生物反应工程计算题解析Word文档下载推荐.docx
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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与其应用。
均相酶反应,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:
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:
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—底物物质量,mol;
nP—产物物质量,mol;
t—时间,S;
根据反应定律:
对反应机理有四点假设:
(1)反应过程酶浓度恒定,即
(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:
因
(rS,max=k+1CEo)
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:
又因:
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率的关系式即米式方程:
式中:
Km—米氏常数,mol/L;
—底物农度,mol/L;
Km与KS的关系:
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
当CS>>Km时,
此反应与底物浓度无关,属0级反应。
积分得:
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与最大反应速率,对大反应速率又取决酶的总浓度。
当CS<<Km时,
反应速率与底物浓度成正比关系,属一级反应。
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,,
此时,C〔ES〕=CE。
对米氏方程积分得出积分式:
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:
以上三个积分式可写成与转化率有关的积分表达式:
即:
2.2.3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:
以为纵坐标,以为横坐标作图,直线斜率为,截距为。
(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:
(3)Eadie-Hofstee法(简称E-H法)
将M-M方程重排:
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:
以为纵坐标,以为横坐标作图,斜率为,截距为。
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。
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:
根据稳态法,推导出的动力学方程:
KSI—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:
底物反应速率:
根据稳态假设:
()
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:
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μ是常数,积分得:
二、Monod方程
(g/L.h)
μ—细胞生长比速率(h-1)
CS—限制性底物质量浓度,(g/L)。
KS—饱和常数,(g/L)。
μmax—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:
通过曲线进一步理解Monod方程与生长比速率的涵义。
μ实际就是曲线上的斜率。
1)延滞期
μ=0
2)加速期
0<μ<μmax
3)对数期
μ=μmax,营养底物充足,对生长不受限制。
在对数生长期间,μ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
令:
D—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<μmax
当D>μmax,发酵就发生“冲出”现象。
******
连续发酵,在D<μmax的前提下,μ随着D的变化而变化,当D增大时,意味着进料速度增大,反应器底物浓度增高,所以μ值随之增大;
当D降低时,意味着进料速度减小,反应器底物浓度随之降低,有许许多多的实验得出了Monod方程,即限制性底物浓度CS与生长比速率μ的关系,因此连续发酵会自动趋向稳态,即μ=D,
讨论:
(1)底物浓度(CS)与稀释率的关系:
(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(PX)与稀释率的关系
菌体浓度(CX)、底物浓度(CS)、生产强度(Px)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)(DCX),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低。
2)稀释率在一定围变化,细胞浓度(CX)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,罐菌体浓度为零,底物浓度等于初始浓度,此时的稀释率称临界稀释率(DC)。
4)对细胞生产强度而言,有一个最佳稀释率(D0pt),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(Dopt)
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(CXopt)与最大生产强度(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:
对第二个罐细胞平衡:
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。
CX1=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τ表示:
两罐发酵时间用τm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
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