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生物反应工程原理 生物反应工程的定义 生物反应工程是一门以研究生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。是以生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等多学科为基础的交叉学科。 生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点： 1）反应在温和的条件下进行； 2）反应速率比化学反应过程慢很多； 3）反应的复杂性有时难于预计。 共性的基本问题： 1）反应过程的定量； 2）动力学研究； Rate＝product／（time×mass×energy） 生物反应过程的四个组成部分 ①原材料的预处理及培养基的制备； ②生物催化剂的制备； ③生物反应器及反应条件的选择与监控； ④产物的分离纯化工程； 生物反应工程的研究内容 生物反应动力学 生物反应动力学主要研究生物反应速率和影响反应速率的各种因素。 基本内容： 1）酶反应动力学的特点、均相和多相系统酶促反应动力学及酶的失活动力学； 2）微生物反应过程的质量与能量衡算、发酵动力学和微生物的培养操作技术； 3）影响动植物细胞反应的因素、动植物细胞反应及反应动力学。 2、生物反应器 生物反应器是使生物技术转化为产品和生产力的关键设备。 1）生物反应体系中的流变学特性、氧的传递与微生物呼吸、体积溶氧系数及相关因素、溶氧方程及溶氧速率调节； 2）酶反应器及设计、机械搅拌式发酵罐及设计、气升式生化反应器设计、生物废水处理设备及动植物细胞培养用反应器等； 3）分批、流加和连续式操作，及动植物细胞培养技术等。 3、生物反应过程的放大与缩小 1）探讨各种类型生物反应的内在规律； 2）从概念上注意与相关学科的区别； 3）要全面、深入地看待问题； 4）确立评价生物反应过程的标准。 酶的分类与命名 酶：是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，经典的酶学理论认为酶是蛋白质催化剂，具有蛋白质的一切性质。 氧化还原酶（oxido-reductase）； 转移酶（transferase）； 水解酶（hydrolase）； 裂合酶（lyase）； 异构酶（isomerase）； 合成酶（synthetase, ligase） 酶的功能 酶作为催化剂的共性： ①降低反应的活化能； ②酶可加快反应速率； ③不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速度； ④反应前后酶本身不变； 酶的生物催化特性： ①酶有较高的催化效率； ②酶有很强的专一性； 一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质进行某一种反应，这种特性称为酶的专一性或选择性。 （1）绝对专一性； （2）相对专一性； （3）反应专一性（reaction specificity）； （4）底物专一性（substrate specificity）； （5）立体专一性（stereo specificity）； （6）官能团专一性（functional group specificity）； （7）序列专一性； ③酶有温和的反应条件； 酶催化反应的温度一般在生理温度25～37℃范围，近中性pH值条件。 催化效率的表示法： （1）酶活力：在特定的条件下（25℃，在具有最适底物浓度、最适缓冲液离子强度和pH）下，1min能催化1μmol底物转化为产物时所需要的酶量，称为一个国际单位，用IU表示。 （2）1972年国际酶学委员会推荐的新酶活力国际单位Katal，符号Kat，即，在最适条件下，1s催化1mol底物转化的酶量。 1Kat=1mol/s=6×107IU 1IU=1umol/min=16.67×10-9Kat 酶的比活力:指每1kg酶所具有的Kat数，即Kat/kg。 酶的另一个重要特点是它们常需要辅因子的共同作用，辅因子是非蛋白化合物，它与非活性蛋白结合形成有催化活性的复合物称为酶。 辅因子有三类： （1）金属离子（激活剂）； （2）辅酶； （3）辅底物； 酶以活力，而不是以纯度和质量购销。 酶活力测定：通过测定初始短时间内底物的消耗量或产物的生成量进行酶活力（初速度）的测定。 固定化酶（固相酶或水不溶酶）：是通过物理或化学方法使溶液酶转变为在一定的空间内运动受到完全或局部约束的一种不溶于水，但仍具有活性的酶。能以固相状态作用于底物进行催化作用。 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。 固定化酶性质变化表现 1）底物专一性改变 2）稳定性增强 3）最适pH和最适温度改变 4）动力学常数变化 速率（rate）：指变化快慢程度，包含反应速率和传质速率。 反应速率（reaction rate）：单位时间、单位反应体积生成的产物量。 传质速率（transfer rate）：单位面积上单位时间的传递量。 速度（