生化反響工程基礎(chǔ)知識(shí)

1、生化反響工程基礎(chǔ)知識(shí)本章內(nèi)容生化反響工程根底知識(shí)；生化反響工程特點(diǎn)；酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)；微生物反響及其動(dòng)力學(xué)；6.1概述6.2生化反響動(dòng)力學(xué)根底固定化生物催化劑生化反響器酶和細(xì)胞的固定化；固定化生物催化劑的催化動(dòng)力學(xué)；生化反響器類(lèi)型；生化反響器計(jì)算6.36.4生化反響工程根底知識(shí)；生化反響工程特點(diǎn)；酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)；微生物反響及其動(dòng)力學(xué)；6.1概述6.2生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.1 概述生化反響 工程生物化學(xué) 工程化學(xué)反響 工程使用生物催化劑；生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè) 化的關(guān)鍵之一。生化反響本質(zhì)是化學(xué)反響；用化學(xué)反響工程的原理和方 法解決生化反響問(wèn)題生化反響工程將化學(xué)反響工程的原理和方法用于生化反響

2、及生化反響器設(shè)計(jì)、分析及確定最優(yōu)操作條件的一門(mén)科學(xué)分支。6.1.1 生化反響工程根底知識(shí)研究對(duì)象：生物催化劑與生化反響、生化反響器設(shè)計(jì)與分析6.1 概述 反響工程研究?jī)?nèi)容反響工程反響動(dòng)力學(xué)反響器設(shè)計(jì)與分析研究?jī)?nèi)容：？生化生化生化6.1.1 生化反響工程根底知識(shí)游離酶或固定化酶、游離細(xì)胞或固定化細(xì)胞。6.1 概述原料預(yù)處理；生物催化劑制備及生化反響；產(chǎn)品分 離與純化。 應(yīng)用生物學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)的根本原理，利用生物體 如微生物、動(dòng)/植物細(xì)胞或其組成局部如酶或細(xì) 胞器)來(lái)生產(chǎn)有用物質(zhì)，或?yàn)槿祟?lèi)提供某種效勞的技術(shù)。生物催化劑：生化反響：生物技術(shù)：由生物催化劑催化的反響。包括三個(gè)過(guò)程：與化學(xué)反響過(guò)程相比

3、較，生化反響過(guò)程具備以下特點(diǎn)：6.1 概述6.1.2 生化反響工程特點(diǎn)生物催化劑除單酶體系外，多酶或微生物細(xì)胞催化體系復(fù)雜；通常為氣液固多相系統(tǒng)，反響物系復(fù)雜，；具有反響條件溫和、催化專(zhuān)一性強(qiáng)和反響選擇性高的優(yōu)點(diǎn)；生物催化劑對(duì)環(huán)境敏感，對(duì)反響器的構(gòu)造和過(guò)程控制要求較高；反響速率通常受到反響物和產(chǎn)物濃度的限制，且所需反響器體積較大。一、 酶的概述1 酶的分類(lèi)： 酶(Enzyme)是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化活性和高度 選擇性的特殊蛋白質(zhì)。組 成單純蛋白質(zhì) 酶蛋白分子與輔助因子組成全酶 酶的分類(lèi)：按照酶催化反響類(lèi)型，分為：氧化復(fù)原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶和合成酶參考：?生物化學(xué)?，王鏡巖 等

4、，第三版，北京大學(xué)出版社6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)酶具有一般化學(xué)催化劑所具有的性質(zhì)。降低反響的活化能；不影響反響的平衡常數(shù)；加速反響的進(jìn)行；酶本身不被消耗，且能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。酶同時(shí)具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)。需要適宜的反響溫度、pH、溶劑的介電常數(shù)、離子強(qiáng)度等，極易受到物理因素和化學(xué)因素的影響，容易失活甚至變性。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)2 酶的特性 ：E (Enzyme), 酶；S (Substrate), 底物；以單底物S生成產(chǎn)物P的酶催化反響為例，其反響歷程為：P (Product), 產(chǎn)物；酶和底物非共價(jià)鍵結(jié)合，形成酶-底物中間

5、絡(luò)合物ES；ES絡(luò)合物解離，生成產(chǎn)物P并釋放E, 開(kāi)始下一個(gè)底物 的反響。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)3 酶催化反響歷程 ： 酶的活性：即酶催化反響速率，在規(guī)定條件下，每微摩爾酶每分鐘催化底物轉(zhuǎn)化的微摩爾數(shù)。 酶單位：在規(guī)定條件下，每分鐘催化1微摩爾底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量，定義為一個(gè)酶單位U, Unit。二者關(guān)系：假設(shè)酶的活性為 a mol /(min mol ，那么一個(gè)酶單位可表示為 1/a mol/(min mol )6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)4 酶的活性定義：酶催化與化學(xué)催化反應(yīng)能量變化與化學(xué)催化相比較，酶催化有如下特點(diǎn)：6

6、.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)5 酶催化特點(diǎn)：酶的催化效率高：通常比非酶催化高107 1013倍。？酶催化降低了從底物到過(guò)渡態(tài)絡(luò)合物所需的活化能，且不改變反響中總能量的變化。專(zhuān)一性酶對(duì)底物的專(zhuān)一性底物結(jié)構(gòu)專(zhuān)一性立體專(zhuān)一性酶對(duì)基團(tuán)的專(zhuān)一性 酶催化反響具有高度的專(zhuān)一性：酶對(duì)反響的專(zhuān)一性6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)5 酶催化特點(diǎn)：SP1P2P3E1E2E36.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué) 反響條件溫和； 選擇性高，副產(chǎn)物少，易于別離；對(duì)環(huán)境因素敏感，具有適宜的反響溫度、pH、離子 強(qiáng)度等。 5 酶催化特點(diǎn)： 反響溫度：

7、酶催化反響速率與溫度曲線(xiàn)呈鐘罩形。 反響pH：影響酶與底物結(jié)合和解離的速率；甚至影響 酶的空間結(jié)構(gòu)6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)6 影響酶催化反響速率的因素： 酶濃度、底物濃度、產(chǎn)物濃度、離子強(qiáng)度和抑制劑等。對(duì)于典型的單底物酶催化反響：反響機(jī)理可表示為：6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)二 單底物酶催化反響動(dòng)力學(xué)米氏方程一定條件下，反響速率 r與底物濃度S關(guān)系： 通過(guò)米氏方程(Michaelis-Menten Equation)定量描述反響速率與底物濃度的關(guān)系：cS為底物S的濃度；rmax=k2cE0是最大反響速率(所有酶分子均與底物結(jié)合)，

8、其中cE0為酶的初始濃度；6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)，稱(chēng)為米氏常數(shù)，表示酶和底物間的親和力大?。篕m越小，那么親和力越大，ES越不易解離； Km與酶催化反響物系的特性及其反響條件有關(guān)，是酶催化反響性質(zhì)的特性常數(shù)。底物濃度與酶催化反響速率的關(guān)系當(dāng)cSKm時(shí)，底物濃度低，一級(jí)反響；當(dāng)?shù)孜餄舛葹橹虚g值時(shí)，隨著cS增大反應(yīng)從一級(jí)向零級(jí)過(guò)渡，為變級(jí)數(shù)過(guò)程。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)當(dāng)cSKm時(shí)，底物濃度高，零級(jí)反響；當(dāng)Km=cS時(shí)，r = rmax/2Km數(shù)值上等于反響速率為rmax/2 時(shí)cS的值。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶

9、催化反響及其動(dòng)力學(xué)米氏方程變形公式Lineweaver-Burk法L-B法斜率Km/rmax截距1/rmax截距1/Km截距1/Km酶催化L-B圖6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)例題分析例題P251：在pH為5.1及15下，測(cè)得葡萄糖淀粉酶水解麥芽糖的初速率與麥芽糖濃度的關(guān)系如下：求：該淀粉酶水解麥芽糖反響的Km和rmax？ 酶催化反響中，某些物質(zhì)外源物質(zhì)、反響底物或產(chǎn)物等的存在使反響速率下降，這些物質(zhì)被稱(chēng)作抑制劑(I, Inhibitor)，其效應(yīng)稱(chēng)為抑制作用。可逆抑制：酶與抑制劑之間靠非共價(jià)鍵結(jié)合，存在解離 平衡，可通過(guò)透析等方法除去不可逆抑制：酶與抑制劑之間靠共

10、價(jià)鍵相結(jié)合，使活性酶 濃度降低根據(jù)抑制機(jī)理不同，可逆抑制分為：競(jìng)爭(zhēng)性抑制、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制、反競(jìng)爭(zhēng)性抑制、底物抑制。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)三 有抑制作用時(shí)的酶催化反響動(dòng)力學(xué)抑制作用1 競(jìng)爭(zhēng)性抑制 當(dāng)抑制物與底物的結(jié)構(gòu)類(lèi)似時(shí)，它們將競(jìng)爭(zhēng)酶的同一可結(jié)合部位活性位，阻礙了底物與酶相結(jié)合，導(dǎo)致酶催化反響速率降低。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)KI表示抑制物與酶的親和力大??；可增加底物濃度來(lái)提高反響速率。KmI為有競(jìng)爭(zhēng)性抑制時(shí)的米氏常數(shù)。其中，1 競(jìng)爭(zhēng)性抑制 抑制物與酶的非活性部位結(jié)合，

11、形成抑制物酶的絡(luò)合物后再與底物結(jié)合，或者局部底物酶絡(luò)合物與抑制物結(jié)合，所形成的底物酶抑制物不能直接生成產(chǎn)物，導(dǎo)致酶催化反響速率降低。2 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制時(shí)的最大速率：增加反響物濃度也不能減弱非競(jìng)爭(zhēng)性抑制物對(duì)反響速率的影響。2 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 有些抑制劑不能直接與游離酶相結(jié)合，而只能與底物-酶絡(luò)合物相結(jié)合，形成底物酶抑制劑中間絡(luò)合物，且該絡(luò)合物不能生成產(chǎn)物，使酶催化反響速率下降。3 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根

12、底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)3 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制 酶催化反響速率隨底物濃度的升高先增大后降低，高濃度底物造成反響速率下降。底物抑制是由于多個(gè)底物分子與酶的活性中心結(jié)合，所形成的絡(luò)合物不能分解為產(chǎn)物所致。4 底物抑制6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)酶催化反響速率與底物濃度關(guān)系不是雙曲函數(shù)，而是拋物線(xiàn)關(guān)系。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)，底物抑制時(shí)的解離常數(shù)對(duì)cS求導(dǎo)，令，得底物抑制時(shí)r-cS關(guān)系(optimal)4 底物抑制rmax6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.1 酶催化反響及其動(dòng)力學(xué)有/無(wú)抑制作用時(shí)的酶催化反響動(dòng)力學(xué)比照無(wú)抑制競(jìng)爭(zhēng)性抑

13、制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反競(jìng)爭(zhēng)性抑制底物抑制KmrmaxcS , 那么 r？rmaxKmrmaxKmKmXX 微生物反響(發(fā)酵過(guò)程)是利用微生物中特定的酶系進(jìn)行的復(fù)雜生化反響過(guò)程。厭氧發(fā)酵乙醇發(fā)酵、丙酮丁醇發(fā)酵和乳酸發(fā)酵等通氣發(fā)酵抗生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵等發(fā)酵產(chǎn)品種類(lèi)微生物細(xì)胞本身微生物代謝產(chǎn)物或轉(zhuǎn)化產(chǎn)物微生物酶代謝過(guò)程本身如廢水處理6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)對(duì)氧氣的需求微生物反響包括以下過(guò)程：質(zhì)量傳遞過(guò)程：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向微生物細(xì)胞內(nèi)的傳遞和代謝產(chǎn)物向細(xì)胞外 的傳遞；氧氣擴(kuò)散與傳遞微生物細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝過(guò)程；微生物群體的退化與變異過(guò)程。 以代謝產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物的微生物反響過(guò)程中，

14、生化反響速率及其影響因素：1 細(xì)胞生長(zhǎng)速率；2 基質(zhì)消耗速率；3 產(chǎn)物生成速率；4 氧的消耗速率。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué) 細(xì)胞的生長(zhǎng)速率rx：在單位體積培養(yǎng)液中，單位時(shí)間內(nèi)生成的細(xì)胞菌體量，即：在給定條件下，細(xì)胞生長(zhǎng)可以用細(xì)胞濃度變化來(lái)定量描述。 V為培養(yǎng)液體積，mx為細(xì)胞質(zhì)量。對(duì)于恒容過(guò)程，細(xì)胞的生長(zhǎng)速率可定義為：cx為細(xì)胞濃度，常用單位體積培養(yǎng)液中所含細(xì)胞干重表示。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)一 細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 均衡生長(zhǎng)類(lèi)似于一級(jí)自催化反響，以細(xì)胞干重增加為基準(zhǔn)的生長(zhǎng)速率與細(xì)胞濃度成正比，比例系數(shù)為，即 表示單位菌體濃度

15、的細(xì)胞生長(zhǎng)速率，是描述細(xì)胞生長(zhǎng)速率的一個(gè)重要參數(shù)，稱(chēng)為比生長(zhǎng)速率。比生長(zhǎng)速率大小表示菌體增長(zhǎng)的能力，受到菌株和各種物理化學(xué)環(huán)境因素的影響。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)在細(xì)胞間歇培養(yǎng)中的比生長(zhǎng)速率為 cx0為起始菌體濃度。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)當(dāng)細(xì)胞處于指數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，一般為常數(shù)，所以 針對(duì)確定的菌株，在溫度和pH等恒定時(shí)，細(xì)胞比生長(zhǎng)速率與限制型底物濃度的關(guān)系可以用Monod方程表示。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)細(xì)胞的生長(zhǎng)均為均衡性生長(zhǎng)，描述細(xì)胞生長(zhǎng)的唯一變量是細(xì)胞濃度；培養(yǎng)基中僅有一種底物是細(xì)胞

16、生長(zhǎng)限制性基質(zhì)，其余組分均過(guò)量， 其變化不影響細(xì)胞生長(zhǎng)。 將細(xì)胞生長(zhǎng)視為單一反響，且對(duì)基質(zhì)的細(xì)胞收率Yx/S為常數(shù)。 Yx/S為每消耗單位質(zhì)量基質(zhì)所生成的細(xì)胞質(zhì)量。Monod方程假設(shè)：6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)cS為限制性基質(zhì)的濃度g/L；max為最大比生長(zhǎng)速率h-1;Ks為飽和系數(shù)g/L，即Monod常數(shù)，其值等于最大比生長(zhǎng)速率一半時(shí)限制性基質(zhì)的濃度，是表征某種生長(zhǎng)限制性基質(zhì)與細(xì)胞生長(zhǎng)速率間依賴(lài)關(guān)系的一個(gè)常數(shù)。Monod方程：，由于得到當(dāng)cSKs時(shí)，一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系； max，零級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)當(dāng)cSK

17、s時(shí)，細(xì)胞比生長(zhǎng)速率與限制性底物濃度關(guān)系6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)例題分析例題(P259)：在全混流反響器中，以葡萄糖為限制性基質(zhì)，在一定條件下培養(yǎng)曲霉sp。實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同基質(zhì)濃度下曲霉sp比生長(zhǎng)速率如下所示：cS(mg/L)50025012562.531.215.67.8102/h-19.547.725.583.592.091.140.6假設(shè)該條件下曲霉sp生長(zhǎng)符合Monod方程，試求該條件下的max和KS?；|(zhì)的比消耗速率qS：?jiǎn)挝患?xì)胞濃度的基質(zhì)消耗速率。產(chǎn)物的比生成速率qP: 單位細(xì)胞濃度產(chǎn)物的生成速率。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)

18、程動(dòng)力學(xué)二 基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué) 基質(zhì)消耗速率：在單位體積培養(yǎng)基單位時(shí)間內(nèi)消耗基質(zhì)(碳源、氮源、氧等)的質(zhì)量。以單一限制性基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)為例：在間歇培養(yǎng)中基質(zhì)消耗速率為：6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)三 產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)根據(jù)產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長(zhǎng)間的不同關(guān)系,發(fā)酵過(guò)程可分為型、型和型。型：細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成耦聯(lián)型，即細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成直接相關(guān)連，它們之間是同步的。YP/x：?jiǎn)挝毁|(zhì)量細(xì)胞單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物的得率。主要是葡萄糖代謝的初級(jí)中間產(chǎn)物，如乙醇、乳酸發(fā)酵等6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué) 型：細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成半耦聯(lián)型，即產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長(zhǎng)局部耦聯(lián)，細(xì)胞生長(zhǎng)前期根本無(wú)產(chǎn)物生成，一旦有產(chǎn)物生成后，產(chǎn)物的生成速率既與細(xì)胞生長(zhǎng)有關(guān)，又與細(xì)菌濃度有關(guān)。(、為常數(shù))谷氨酸發(fā)酵和檸檬酸發(fā)酵等。 型：細(xì)胞生長(zhǎng)與產(chǎn)物合成非耦聯(lián)型，即產(chǎn)物的生成與細(xì)胞生長(zhǎng)無(wú)直接關(guān)系，即當(dāng)細(xì)胞處于生長(zhǎng)階段時(shí)無(wú)產(chǎn)物積累，細(xì)胞停止生長(zhǎng)后才有大量產(chǎn)物生成。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物的反響過(guò)程動(dòng)力學(xué)多數(shù)次生代謝產(chǎn)物，如抗生素發(fā)酵等。6.2 生化反響動(dòng)力學(xué)根底6.2.2 微生物