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生化工程课程串讲第1页，本讲稿共83页第二章第二章 培养基灭菌培养基灭菌第一节第一节 分批灭菌分批灭菌ln(N/N0)=-Kt第2页，本讲稿共83页 ln(N/N0)=-K t ln(C/C0)=-Kd t杂菌杂菌营养物质营养物质T ，K，Kd也就是也就是K K对对T T的变化率是怎么样的？的变化率是怎么样的？第3页，本讲稿共83页灭菌动力学的重要结论灭菌动力学的重要结论细细菌菌孢孢子子热热死死灭灭反反应应的的E E很很高高，而而大大部部分分营营养养物物质质热热破破坏坏反反应应的的E E很很低低，因因而而将将T T提提高高到到一一定定程程度度会会加加速速细细菌菌孢孢子子的的死死灭灭速速率率，从从而而缩缩短短在在升升高高温温度度下下的的灭灭菌菌时时间间（ln(N/Nln(N/N0 0)=-K K t t）；由由于于营营养养成成分分热热破破坏坏的的E E很很低低，上上述述的的温温度度提提高高只只能能稍稍微微增增大大其其热热破破坏坏温温度度，但但由由于于灭灭菌菌时时间间的的显显著著缩缩短短，结结果是营养成分的破坏量在允许的范围内。果是营养成分的破坏量在允许的范围内。第4页，本讲稿共83页2 2、分批灭菌的设计、分批灭菌的设计 要求绝对的无菌在工业上很难做到，要求绝对的无菌在工业上很难做到，因为：因为：N=0，则e-kt=0,1/ekt=0,ekt=,t=因此，绝对的无菌很难做到。因此，绝对的无菌很难做到。第5页，本讲稿共83页第一节第一节 分批灭菌分批灭菌 二二 分批灭菌的设计分批灭菌的设计分分批批灭灭菌菌过过程程：升升温温、保保温温和和降降温温，灭灭菌菌主主要要是是在在保保温温过过程程中中实实现现的的，在在升升温温的的后后期期和和冷冷却却的的初初期期，培培养养基基的的温温度度很很高高，因因而而对对灭灭菌菌也也有有一一定定贡献。贡献。第6页，本讲稿共83页T 灭菌温度tot1t2t3timeN1N2N升温保温降温N0Ln(N0/N1)Ln(N2/N)Ln(N1/N2)Ln Ln N N0 0/N/N=36.8=36.8是总的判据，是由是总的判据，是由升温、保温、降温三段实现的升温、保温、降温三段实现的ln ln（N N0 0/N/N）=lnln（）ln ln N N0 0/N/N=lnln+lnln+lnln第7页，本讲稿共83页第二节第二节 连续灭菌连续灭菌一、连续灭菌方法一、连续灭菌方法与间歇灭菌相比，连续灭菌的优点：与间歇灭菌相比，连续灭菌的优点：1 1 升温和降温速度快升温和降温速度快2 2 灭菌温度高，保温时间短灭菌温度高，保温时间短3 3 蒸汽用量平稳蒸汽用量平稳缺点：缺点：1 1 设备复杂，投资大。设备复杂，投资大。第8页，本讲稿共83页返混现象返混现象 ：反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混。按照返混的程度，在化学工程中建立了两种理想的连续按照返混的程度，在化学工程中建立了两种理想的连续流动反应器模型。流动反应器模型。连续搅拌罐（连续搅拌罐（CSTRCSTR）和活塞流反应器（）和活塞流反应器（PFRPFR）反应器）反应器返混为返混为 返混为零返混为零 第9页，本讲稿共83页第二节第二节 连续灭菌连续灭菌（1 1）PFRPFR模型（活塞流模型）模型（活塞流模型）plug flow reactorplug flow reactor恒温热灭菌状况：恒温热灭菌状况：1 1 同一截面上活孢子浓度同一截面上活孢子浓度（N N）相等）相等，热死灭速率相，热死灭速率相等。等。2 2 沿流动的方向，活孢子浓沿流动的方向，活孢子浓度（度（N N）下降）下降，热死灭速率，热死灭速率也相应下降。也相应下降。第10页，本讲稿共83页第二节第二节 连续灭菌连续灭菌（4 4）扩散模型）扩散模型返混：是不同反应时间的物料之间的混合。返混：是不同反应时间的物料之间的混合。PFRPFR：返混程度最小：返混程度最小CSTRCSTR：返混程度最大：返混程度最大高高/径径，返混程度，返混程度高高/径径，返混程度，返混程度 实实际际操操作作的的大大部部分分反反应应器器都都介介于于这这两两种种理想的反应器之间理想的反应器之间。第11页，本讲稿共83页第三章第三章 空气除菌空气除菌1 1、空气除菌的目的及重要性、空气除菌的目的及重要性 在好氧深层培养中，微生物细胞的繁殖代在好氧深层培养中，微生物细胞的繁殖代谢需要溶解氧，因为有氧氧化对生物体来说是能谢需要溶解氧，因为有氧氧化对生物体来说是能量放出最多的途径。量放出最多的途径。在该过程中脱去了很多在该过程中脱去了很多H H，H H经电子传递链，最经电子传递链，最后被后被O O2 2吸收，所以要提供氧。现在深层培养都是纯吸收，所以要提供氧。现在深层培养都是纯种培养，培养基接种之前都经过灭菌，通入的氧种培养，培养基接种之前都经过灭菌，通入的氧气也应是无菌的。气也应是无菌的。第12页，本讲稿共83页第三节第三节空气过滤设计空气过滤设计空空气气过过滤滤器器使使用用的的过过滤滤介介质质，按按其其孔孔径径大大小小可分为二类：可分为二类：1)1)绝对过滤介质：绝对过滤介质：绝绝对对过过滤滤介介质质的的孔孔隙隙小小于于细细菌菌和和孢孢子子，当空气通过时微生物被阻留在介质的一侧。当空气通过时微生物被阻留在介质的一侧。2)2)深层过滤介质：深层过滤介质：深深层层过过滤滤介介质质的的截截面面孔孔隙隙大大于于微微生生物物，为为了了达达到到所所需需的的除除菌菌效效果果，介介质质必必须须有有一一定定的厚度，因此称为深层过滤介质。的厚度，因此称为深层过滤介质。第13页，本讲稿共83页一、深层过滤原理一、深层过滤原理第14页，本讲稿共83页1 1、惯性冲撞机制（、惯性冲撞机制（1 1 ）（大颗粒）（大颗粒）气气流流中中运运动动的的颗颗粒粒，质质量量，速速度度，具具有有惯惯性性，当当微微粒粒随随气气流流以以一一定定的的速速度度向向着着纤纤维维垂垂直直运运动动时时，空空气气受受阻阻改改变变方方向向，绕绕过过纤纤维维前前进进，微微粒粒由由于于惯惯性性的的作作用用，不不能能及及时时改改变变方方向向，便便冲冲向向纤纤维维表表面面，并并滞滞留留在在纤纤维维表表面。面。1式中：式中：微粒密度微粒密度 ：空气粘度：空气粘度 V V：微粒流速：微粒流速 d dp p：微粒直径：微粒直径 d df f：纤维直径：纤维直径 C C：修正系数：修正系数第15页，本讲稿共83页2、阻截（截留）机制（阻截（截留）机制（2 2）（小颗粒）（小颗粒）阻截机制对阻截小颗粒比较有效。阻截机制对阻截小颗粒比较有效。细菌的质量小，紧随空气流的流线前进，细菌的质量小，紧随空气流的流线前进，当空气流线中所携带的颗粒和纤维接触当空气流线中所携带的颗粒和纤维接触时被捕集。时被捕集。截留微粒的捕集效率几乎完全取决于微截留微粒的捕集效率几乎完全取决于微粒的直径，和气流速度关系不大。粒的直径，和气流速度关系不大。2=NR=NRe=dfu/第16页，本讲稿共83页3 3、布朗扩散机制、布朗扩散机制平均自由程平均自由程M M：气体分子量；：气体分子量；：气体密度：气体密度。V3第17页，本讲稿共83页二、深层过滤计算二、深层过滤计算要要解解决决的的问问题题是是：处处理理空空气气量量为为Q Q时时，含含菌菌个个数数NoNo的空气要达到的空气要达到N=10N=10-3-3，需需要要的的介介质质层层厚厚度度L=L=？Q0，N0 Q，N第18页，本讲稿共83页 那么那么 与与 L L 的关系怎样？的关系怎样？有学者作了实验：测定有学者作了实验：测定 与与L L之间的关系。之间的关系。lnLSlope=Kln=-KL对数穿透定律：对数穿透定律：L：滤床厚度、：滤床厚度、K：与纤维捕集效：与纤维捕集效率有关的系数率有关的系数第19页，本讲稿共83页第四节第四节 其它空气灭菌方法其它空气灭菌方法1 1 热灭菌法热灭菌法2 2 射线杀菌射线杀菌3 3 静电除菌静电除菌第20页，本讲稿共83页第四章第四章 通气与搅拌通气与搅拌三、影响微生物需氧量的因素三、影响微生物需氧量的因素1.1.碳源种类碳源种类 碳源种类不同，利用速度不同。碳源种类不同，利用速度不同。C6H12O6+6O26H2O+6CO22.2.碳源浓度碳源浓度 与碳源浓度是否成为限制性有关与碳源浓度是否成为限制性有关第21页，本讲稿共83页3.培养条件培养条件(pH、T)pH、T 影响生长速率和产物生成速率。影响生长速率和产物生成速率。4.(有害有害)代谢产物代谢产物抑制细胞呼吸作用。抑制细胞呼吸作用。5.培养时期的影响培养时期的影响不同时期微生物生命活动能力不同。不同时期微生物生命活动能力不同。注意：注意：溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能不同。响可能不同。第22页，本讲稿共83页二、气体溶解过程的双膜理论二、气体溶解过程的双膜理论 1.1.气液两相间存在稳定的相界面，界面两侧气液两相间存在稳定的相界面，界面两侧各有一层有效膜，溶质各有一层有效膜，溶质(氧氧)以分子扩散的传质以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体。方式由气相主体进入液相主体。2.2.在相界面处，气液两相达到平衡。在相界面处，气液两相达到平衡。3.3.在气、液两相主体中，溶质在气、液两相主体中，溶质(氧氧)浓度均匀。浓度均匀。过程：氧过程：氧 由气相由气相气液界面气液界面液相液相气膜气膜液膜液膜第23页，本讲稿共83页p pp pi ip-pp-pi iC Ci i-C-CL L气膜气膜液膜液膜气液气液界面界面C Ci iC CL L第24页，本讲稿共83页氧分压氧分压pi和氧浓度和氧浓度Ci难测定，改用总传质系难测定，改用总传质系数数KG或或KL和总推动力。和总推动力。则，在稳定传递状态时，则，在稳定传递状态时，p p*：与液相氧浓度：与液相氧浓度C CL L平衡的氧分压；平衡的氧分压；C C*：气相中氧分压：气相中氧分压P P 达平衡时的氧浓度；达平衡时的氧浓度；K KG G：以氧分压差为推动力总传质系数；：以氧分压差为推动力总传质系数；K KL L：以氧浓度差为推动力总传质系数；：以氧浓度差为推动力总传质系数；第25页，本讲稿共83页其中，其中，kG或或kL与与KG或或KL的关系，可根据的关系，可根据亨利亨利定律定律来求得，即：来求得，即：第26页，本讲稿共83页三、氧传质方程式三、氧传质方程式采用体积溶氧系数或体积传质系数：采用体积溶氧系数或体积传质系数：KLa(或或KGa)，据此氧传质，据此氧传质(溶氧速率溶氧速率)方程可表示为：方程可表示为：第27页，本讲稿共83页4-3影响氧供给的因素影响氧供给的因素根据气液传质速率方程式：根据气液传质速率方程式：可知：凡影响推动力可知：凡影响推动力(C*CL)或或(pp*)、比、比表面积表面积a和传质系数和传质系数KL的因素，都会影响氧传的因素，都会影响氧传递速率。递速率。第28页，本讲稿共83页一、影响推动力的因素一、影响推动力的因素1.1.温度温度 氧是气体，它在水中的溶解度随温度升高而氧是气体，它在水中的溶解度随温度升高而降低。在常压、降低。在常压、4-334-33内，纯水中氧的浓度内，纯水中氧的浓度C CW W*为：为：第29页，本讲稿共83页2.2.电解质电解质 盐析作用可降低氧的溶解。在电解质溶液中，盐析作用可降低氧的溶解。在电解质溶液中，有如下关系式：有如下关系式：氧在水的溶解度；：氧在水的溶解度；mol/Mmol/M3 3 ：氧在电解质溶液中的溶解度：氧在电解质溶液中的溶解度;mol/M;mol/M3 3 ：电解质溶液的浓度；：电解质溶液的浓度；kmol/Mkmol/M3 3K K：SechenovSechenov常数；常数；第30页，本讲稿共83页3.3.非电解质非电解质 在非电解质溶氧中，氧的溶解度随溶质浓度在非电解质溶氧中，氧的溶解度随溶质浓度增加而降低，其规律类似于电解质溶液：增加而降低，其规律类似于电解质溶液：氧在非电解质溶液中的溶解度；：氧在非电解质溶液中的溶解度；：非电解质中溶质的浓度或有机物浓度；：非电解质中溶质的浓度或有机物浓度；第31页，本讲稿共83页4.氧分压氧分压(1)增加罐压增加罐压提高罐压可提高氧分压。提高罐压可提高氧分压。(2)提高空气中氧的含量提高空气中氧的含量(富氧通气富氧通气)a.深冷分离深冷分离b.吸附分离吸附分离c.膜分离膜分离(3)提高提高H/D第32页，本讲稿共83页二、影响二、影响KLa的因素的因素 KLa是是a与与KL合并作为一个参数，实际中影合并作为一个参数，实际中影响该参数的因素有：响该参数的因素有：(一一)操作条件操作条件1.搅拌搅拌A.搅拌的作用：搅拌的作用：(1)打碎，防合并，增大气液接触面积；打碎，防合并，增大气液接触面积；(2)产生涡流，螺旋，延长停留时间；产生涡流，螺旋，延长停留时间；(3)产生湍流，减厚度，降阻力；产生湍流，减厚度，降阻力；(4)均匀混合，利吸收和积累；均匀混合，利吸收和积累；第33页，本讲稿共83页B.搅拌器搅拌器(1)型式：旋桨式，轴向推动；涡轮式，径向推动，型式：旋桨式，轴向推动；涡轮式，径向推动，形成上下两个翻动；后者常被采用。多组时，上常形成上下两个翻动；后者常被采用。多组时，上常为平桨式，下常为涡轮式；为平桨式，下常为涡轮式；(2)转速转速n和直径和直径d：影响溶氧水平和混合程度。：影响溶氧水平和混合程度。PH搅搅Q搅搅n3d5，搅拌循环量，搅拌循环量Q搅搅nd3，H搅搅n2d2；增加；增加n对提高溶氧有利，增加对提高溶氧有利，增加d对均匀混合对均匀混合有利。有利。第34页，本讲稿共83页(3)(3)间距间距(相对位置相对位置)：太大，产生搅拌死角；太小，：太大，产生搅拌死角；太小，相互干扰；因流体力学性质不同而有所差别，牛顿相互干扰；因流体力学性质不同而有所差别，牛顿型型:d=(3-4)D:d=(3-4)D，非牛顿型，非牛顿型:d 2D:d 10Rem 104 4 时时NpNp趋于常量趋于常量 PoNPoN3 3D D5 5根据根据Michel Michel 计算计算 PgPg的公式的公式Pg=C(PPg=C(Po o2 2NDND3 3/Q/Q0.560.56)0.450.45第47页，本讲稿共83页Pg(N3D5)2ND3/(D2Vs)0.560.45 N3.15D5.346/Vs0.252Pg/V=N3.15D2.346/Vs0.252 N2/N1=(D1/D2)0.745Vs2/Vs10.08Pg2/Pg1=(N2/N1)3(D2/D1)5=(D2/D1)2.756Vs2/Vs10.24下标下标1 1为模型罐，下标为模型罐，下标2 2为放大罐为放大罐第48页，本讲稿共83页（3）以体积传质系数）以体积传质系数KLa相等的原则放大相等的原则放大由由于于气气液液接接触触过过程程中中，传传质质系系数数的的关关联联式式较较多多，以以福福田田秀秀雄雄的关联式为放大基准的关联式为放大基准Kd=(2.36+3.30Ni)(Pg/V)0.56*Vs0.7*N0.7*10-9KLa(Pg/V)0.56Vs0.7N0.7因因Pg/VN3.15D2.346/Vs0.252KLaN2.45Vs0.56D1.32按按(KLa)2=(KLa)1原则原则N2=N1Vs1/(Vs)20.23(D1/D2)0.533(pg)2=(pg)1Vs2/(Vs)10.067(D2/D1)3.667第49页，本讲稿共83页第六章第六章 连续培养的基本原理连续培养的基本原理 微生物的生长一般分五个阶段各段微生微生物的生长一般分五个阶段各段微生物所呈现状态的原因物所呈现状态的原因迟缓期（适应期）迟缓期（适应期）对数生长期对数生长期减速期减速期静止期（平衡期）静止期（平衡期）衰退期（死亡期）衰退期（死亡期）第50页，本讲稿共83页在在微微生生物物培培养养过过程程中中，菌菌体体浓浓度度的的生生长长速速率率是是菌菌体体浓浓度度、基基质质浓浓度度和和抑抑制制剂剂浓浓度的函数，即度的函数，即 dx/dt=f(X.S.I)dx/dt=f(X.S.I)以以上上两两式式表表明明菌菌体体浓浓度度的的增增长长速速率率与与培培养液中菌体浓度成正比。养液中菌体浓度成正比。第51页，本讲稿共83页比生长速率的意义：比生长速率的意义：比生长速率就是比生长速率就是菌体生长速率与培养菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比，基中菌体浓度之比，它与微生物的生命它与微生物的生命活动有联系。活动有联系。在对数生长期，在对数生长期，是一个常数，这时是一个常数，这时第52页，本讲稿共83页（2 2）无抑制的细胞生长动力学）无抑制的细胞生长动力学 MonodMonod方程方程理解并讨论公式理解并讨论公式细细胞胞的的比比生生长长速速率率与与限限制制性性基基质质浓浓度度的的关关系系可用下式表示：可用下式表示：第53页，本讲稿共83页3 3、营养物质对生长的影响营养物质对生长的影响 所有营养物质均存在一上限浓度，超过此限，反而会所有营养物质均存在一上限浓度，超过此限，反而会引起生长速率的下降。这种效应称为引起生长速率的下降。这种效应称为基质抑制作用基质抑制作用（高渗透压作用）。（高渗透压作用）。另外，某些代谢产物也能抑制生长。其反应方程另外，某些代谢产物也能抑制生长。其反应方程式为：式为：K Kp p为经验常数为经验常数；P P为代谢产物浓度为代谢产物浓度 第54页，本讲稿共83页第二节第二节 连续培养动力学及连续培养的应用连续培养动力学及连续培养的应用2 2、单级恒、单级恒化器生产率化器生产率与分批发酵与分批发酵生产率的比生产率的比较较连续培养的连续培养的生产率为：生产率为：P=DXP=DX得得第55页，本讲稿共83页连续培养的最大生产率连续培养的最大生产率对（对（5.2.25.2.2）求一阶导数并使其为零，）求一阶导数并使其为零，计算出计算出：第56页，本讲稿共83页P Pc c与与P Pb b的比较（的比较（分批培养与连续培养分批培养与连续培养）第57页，本讲稿共83页限制性基质为碳源时，部分消耗的限制性基质为碳源时，部分消耗的碳源作为能量供生命活动，碳源作为能量供生命活动，X X偏低；偏低；N N，S S为限制性基质，为限制性基质，D D较小时会积累较小时会积累多糖，脂肪等，多糖，脂肪等，X X偏高；偏高；Mg,P,KMg,P,K为限制性基质时，同上，但为限制性基质时，同上，但细胞内这些物质下降，细胞内这些物质下降，Y YX/SX/S增大，细增大，细胞浓度偏高；胞浓度偏高；复合培养基时，情况复杂，随着复合培养基时，情况复杂，随着变化，变化，限制性基质会改变，限制性基质会改变，X X下降。下降。连续培养结果与正常情况发生偏差连续培养结果与正常情况发生偏差第58页，本讲稿共83页第七章第七章 固定化细胞和酶固定化细胞和酶7.17.1 固定化方法及固定化后酶和细胞的性固定化方法及固定化后酶和细胞的性质质一、一、固定化的原则和方法固定化的原则和方法由于酶催化作用依靠它的由于酶催化作用依靠它的高级结构高级结构及及活性中心活性中心。固定化时，活性中心的固定化时，活性中心的必需基团避免参加反应必需基团避免参加反应；避避免免高高温温、强强碱碱、有有机机溶溶剂剂以以及及高高浓浓度度盐盐的的处处理理，保保护护靠靠氢氢键键、离离子子键键、疏疏水水键键等等弱弱键键维维系系的的酶酶蛋蛋白白质质的的高高级级结结构构。尽尽可可能能在在温温和和条条件件下下进进行行固固定定化反应。化反应。第59页，本讲稿共83页固定化方法固定化方法：载载体体结结合合法法：将将酶酶（细细胞胞）固固定定在在不不溶溶性性载载体上。靠共价结合、离子结合、和物理吸附。体上。靠共价结合、离子结合、和物理吸附。常常用用的的载载体体：纤纤维维素素、葡葡聚聚糖糖、琼琼脂脂糖糖等等多多糖衍生物颗粒或多孔玻璃等。糖衍生物颗粒或多孔玻璃等。载体结合法载体结合法交联法交联法包埋法包埋法8.18.1 固定化方法及固定化后酶和细胞的的性质固定化方法及固定化后酶和细胞的的性质第60页，本讲稿共83页交交联联法法：使使酶酶与与具具有有两两个个以以上上官官能能团团的的试试剂剂（戊戊二二醛醛）进进行行反反应应，应应用用化化学学键键把酶固定把酶固定。包埋法包埋法：将酶包在凝胶微小格子内，：将酶包在凝胶微小格子内，或是将酶包裹在半透性聚合物膜内的或是将酶包裹在半透性聚合物膜内的固定化方法。固定化方法。常常用用的的凝凝胶胶为为聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺、海海藻藻酸酸钙钙、胶原、卡拉胶等。胶原、卡拉胶等。包埋法简单，可适用于大多数酶包埋法简单，可适用于大多数酶。第61页，本讲稿共83页2 2、稳定性、稳定性 酶酶或或细细胞胞被被固固定定化化后后，由由于于载载体体的的存存在在，酶酶分分子子的的结结构构或或细细胞胞被被约约束束，对对外外部部恶恶劣劣环环境境的的敏敏感感性性下下降降，使使其其稳稳定定性性增增加加（对对热热、对对各各种种化化学学试试剂剂等等）。而而且且有时稳定性增加的幅度比较大。有时稳定性增加的幅度比较大。第62页，本讲稿共83页3 3、催化活性、催化活性 （底物专一性，反应的（底物专一性，反应的pHpH值，值，T T，动力学常数），动力学常数）a.a.底底物物专专一一性性：当当底底物物为为大大分分子子时时，酶酶或或细细胞胞对对底底物物专专一一性性下下降降；当当底底物物为为小小分分子子时时，酶酶或或细细胞胞对对底物专一性变化不大。底物专一性变化不大。b b最适最适pHpH：依固定化载体与酶分子、细胞上所分：依固定化载体与酶分子、细胞上所分布电荷的相互作用不同而异。有的变化，有的不布电荷的相互作用不同而异。有的变化，有的不变化，有的向变化，有的向pHpH小的方向移动，有的向小的方向移动，有的向pHpH大的方大的方向移动。向移动。第63页，本讲稿共83页3 3、催化活性、催化活性 （底物专一性，反应的（底物专一性，反应的pHpH值，值，T T，动力学常数），动力学常数）c.c.反应的反应的最适温度最适温度 固固定定化化酶酶、细细胞胞的的最最适适温温度度往往往往升升高高，升高的幅度不同，升高的幅度不同，215215 o oC C不等。不等。d.d.动力学常数动力学常数 酶：米氏常数酶：米氏常数kmkm反映了酶和底物的亲和力。反映了酶和底物的亲和力。固定化酶的表现固定化酶的表现Km(app)Km(app)与游离酶的与游离酶的KmKm相比相比有些不变，有的变化很大。有些不变，有的变化很大。第64页，本讲稿共83页固定化酶和细胞技术的显著特点固定化酶和细胞技术的显著特点：1 1连续反应；连续反应；2 2获得的产物纯度高；获得的产物纯度高；3 3固固定定化化酶酶或或细细胞胞可可重重复复使使用用，减减少少 了浪费；了浪费；4 4易实现自控易实现自控。第65页，本讲稿共83页底底物物从从反反应应液液移移向向载载体体表表面（外扩散）面（外扩散）底底物物从从载载体体表表面面移移向向酶酶活活性性中心（内扩散）中心（内扩散）酶反应酶反应产产物物由由反反应应位位点点移移向向载载体体表面（内扩散）表面（内扩散）产物移到反应液中（外扩散）产物移到反应液中（外扩散）总总的的反反应应速速度度取取决决于于最最慢慢的的步骤步骤3 3、扩散阻力、扩散阻力第66页，本讲稿共83页5 5、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响内内扩扩散散限限制制对对酶酶促促反反应应动动力力学学的的影影响响，比比外外扩扩散散更更为为突突出出，因因为为外外扩扩散散限限制制可可以以通通过过搅搅拌拌来来基基本本消消除除，而而内扩散限制无法消除。内扩散限制无法消除。在在固固定定化化酶酶、固固定定化化细细胞胞的的内内部部，不不存存在在流流体体流流动动，其其传传质完全依赖于分子被动扩散作用。质完全依赖于分子被动扩散作用。定义定义为有效系数为有效系数：=V有有V无无有微孔内扩散效应下的反应速度有微孔内扩散效应下的反应速度无微孔内扩散效应的反应速度无微孔内扩散效应的反应速度第67页，本讲稿共83页5 5、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响固定化酶、细胞的反应速度：固定化酶、细胞的反应速度：V=VmV=VmSa/(Km+Sa)Sa/(Km+Sa)Sa Sa：载体表面底物浓度：载体表面底物浓度是与内扩散系数是与内扩散系数有关的因子有关的因子=RVm/Km=RVm/KmDeDe1/1/R R为固定化颗粒半径为固定化颗粒半径第68页，本讲稿共83页表示反应器性能的重要操作参数：表示反应器性能的重要操作参数：空间时间空间时间转化率转化率x x生产率生产率P Pr r选择率选择率Ssp第69页，本讲稿共83页第70页，本讲稿共83页（3 3）PFRPFR和和CSTRCSTR反应器的生产时间比较反应器的生产时间比较 为了方便比较，把操作方程改写为为了方便比较，把操作方程改写为：CSTRCSTRPFRPFR 第71页，本讲稿共83页PFRPFR和和CSTRCSTR的生产时间比较的生产时间比较结论：PFR的停留时间小于CSTR的停留时间第72页，本讲稿共83页反应器体积一定，达到相同转化率时，反应器体积一定，达到相同转化率时，E ECSTRCSTR/E/EPFRPFR 与转化率的比较与转化率的比较在给定的反应体系下，反应器中的装酶量为定值，达一在给定的反应体系下，反应器中的装酶量为定值，达一定定x x下反应器所需酶量愈少，反应器的反应容量能力也下反应器所需酶量愈少，反应器的反应容量能力也就愈大。可见就愈大。可见PFRPFR的生产能力比的生产能力比CSTRCSTR的大的大。第73页，本讲稿共83页3 3、固定化酶、固定化细胞反应器的操作稳定性、固定化酶、固定化细胞反应器的操作稳定性 在使用期间，固定化酶、细胞的活性会下降，在使用期间，固定化酶、细胞的活性会下降，主要原因是：主要原因是：酶变性，细胞自消化；可能由于酶变性，细胞自消化；可能由于pHpH、T T、毒、毒物作用，该过程比较缓慢，而且底物往往有物作用，该过程比较缓慢，而且底物往往有保护作用。保护作用。吸附抑制物；吸附抑制物；染菌；染菌；酶、细胞流失；酶、细胞流失；载体崩解；载体崩解；第74页，本讲稿共83页第八章微生物生化反应的质量和能量衡算微生物反应过程的微生物反应过程的特点特点1.1.微生物反应是生物化学反应，通常是在微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行。常温、常压下进行。2.2.反应中参与反应的培养基成分多，反应反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂，因而在微生物生长的同时往往途径复杂，因而在微生物生长的同时往往还伴随着生成代谢产物反应。还伴随着生成代谢产物反应。3.3.微生物反应还受到众多外界环境因素的影微生物反应还受到众多外界环境因素的影响。响。第75页，本讲稿共83页质量和能量质量和能量衡算衡算在工程上在工程上的意义的意义通过衡算，可以了解反应物和生成物之间通过衡算，可以了解反应物和生成物之间定量关系定量关系，反应过程需要消耗和释放多少，反应过程需要消耗和释放多少能量能量。通过衡算式由已知量可以通过衡算式由已知量可以求出未知量求出未知量。所以它是研究反应过程的一个有效手段，所以它是研究反应过程的一个有效手段，对解决工程问题对解决工程问题特别有用特别有用。第76页，本讲稿共83页一、微生物反应过程中主要基质一、微生物反应过程中主要基质 碳源的衡算碳源的衡算大部分的发酵过程中都是以大部分的发酵过程中都是以糖作为碳源糖作为碳源。在微生物中碳源。在微生物中碳源主要消耗于主要消耗于：1 1、满足于微生物菌体、满足于微生物菌体生长生长的需要，可用的需要，可用(S)G(S)G表示。表示。2 2、维持微生物、维持微生物生存生存的消耗（如菌体的运动和营养物质的的消耗（如菌体的运动和营养物质的摄取和代谢产物排泄等主动运输的耗能，可用摄取和代谢产物排泄等主动运输的耗能，可用(S)m(S)m3 3、生成代谢、生成代谢产物产物的消耗，可用的消耗，可用(S)P(S)P 则有则有-S=(-S)G+(-S)m+(-S)P得率系数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。定量评价的重要参数。第77页，本讲稿共83页 在相同微生物不同培养条件和限制性基质情况下，微生物细胞的元素组成有在相同微生物不同培养条件和限制性基质情况下，微生物细胞的元素组成有些差别，但差别不大，可以看作相对稳定。根据培养基中营养物质（些差别，但差别不大，可以看作相对稳定。根据培养基中营养物质（S S），），菌体（菌体（X X），产物（），产物（P P）和二氧化碳中含碳元素的数量可以写出微生物反应过）和二氧化碳中含碳元素的数量可以写出微生物反应过程程碳元素的衡算式：碳元素的衡算式：(-dS/dt)1=(dX/dt)2+(dCO2/dt)3(-dS/dt)1=(dX/dt)2+(dCO2/dt)3+(dP/dt)4+(dP/dt)4 1=2+1=2+QCOQCO23+23+QPQP44 ：营养物质的消耗比速，：营养物质的消耗比速，=(1/=(1/X X)(-)(-dSdS/dtdt)()(molmol/g g.h h)：微生物菌体生长比速，：微生物菌体生长比速，=(1/=(1/X X)()(dXdX/dtdt)()(h h-1)-1)QCOQCO2 2：二氧化碳生成比速，：二氧化碳生成比速，QCOQCO2=(1/2=(1/X X)()(dCOdCO2/2/dtdt)()(molmol/g g.h h)QPQP ：代谢产物生成比速，：代谢产物生成比速，QPQP=(1/=(1/X X)()(dPdP/dtdt)()(molmol/g g.h h)1 1：每摩尔基质中碳的含量：每摩尔基质中碳的含量(g g/molmol),),葡萄糖葡萄糖1=721=722 2：每克干菌体中碳的含量：每克干菌体中碳的含量(g g/g g),),一般一般1=0.5 1=0.5 3 3：每摩尔二氧化碳碳的含量（：每摩尔二氧化碳碳的含量（g/mol),3=12 g/mol),3=12 4 4：每摩尔产物内碳的含量（：每摩尔产物内碳的含量（g/molg/mol），），对乙醇对乙醇4=24 4=24，对醋酸，对醋酸4=24 4=24，对乳酸，对乳酸4=364=36等。等。第78页，本讲稿共83页二、二、氧和氧和ATPATP衡算衡算若为单一碳源培养基，若为单一碳源培养基，微生物生长菌体并生成产物的条件下，微生物生长菌体并生成产物的条件下，按碳源和产物完全氧化所需的氧按碳源和产物完全氧化所需的氧，可建立下列氧的衡算式：，可建立下列氧的衡算式：A(-S)=B X+O2+C PA(-S)=B X+O2+C P A A：碳源：碳源 S S 完全氧化需氧量，如葡糖完全氧化需氧量，如葡糖:A=6(mol/mol):A=6(mol/mol)B B：菌体：菌体 X X 完全氧化需氧量，一般可完全氧化需氧量，一般可B=0.042(mol/g)B=0.042(mol/g)C C：代谢产物：代谢产物 P P 完全氧化需氧量完全氧化需氧量 (mol/mol)(mol/mol)，如乙醇，如乙醇 C=2 C=2，醋酸，醋酸 C=2 C=2，乳酸，乳酸 C=3 C=3 O2 O2 是微生物反应过程中的是微生物反应过程中的耗氧量耗氧量。它由两部分组成：。它由两部分组成：维持生命活动的耗氧维持生命活动的耗氧+生长菌体的耗氧生长菌体的耗氧。m0m0：为菌体需要的氧的维持常数（：为菌体需要的氧的维持常数（mol/g.h)mol/g.h)若以若以X X为培养为培养液内菌体的浓度，在液内菌体的浓度，在tt时间内维持所需的耗氧量应为：时间内维持所需的耗氧量应为：m0.X.t m0.X.t。第79页，本讲稿共83页O2=m0.X.t+X/YGOO2=m0.X.t+X/YGO 忽略代谢产物忽略代谢产物可得：可得：A(1/X)(-S/t)=B(1/X)(X/t)A(1/X)(-S/t)=B(1/X)(X/t)+(1/X)(O2/t)+(1/X)(O2/t)即：即：A=B+QO2A=B+QO2 QO2QO2：氧的消耗比速（：氧的消耗比速（mol/g.h)mol/g.h)QO2=(1/X)(O2/t)=(1/X)(m 0 QO2=(1/X)(O2/t)=(1/X)(m 0.X+X.1/YGO)=m0+/YGO.X+X.1/YGO)=m0+/YGO 第80页，本讲稿共83页微生物反应耗氧量的计算微生物反应耗氧量的计算根据氧衡算可以估计微生物反应的耗氧量。根据氧衡算可以估计微生物反应的耗氧量。O2=m0.X.t+X/YGOO2=m0.X.t+X/YGO X=(O2-m0.X.t)YGOX=(O2-m0.X.t)YGO A(-S)=BX+O2+CPA(-S)=BX+O2+CP 当当P=0 X=A(-S)-O2/B P=0 X=A(-S)-O2/B 消去消去 X X 并进行整理得到：并进行整理得到：O2/t=A/(1+BYGO)/(-S/t)+m0 O2/t=A/(1+BYGO)/(-S/t)+m0.B.YGO/(1+BYGO).X.B.YGO/(1+BYGO).X p181 p181设设 a=A/(1+BYGO)a=A/(1+BYGO)b=m0.B.YGO/(1+BYGO)b=m0.B.YGO/(1+BYGO)。式中均为式中均为常数物理意义常数物理意义：a-a-与碳源完全氧化耗氧相当的菌体生长的需氧量与碳源完全氧化耗氧相当的菌体生长的需氧量。（。（mol/mol,mol/mol,g/g)g/g)b-b-微生物菌体维持代谢的氧的消耗比速微生物菌体维持代谢的氧的消耗比速（mol/g.h,g/g.h)O2 mol/g.h,g/g.h)O2/t=a(-S/t)+b.X/t=a(-S/t)+b.X 或是或是 QO2=a +bQO2=a +b第81页，本讲稿共83页三、微生物反应过程的三、微生物反应过程的ATPATP衡算衡算对于对于ATP ATP 衡算，用碳和氧衡算衡算，用碳和氧衡算相似的形式表示相似的形式表示：(ATP)s=(ATP)m+(ATP)G(ATP)s=(ATP)m+(ATP)G (ATP)s-(ATP)s-碳源分解代谢所形成的碳源分解代谢所形成的 ATP ATP 数量数量 (ATP)m-(ATP)m-用于微生物菌体维持生命活动的用于微生物菌体维持生命活动的 ATP ATP 消耗消耗 (ATP)G-(ATP)G-用于合成菌体所消耗的用于合成菌体所消耗的 ATP ATP。mA-ATPmA-ATP的维持常数，则菌体的维持常数，则菌体X X 在在t t 时间内时间内 ATP ATP 的维持消的维持消耗应为耗应为 mA.X.t mA.X.t YATP-ATP YATP-ATP 对菌体生长的理论得率，则对菌体生长的理论得率，则(ATP)G=X/(ATP)G=X/YATP YATP 上式又可以写成：上式又可以写成：(ATP)s=m A.X.t+X/Y(ATP)s=m A.X.t+X/YATPATP 或：或：(ATP)s/(X.t)=mA+/Y(ATP)s/(X.t)=mA+/YATPATP=Q=QATPATP QATP-QATP-碳源分解代谢产生碳源分解代谢产生 ATP ATP 的生成比速的生成比速第82页，本讲稿共83页谢谢大家！谢谢大家！第83页，本讲稿共83页