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(戚以政)生化反应动力学及反应器

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    生化反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备,可从多个角度对其进行分类。
按照所使用的生物催化剂的不同,可将其分为酶催化反戍器和细胞生化反应器。酶催化反应器中所进行的生化反应比较简单,酶如同化学催化剂一样,在反应过程中本身无变化。细胞生化反应器中所逬行的生化反应则十分复杂,在进行生化反应的同时,细胞本身也得到了增殖,并且为了使细胞能维持其催化活性,在反应过程中必须避免受到外界各种杂菌的污染。
根据反应器的操作方式,可分为间歇操作、连续操作和半间歇操作等多种方式。
间歇操作又称为分批操作,采用此种操作方式的反应器又称为间歇反应器。以酶为催化剂的间歇操作式反应器,在开始反应到反应结束的整个反应过程中,无底物和产物的加人和输出。反应过程中,底物浓度、产物浓度均只随反应时间而变化。以细胞为催化剂的间歇反应器,则在加人反应基质后,进行灭菌(或在灭过菌的反应器中加人经过灭菌的培养基),接种,维持一定的反应条件迸行反应。接种以后,除了好氧反应需要在反应过程中通人无菌空气、消除泡沫所用的消泡剂以及维持一定pH值所用酸碱之外,反应过程中不再加人反应基质,也不输出产物,只有待反应进行到规定的程度后,才将全部发酶液放出,进行后处理。反应器经清洗、灭菌后,重新加人培养基,继续迸行反应,在此反应过程中,基质浓度、产物浓度以及细胞浓度均随反应进行的时间而变化,尤其是细胞本身将经历不同的生长阶段,显示出不问的催化活力。因此,间歇操作反应器的基本特征是:反应物料一次加人-次卸出;反应器物系的组成仅随时间而变化。因此它属下一非稳态过程、由于间歇式反应器适合于多品种、小批量、反应速率较慢的反应过程,又可以经常进行灭菌操作,因此它作生化反庇器中占有重要位置。
采用连续操作的反应器叫作连续式反应器.这一操作方式的特点是原料连续输人反应器,反应产物则连续地从反位器中流出。反砬器内任何部位的物系组成均不随时间而变,故连续操作反应器多属于稳态操作。连续操作反应器一般具有产品质蚩稳定、生产效率高的优点,适合丁大批量生产。特别是它可以克服在进行间欧操作时,细胞反应所存在的由于营养基质耗尽或有害代谢产物积累所造成的反应只能在一段有限的时间内进行的缺点。对于实行连续操作,可以向反应器内以一定流量不断加人新的基质,同时以相间流量不断取出反应液,这样就可以不断补充细胞需要的营养物质,而有害代谢产物则不断被稀释而排出,生化反砬可以连续稳定地迸行下去。但是连续操作一般易发生杂菌污染,而且操作时间过长,细胞又易退化变异。
半间歇半连续操作系指原料与产物只布其中的一种为连续输人或输出,而其余则为分批加人或输出的操作、相应的反应器称为半间歇式反应器或半连续反应器。半间歇操作是一种同时兼有间歇操作和连续操作某些特点的操作。半间歇操作对生化反应有肴特别重要的意义6例如存在有基质抑制的细胞反应,当基质浓度过高时会对细胞的生长产生抑制作用,若利用半间歇半连续操作,则可控制基质浓度处在较低的水平,以解除其抑制作用。对细胞反应,此种半间歇半连续操作又常称补料分批培养,或称流加操作技术。在此种操作过程中,由于加料,反应液体积逐渐增大,到一定时间应将反应液从反应器中放出。如果只取出部分反应液,剩下的反应液继续进行补料培养,反复多次进行放料和补料操作,此种方法又称重复补料或重复流加操作。
从上述讨论可以看出,根据操作方式对生化反应器进行分类是能反映出反应器的某性本质特征的,因而是常用的一种分类方法。
常用的另一种反应器分类方法是根据反应器的结构持征来进行。
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