研究生课程论文生化反应动力学与反应器重庆大学城市建设与环境工程学院廖建平.docx
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研究生课程论文生化反应动力学与反应器重庆大学城市建设与环境工程学院廖建平
研究生课程论文-生化反应动力学与反应器-重庆大学-城市建设与环境工程学院-廖建平
博士学位课程考试试卷
考试科目:
生化反应动力学与反应器考生姓名:
余薇薇考生学号:
20101701006c学院:
城环学院专业:
市政工程考生成绩:
任课老师（签名）
考试日期:
2011年1月15日上午时
《生化反应动力学与反应器》
博士研究生:
余薇薇
指导教师:
罗固源教授
学科专业:
市政工程
学科门类:
工学
重庆大学城市建设与环境工程学院
二O一一年一月
生化反应动力学与反应器课程论文
《生化反应动力学与反应器》读书笔记
（余薇薇重庆大学城市建设与环境工程学院20101701006c）摘要:
生化反应工程是生化工程的一个重要分支，其基本内容可分为生化反应动力学和生化反应器两个方面。
其中生物反应动力学是研究生物反应过程速率及其影响因素的学科，是生物反应工程学的理论基础之一。
酶催化反应是生物反应的基础，从酶催化反应动力学的研究中不仅可建立细胞反应动力学的理论依据还可以对其反应速率规律进行的定性或定量的描述，得到可靠的反应动力学方程，进而确定适宜的操作条件。
细胞生长反应过程是以细胞为催化剂的生物反应过程动力学来进行定量描述，其本质是复杂的酶催化反应体系，是酶催化反应的体现过程。
关键词:
生化反应工程，均相酶催化反应动力学，细胞反应过程动力学
1绪论
生化反应工程是生化工程的一个重要分支，包括了生化反应动力学和生化反应器两个方面，以生化反应动力学为基础。
其中生物反应工程是研究有生物催化剂参与反应过程的工程学科，也是一门以生物学、化学、和工程学等多种学科为基础的交叉学科。
生物反应工程的任务是以生物生物反应过程动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物过程方面的知识相结合，进行生物反应过程分析与开发，
[1]以及生物反应器的设计操作和控制等。
生物反应过程包括了原材料的预处理、生物催化剂的制备、生物反应器和产物的分离纯化四个部分。
该过程最本质的特征是有生物催化剂参与，这些生物催化剂包括酶、微生物细胞、动植物细胞和组织等，以上不同的催化剂对应的反应过程复杂程度也是由简到繁的。
因此，生物反应过程大致可分为酶催化反应过程、细胞反应过程（包括单一生物细胞、多种微生物细胞的混合反应）、动植物细胞反应过程。
生物反应过程动力学是研究生物反应过程速率及其影响因素的学科，是生物反应工程学的理论基础之一。
由于生物反应过程的复杂性，其动力学模型可在分子水平、细胞及其群体水平、颗粒水平和反应器水平四个层次来描述和表达。
前两个层次的动力学模型，反映生物反应本身内在的动力学规律，称为微观反应动力学;后两个层次的动力学，都包括了传递因素对生物反应速率的影响，称为宏观反应动力学。
对于生物反应工程，更应重视后者。
本文从以下两个方面来介绍了生物反应动力学基本内容:
?
酶催化反应动力学的特点、均相酶催化反应动力学;?
细胞反应过程的计量学、细胞生长的非结构动力学、细胞生长于代谢的结构模型等。
2均相酶催化反应动力学
2.1酶催化反应原理
1
生化反应动力学与反应器课程论文
酶催化反应是生物反应的基础。
酶催化反应的特征来自酶自身的特性，例如，酶催化反应是在常温、常压、中性范围（个别除外）条件下进行的，与一些化学反应相比，省能且效
[3]率较高。
酶作为蛋白质具有一下特点:
1）为高分子胶体物质;2）由氨基酸组成;3）为两性电解质;4）能被蛋白水解酶水解而丧失活性等。
酶作为生物催化剂，又具有一下特性:
7131）高效催化活性，在可比条件下其催化速率比无机催化剂或者有机催化剂高10~10倍;2）高度专一性，包括了反应的专一性和底物专一性;3）酶催化活性可调控;4）酶易变性和失活，酶本身是蛋白质，其因环境变化引起的变性和失活多是不可逆的过程。
酶的活性中心是酶分子中直接结合底物并将底物转化为产物的部分。
酶分子的活性中心一般仅有一个，少数的有几个。
酶和底物结合形成活性中间配合物的过程既是一个专一性识别的过程，也是一个变分子间反应为分子内反应、实现酶发挥各种催化功能的过程，通过这种选择和协同作用是酶反应能高度专一和高效。
2.2单底物酶催化反应动力学
均相酶催化反应动力学是以研究酶催化反应机制为目的发展起来的。
作为酶工程技术人员，如果仅仅比较详细地解释了酶催化反应机制和过程是不够的，还应对影响其反应速率的因素进行定量的分析，建立可信赖的反应速率方程式，并以其为基础进行但应器的合理设计和决定反应过程的最佳条件。
因此，以讨论反应机制为目的的酶催化反应动力学与为了设计
[4]与操作反应器的工业酶动力学，在研究方法上自然不同。
单底物的不可逆酶催化反应是最简单的酶催化反应，由一种反应底物参与的无抑制不可逆反应。
水解酶、异构酶以及对数裂解酶的催化反应均属此类。
这种简单的单底酶催化反应动力学方程可采用Michaelis—Menten方程或Briggs—Haldane方程推导出。
2.2.1Michaelis-Menten方程
根据“酶-底物中间复合体”的假设，对酶E催化底物S生成产物P的反应S?
P过程中，E首先与S形成复合体ES，其反应机制可表示为
kk，1catESESEP，,,,，k,1
e[S]Xe[P]freefree
式中:
ES—中间复合体;
k，k，k—相应各步的反应速率常数;+1-1cat
e，[S]，X，[P]—对应物质的浓度。
free
根据质量作用定律，P的生成速度可表示为
rkX,（2-1）pcat
由于X是难以预测的未知量，因此不能直接用于（2-1）式作为最终的动力学方程。
当采用快速平衡法推导上述方程时，其推导过程基于以下3点假设:
（1）底物浓度[S]远大于酶的浓度e，因此，X的形成不会降低底物浓度[S]，底物浓free
2
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度以初始浓度计算。
（2）不考虑P+E?
ES这个可逆反应的存在。
要忽略这一反应，必须是产物[P]为零，换言之，该方程适用于反应的初始状态
（3）在基于底物浓度比酶的浓度高得多，中间复合物ES分解时所得到的酶又立即与底物结合，使中间复合物浓度维持不变，即在这段时间里，X的在这段时间里，X的生成速率与消耗速率相等，达到动态平衡，即所谓“稳态”。
在以上假设基础上，先后提出了平衡模型和稳态模型。
基于平衡模型，可获得如下米式方程:
rS[]keS[]p,maxcat（2-2）rr,,,,（）psKSKS，，[][]mmkk,,1cat（2-3）K,mk，1
式中:
K—米氏常数，mol/L.m
米氏方程中最重要的动力学参数是K和r。
K是反应速率常数k、k和k的，mpmaxm+1-1cat函数，由于这些反应速率常数是由酶催化反应的性质与反应条件所决定的，因此，对于一定的反应及条件，K和r的方法是Lineweaver-Burk法，求K和r误差较小的方法，，mpmaxmpmax是Hofsteeplot法。
由米氏方程（2-2）式可知，当[S]K时，m
keS[]catr,（2-4）pKm
产物生成速率与底物浓度呈线性关系，显示出一级反应特征;反之，当[S]k时，cat
rrke,,（2-5）ppcat,max
即产物生成速率接近最大反应速率，同时与底物浓度无关，相对S讲，反应过程呈零级反应特征。
当[S]接近K是，反应体系随底物浓度而变动于零级和一级反应之间。
m
2.2.2Briggs-Haldane方程
当从中间复合物生成产物的速率与其分解成酶与底物的速率相差不大时，Michaelis—Menten的平衡假设不适用。
Briggs和Haldane于1925年提出了拟稳态假设。
他们认为由于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，即中间复合物浓度的浓度不再随时间而变化，这就是“拟稳态”假设。
这是从反应机理推导动力学方程又一重要假设。
rS[]keS[]p,max，2r,,（2-6）p，kk，KS[],，12m，[]Sk，1
根据式（2-6）其中k和k表示的是中间复合物[ES]解离的速率常数;k则表示的是-1+2+1
3
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生成中间复合物[ES]的速率常数。
因此当K值大时，表示复合物[ES]的结合力弱，易解离;m
当K值小时，[ES]不易解离。
Km值的大小与酶、反应物系的特征以及反应条件有关。
因m
此，它是表示某一特定酶催化反应性质的一个特征参数。
3细胞生长反应动力学
细胞生长是细胞内众多生化反应的综合结果。
这些反应既包括利用底物合成结构单元、再聚合成大分子物质的系列反应;也包括了提供进行反应所需要的吉布斯自由能和还原力的
[5]合成反应。
细胞反应过程是指以细胞为其反应主体的一类生化反应过程。
这些反应过程包括微生物反应和动植物细胞培养过程。
其中微生物反应包括由诸如细菌、酵母菌和霉菌等这些微小的生物体所催化的生化反应过程。
细胞生长反应过程总体可以分为一下几个步骤:
1）底物从培养基输送到细胞内;2）通过细胞内反应，将底物转化为细胞质和代谢产物;3）代谢产物排泄进入胞外非生物相。
细胞反应过程有如下主要特征:
（1）细胞是反应过程的主体。
（2）细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。
细胞内所进行的一切分解和合成反应，可统称为代谢作用。
（3）细胞反应与酶催化反应有着明显的不同。
上述这些因素，造成了描述、控制和开发细胞反应过程的复杂性。
3.1细胞反应过程计量学
“反应计量学”是对反应物的组成和反应转化程度的数量化研究，它与反应热力学和动力学一起构成了反应工程学的理论基础。
根据反应计量学，可以知道反应过程中各有关反应组分组成的变化规律以及各反应之间的数量关系，但对细胞反应过程，由于众多组分参与反应和代谢途径的错综复杂，并在细胞生长的同时还伴随着代谢产物生成的反应，因此要用标以正确系数的反应方程式表示由反应组分组成的培养基转化为生成物的反应几乎是不可能的，这就需要采用另外一些方法来加以简化处理。
为了表示出细胞反应过程各物质和各组分之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进
[6]行原子衡算。
即提出的所谓的“黑箱”计量模型，在该模型中，将细胞生长系统视为与环境进行物质交换的“黑箱”，只研究“黑箱”的最初和最终状态及输入和输出物流的变化，而不考虑“黑箱”内的过程是怎样进行的。
作者通过公式推导得出了“细胞反应的元素衡算方程”以及其解法，接着又向我们介绍了“细胞反应过程的得率系数”。
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定量评价的重要参数，其表达方式多种多样，常见的几种得率系数如下:
（1）对底物的细胞得率系数;
（2）最大得率系数;（3）对碳的细胞得率系数;（4）对ATP的细胞得率系数;（5）对有效电子数的细胞得率系数。
3.2细胞生长动力学的非结构模型
3.2.1细胞生长动力学的描述
在本节中，首先讲述细胞生长动力学的描述方法，在此基础上重点讲解了三种细胞动力学，最后对细胞生长速率的影响因素进行了分析。
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细胞反应过程，包括细胞的生长、基质的消耗和代谢产物的生成。
要定量描述细胞反应
[7]过程的速率，显然细胞生长动力学是其核心。
动力学模型的简化:
细胞的生长及繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程。
要对这样一个复杂的体系进行精确的描述几乎是不可能的。
为了工程上的应用，首先要进行合理的简化，在简化的基础上建立过程的物理模型，再据此推出数学模型。
作者运用动力学模型简化方法，得出了细胞群体的4种模型，如下图3-1所示。
非结构模型结构模型
最理想情况:
细胞之间无差异，是
不考虑细胞内部结构;均一的，细胞内有多均衡生长
个组分存在。
各种细胞均一;
细胞群体作为一种溶质。
平均细胞的近似平均细胞的近似
实际情况:
细胞内多不考虑细胞内部结构;各组分;细胞之间不均均衡生长种细胞不均一。
一。
图3-1对细胞群体的描述模型
反应速率的定义包括绝对速率和比速率两种:
1）绝对速率（简称为速率），表示为单位时间、单位反应体积某一组分的变化量;2）比速率，以单位浓度细胞（或单位质量）为基准而表示的各个组分变化速率。
与催化活性物质的量有关，因此比速率的大小反应了细胞活力的大小。
3.2.2细胞生长动力学
作者介绍了三种情况下的细胞生长动力学:
无抑制、有抑制及分批培养时细胞生长动力学。
无抑制时的细胞生长动力学模型中，Monod模型是比较常用的一个，特别是在水处理
[8]中得到了广泛的应用。
现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年提出。
该模型的基本假设为:
1）细胞生长为均相非结构式生长，因此可用细胞浓度的变化来描述细胞的生长;2）培养基中只有一种底物是细胞生长的限制性底物，其他组分均为过量，它们的变化不影响细胞的生长;3）细胞的生长视为简单单一反应，细胞得率系数为一常数。
细胞的比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示:
CS,,,maxK，CSS
-1式中μ——比生长速率S;
-1μ——最大比生长速率S;max
C——限制性基质浓度（g/L）;S
5
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K——饱和常数（g/L），其值等于比生长速率恰为最大比生长速率的一半时的限S
制性基质浓度。
对细胞反应，某些物质的存在，也会使细胞生长的比速率下降。
对细胞生长起到一定的抑制作用。
这些抑制剂的存在，或是改变了细胞和细胞中酶的渗透性，或使细胞中酶的聚集体发生解离，或影响酶的合成，或影响细胞的活性功能等等，这些抑制一般包括基质抑制和产物抑制。
相应的动力学模型也有基质抑制动力学和产物抑制动力学。
分批培养又称间歇培养。
它是在反应器中装入培养基，灭菌，接种，然后维持一定的条件进行培养。
在培养过程中，除了需氧培养过程需要通入无菌空气、消除泡沫用的消泡剂以及维持一定pH所用酸碱外，不再加入其他物料。
待反应进行到一定程度后，将全部反应液放出，进行后处理。
细胞的生长过程包括下列阶段，即延迟期、加速期、指数生长期、减速期、静止期和衰亡期。
3.3细胞生长和代谢的结构模型
前面介绍的细胞动力学系以一个变量——细胞的浓度变化速率来表示的，可称之为均衡生长的非结构动力学模型。
该模型形式简单，数学处理方便。
但是它没有反应存在于细胞内复杂的代谢反应，也不能期望用这些简单模型来预测当外界条件发生变化时的动态特型，也
[9]限制了对细胞内调控机制的认识。
因为这些认识对于实现生化反应器或者生化反应过程的控制也是很有必要的。
基于上述考虑，许多学者提出了细胞非均衡生长的结构动力学模型，其中包括分室模型、控制模型、基因结构模型、代谢模型、单细胞模型等。
作者主要介绍了分室模型和控制模型的理论及应用。
参考文献:
[1]戚以政,汪叔雄.生化反应动力学与反应器（第三版）[M].北京:
化学工业出版社,2007.6.[2]贾士儒.生物反应工程原理[M].天津:
南开大学出版社，1990
[3]贾士儒.生物反应工程原理（第二版）[M].北京:
科学出版社，2003[4]李振刚.现代分子生物学论纲[M].天津:
天津科学出版社，2003
[5]伦世仪.生化工程[M].北京:
中国轻工业出版社.
[6]岑沛霖，关怡新，林建平.生物反应工程[M].北京:
高等教育出版社，2005[7]戚以政，夏杰.生物反应工程[M].北京:
化学工业出版社，2004
[8]俞俊棠，唐孝宣.生物工艺学[M].上海:
华东化工学院出版社，2004[9]StephanopoulosGN,AristidouAA,NielsenJ.Metabolicengineering-principlesand
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6
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