化目标函数，
PX = DC X
所以
g/(L.min)
2.3 有抑制的酶催化反应动力学
2.3.1 竞争性抑制动力学 2.3.2 非竞争性抑制动力学 2.3.3 反竞争性抑制 2.3.5 底物的抑制动力学 2.3.6 产物的抑制动力学
2.5 影响酶催化反应速率的因素 2.6 酶的失活动力学 了解
第三章 固定化酶催化反应动力学
主要优点： 反应后很容易分离出来。 固定化酶大多数情况下稳定性增加。 实现生产连续化和自动化。
3.2 固定化酶催化的动力学特征
酶活力表现率：系指实际测定的固定化酶的总活力与被固定化了 的酶在溶液状态时的总活力之比。 酶活力收率： 系指实际测定的固定化酶的总活力与固定化时所 用的全部游离酶的活力之比。
影响固定化酶动力学的因素： 空间效应，分配效应，扩散效应
水溶性酶
酶分子的改变 和空间效应
固定化酶
5.1.1 反应器分类
生化反应器 间隙操作 半连续操作 连续操作
生物团块反应器 全混流型 活塞流型
生物膜反应器 全混流型 活塞流型
搅拌槽式反 应器 循环反应器 环流反应器
管式反应器 鼓泡塔 多级串联式 反应器
硫化床反应器 循环管反应器 完全混合膜反 应器
固定床 生物转盘 渗滤器 膜反应器
5.1.2 生物反应器的基本设计方程
τ
P
=
∫
C
s
s0
C
dC S rs
5.4.4 CPFR与CSTR的性能比较
本章中所讨论的生化反应器的浓度·时间(c－t)、 浓度—空间(C—z)分布曲线如图5—26所示。
（1）酶催化反应过程 （2）细胞反应过程
1/rs
τm
CX0 CX1
τp
Cx，opt
CX2
稀释度的极限值：当CS=CS0时
DC =
[
]
(5-93)
µ max CS
0
K S + CS0
（5-95）
当稀释度达到极限值DC时，CSTR出口物料中细胞浓度为0， 此时反应器处于“洗出”操作状态。因此操作要控制D小于 µ max CS=CS0时，基质没有消耗
1）带有细胞循环的单极CSTR
5.4 连续操作的管式反应器 (CPFR)
=
+
+
+
5.2 间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）
tr = −
∫
C C
s s0
dC rs
S
VR =V0(tr +tb )
5.3 连续操作的搅拌槽式反应器CSTR
τm =
τm =
CS0 X S rS
VR V0
=
CS0 − CS rS
V0 D= VR
µ=D
5.3 连续操作的搅拌槽式反应器CSTR
D = µ = µ max
（5-89) （5-90)
KS D PX = DYX / S (CS0 − ) µ max − D
当PX为最大时，相应的稀释率称为最佳稀释率DOPt：
DOPt
⎡ KS = µ max ⎢1 − K S + CS0 ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎥ ⎦
（5-92)
反应器中细胞浓度为
C X ,OPt = YX / Y CS0 + K S − K S (CS0 + K S )
有外扩散影响时的实际 反应速率 Rsi = ηE = 无外扩散影响时的反应 速率 rs 0
3.4 内扩散质量守恒的假设
假设： 1、固定化酶颗粒是等温的。 3、扩散效应用费克定律描述。 4、颗粒是均匀的
数学模型简化 的影响 消除分配效应 化 催化活性粒对流体无渗透、无对流。
2.1.2 酶的催化特性
(1) 有较高的催化效率
酶的分子活力：在最适宜的条件下，每1mol酶在单位时 间内所能催化底物的最大量（mol）。
（2）有很强的专一性 （3）具有温和的反应条件
生理温度25～37℃的范围，同时，酶催化反应一般是在接近 中性的PH值条件下进行。
（4）酶易变性与失活
引起变性的原因有物理因素和化学因素。
a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得到生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡等不同阶段。
4.2 细胞反应过程中的质量衡算
CO2生成速率 (4 − 3) RQ = O2消耗速率
Yx / s 生成细胞的质量 ∆X ( 4 − 4) = = 消耗基质的质量 − ∆S
1 dnp rp = v dt
rp = k + 2 ⋅ C[ES]
rp , max = k +2 ⋅ CE 0
Km = k
− 1
+ k
+ 1
+ 2
k
k = Ks + k
+ 2 + 1
2.3 有抑制的酶催化反应动力学
不可逆抑制：如果抑制剂与酶的基团成共价结合，则 此时不能用物理方法去掉抑制剂。此类抑制可使酶永 久性地失活。例如：重金属离子对酶的抑制作用。 可逆抑制： 可用诸如透析等物理方法把抑制剂去掉而 恢复酶的活性，此时酶与抑制剂的结合存在着解离平 衡的关系。包括：竞争性抑制，非竞争性抑制，反竞 争性抑制，混合型抑制，底物抑制和产物抑制。
3.1 固定化酶的制备方法
固定化酶的制备方法可分为： 载体结合法、交联法、包埋法。 物理吸附法：酶被物理吸附于不溶性载体。 离子结合法：酶通过离子键结合于具有离子交换基的水不溶 性载体的固定化。 共价结合法：酶以共价键结合于载体的固定化方法，此法将 载体有关基团活化，然后与酶有关基团发生偶联反应。
4.3.1 细胞生长动力学的描述方法
dC x 1、绝对速率：rX = dt