《生物反应工程》 讲稿 （生物反应工程与生物反应器）
课程简介：
1绪论
1.1生物反应工程的发展过程
20世纪40年代抗菌素工业诞生，对无菌操作、通风溶氧技术十分拍切，吸引了大量化学工程人员参与技术攻关，于是有微生物学、生物化学、化学工程形成了一门交叉学科——生物化学工程（生化工程），当初的生化工程研究的核心，通风搅拌无菌操作。1942年monod研究连续发酵，研究的目的就是提高发酵速率，60-70年代，单细胞蛋白生产，污水处理的重视，对菌体生长速率、底物的反应速率等的研究越来越重视，于是人们就把微生物反应动力学的研究与生物反应器结合起来形成了生化工程的一个重要分支-——生物反应工程。 这门课（生物反应工程）是一门以生物反应动力学为基础，研究生物反应器的设计、放大和生物反应过程的优化操作和控制的学科。
生物反应工程课程有好多名称，在上世纪80年代初，江南大学（原无锡轻工业学院）王鸿祺教授给研究生开设了《生化反应动力学与生化反应器》，天津科技大学贾士儒教授给研究生开设了《生物反应工程与生物反应器》，后来改为《生物反应工程原理》。90年代上海出版了高校教材《生物化工原理》，北京化工大学戚以政、王叔雄编著了《生化反应动力学与反应器》（1995年第二版），以后有编写了《生物反应工程》。本学学院最早给研究生开这门课名称是《生物反应工程与生物反应器》，2010年改为《生物反应工程》。
1.2生物反应工程的主要内容 1）生物反应动力学
研究生物反应过程速率及其影响因素，是理论基础。微观动力学（本征动力学，是研究分应的固有速率，与温度、浓度、PH、催化剂等有关，与传递无关。另一种反应是宏观动力学，也称反应器动力学。与反应器的传质、传热及物料流动类型有关。实验室研究可以看作微观动力学，从工程角度要研究的是宏观动力学。
2）生物反应器设计、优化与放大（设计包括结构型式、操作方式及尺寸的确定），实际生物反应器设计是将生化反应动力学特征和生化反应器特征结合的设计。 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
内容要点：了解酶反应特点，掌握M-M方程和各种抑制动力学特征及其应用。 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：
S?pS?E??ES??P?Ek-1k?1k?2
EE—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：
1dnS?；Vdt
1dnrP??PVdtrS?—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：
rP?k?2C?ES?
C?ES?—酶底物结合复合物浓度，mol/L；对反应机理有四点假设：
（1）反应过程酶浓度恒定，即CE?CE?C?ES?
0（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：
rS?rP?dCdCP??S?k?2C?ES? dtdtk?1CSCE?k?1C?ES? CE?C?ES?k?1C?ES? ??KS?k?1CSCS因CE0?CE?C?ES?
CE0?KSC?ES?CS?C?ES??C?ES（?1?KS ）CSC?ES??CEoCSKS?CS
rS?k?2CEoCSKS?CSk?2CEoCSKS?CS?rS,maxCS
KS?CSCS
KS?CS（rS，max=k+1CEo）
rP??rP,max
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：
dCP?k?2C?ES? dtdCS?k?1CSCE?k?1C?ES? dt—dC?ES?dt?k?1CECS?k?1C?ES??k?2C?ES?
C?ES??k?1CECSCECSk?k?2C?ES? ??CE??1?k?kk?1?k?2k?1CS?1?2k?1又因：CEo?CE?C?ES?
?Km??CEo?C?ES???1?C?
?S?C?ES??CEoCSKm?CS
rP?k?2CEoCSCSdCP ?k?2C?ES???rP，maxdtKm?CSKm?CS