生化反響工程基礎知識

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

2、及生化反響器設計、分析及確定最優(yōu)操作條件的一門科學分支。6.1.1 生化反響工程根底知識研究對象：生物催化劑與生化反響、生化反響器設計與分析6.1 概述 反響工程研究內(nèi)容反響工程反響動力學反響器設計與分析研究內(nèi)容：？生化生化生化6.1.1 生化反響工程根底知識游離酶或固定化酶、游離細胞或固定化細胞。6.1 概述原料預處理；生物催化劑制備及生化反響；產(chǎn)品分 離與純化。 應用生物學、化學和工程學的根本原理，利用生物體 如微生物、動/植物細胞或其組成局部如酶或細 胞器)來生產(chǎn)有用物質(zhì)，或為人類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。包括三個過程：與化學反響過程相比

3、較，生化反響過程具備以下特點：6.1 概述6.1.2 生化反響工程特點生物催化劑除單酶體系外，多酶或微生物細胞催化體系復雜；通常為氣液固多相系統(tǒng)，反響物系復雜，；具有反響條件溫和、催化專一性強和反響選擇性高的優(yōu)點；生物催化劑對環(huán)境敏感，對反響器的構(gòu)造和過程控制要求較高；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： 酶(Enzyme)是由活細胞產(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：按照酶催化反響類型，分為：氧化復原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶和合成酶參考：?生物化學?，王鏡巖 等

4、，第三版，北京大學出版社6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學酶具有一般化學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)；加速反響的進行；酶本身不被消耗，且能恢復到原來的狀態(tài)。酶同時具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)。需要適宜的反響溫度、pH、溶劑的介電常數(shù)、離子強度等，極易受到物理因素和化學因素的影響，容易失活甚至變性。6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學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；酶和底物非共價鍵結(jié)合，形成酶-底物中間

5、絡合物ES；ES絡合物解離，生成產(chǎn)物P并釋放E, 開始下一個底物 的反響。6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學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，定義為一個酶單位U, Unit。二者關(guān)系：假設酶的活性為 a mol /(min mol ，那么一個酶單位可表示為 1/a mol/(min mol )6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學4 酶的活性定義：酶催化與化學催化反應能量變化與化學催化相比較，酶催化有如下特點：6

6、.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學5 酶催化特點：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渡態(tài)絡合物所需的活化能，且不改變反響中總能量的變化。專一性酶對底物的專一性底物結(jié)構(gòu)專一性立體專一性酶對基團的專一性 酶催化反響具有高度的專一性：酶對反響的專一性6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學5 酶催化特點：SP1P2P3E1E2E36.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學 反響條件溫和； 選擇性高，副產(chǎn)物少，易于別離；對環(huán)境因素敏感，具有適宜的反響溫度、pH、離子 強度等。 5 酶催化特點： 反響溫度：

7、酶催化反響速率與溫度曲線呈鐘罩形。 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 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學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、離子強度和抑制劑等。對于典型的單底物酶催化反響：反響機理可表示為：6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學二 單底物酶催化反響動力學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 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學，稱為米氏常數(shù)，表示酶和底物間的親和力大小：Km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cSKm時，底物濃度低，一級反響；當?shù)孜餄舛葹橹虚g值時，隨著cS增大反應從一級向零級過渡，為變級數(shù)過程。6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學當cSKm時，底物濃度高，零級反響；當Km=cS時，r = rmax/2Km數(shù)值上等于反響速率為rmax/2 時cS的值。6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶

9、催化反響及其動力學米氏方程變形公式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 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學例題分析例題P251：在pH為5.1及15下，測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)被稱作抑制劑(I, Inhibitor)，其效應稱為抑制作用。可逆抑制：酶與抑制劑之間靠非共價鍵結(jié)合，存在解離 平衡，可通過透析等方法除去不可逆抑制：酶與抑制劑之間靠共

10、價鍵相結(jié)合，使活性酶 濃度降低根據(jù)抑制機理不同，可逆抑制分為：競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制、底物抑制。6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學三 有抑制作用時的酶催化反響動力學抑制作用1 競爭性抑制 當抑制物與底物的結(jié)構(gòu)類似時，它們將競爭酶的同一可結(jié)合部位活性位，阻礙了底物與酶相結(jié)合，導致酶催化反響速率降低。6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學KI表示抑制物與酶的親和力大?。豢稍黾拥孜餄舛葋硖岣叻错懰俾?。KmI為有競爭性抑制時的米氏常數(shù)。其中，1 競爭性抑制 抑制物與酶的非活性部位結(jié)合，

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

12、底6.2.1 酶催化反響及其動力學3 反競爭性抑制 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底物分子與酶的活性中心結(jié)合，所形成的絡合物不能分解為產(chǎn)物所致。4 底物抑制6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學酶催化反響速率與底物濃度關(guān)系不是雙曲函數(shù)，而是拋物線關(guān)系。6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學，底物抑制時的解離常數(shù)對cS求導，令，得底物抑制時r-cS關(guān)系(optimal)4 底物抑制rmax6.2 生化反響動力學根底6.2.1 酶催化反響及其動力學有/無抑制作用時的酶催化反響動力學比照無抑制競爭性抑

13、制非競爭性抑制反競爭性抑制底物抑制KmrmaxcS , 那么 r？rmaxKmrmaxKmKmXX 微生物反響(發(fā)酵過程)是利用微生物中特定的酶系進行的復雜生化反響過程。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)品種類微生物細胞本身微生物代謝產(chǎn)物或轉(zhuǎn)化產(chǎn)物微生物酶代謝過程本身如廢水處理6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學對氧氣的需求微生物反響包括以下過程：質(zhì)量傳遞過程：營養(yǎng)物質(zhì)向微生物細胞內(nèi)的傳遞和代謝產(chǎn)物向細胞外 的傳遞；氧氣擴散與傳遞微生物細胞生長與代謝過程；微生物群體的退化與變異過程。 以代謝產(chǎn)物為目標產(chǎn)物的微生物反響過程中，

14、生化反響速率及其影響因素：1 細胞生長速率；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 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學 細胞的生長速率rx：在單位體積培養(yǎng)液中，單位時間內(nèi)生成的細胞菌體量，即：在給定條件下，細胞生長可以用細胞濃度變化來定量描述。 V為培養(yǎng)液體積，mx為細胞質(zhì)量。對于恒容過程，細胞的生長速率可定義為：cx為細胞濃度，常用單位體積培養(yǎng)液中所含細胞干重表示。6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學一 細胞生長動力學 均衡生長類似于一級自催化反響，以細胞干重增加為基準的生長速率與細胞濃度成正比，比例系數(shù)為，即 表示單位菌體濃度

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

16、生長限制性基質(zhì)，其余組分均過量， 其變化不影響細胞生長。 將細胞生長視為單一反響，且對基質(zhì)的細胞收率Yx/S為常數(shù)。 Yx/S為每消耗單位質(zhì)量基質(zhì)所生成的細胞質(zhì)量。Monod方程假設：6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學cS為限制性基質(zhì)的濃度g/L；max為最大比生長速率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速率一半時限制性基質(zhì)的濃度，是表征某種生長限制性基質(zhì)與細胞生長速率間依賴關(guān)系的一個常數(shù)。Monod方程：，由于得到當cSKs時，一級動力學關(guān)系； max，零級動力學關(guān)系。6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學當cSK

17、s時，細胞比生長速率與限制性底物濃度關(guān)系6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學例題分析例題(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。實驗測得不同基質(zhì)濃度下曲霉sp比生長速率如下所示：cS(mg/L)50025012562.531.215.67.8102/h-19.547.725.583.592.091.140.6假設該條件下曲霉sp生長符合Monod方程，試求該條件下的max和KS。基質(zhì)的比消耗速率qS：單位細胞濃度的基質(zhì)消耗速率。產(chǎn)物的比生成速率qP: 單位細胞濃度產(chǎn)物的生成速率。6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過

18、程動力學二 基質(zhì)消耗動力學 基質(zhì)消耗速率：在單位體積培養(yǎng)基單位時間內(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)消耗動力學為例：在間歇培養(yǎng)中基質(zhì)消耗速率為：6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學三 產(chǎn)物生成動力學根據(jù)產(chǎn)物形成與細胞生長間的不同關(guān)系,發(fā)酵過程可分為型、型和型。型：細胞生長與產(chǎn)物合成耦聯(lián)型，即細胞生長與產(chǎn)物合成直接相關(guān)連，它們之間是同步的。YP/x：單位質(zhì)量細胞單位時間內(nèi)產(chǎn)物的得率。主要是葡萄糖代謝的初級中間產(chǎn)物，如乙醇、乳酸發(fā)酵等6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學 型：細胞生長與產(chǎn)物合成半耦聯(lián)型，即產(chǎn)物的生成與細胞的生長局部耦聯(lián)，細胞生長前期根本無產(chǎn)物生成，一旦有產(chǎn)物生成后，產(chǎn)物的生成速率既與細胞生長有關(guān)，又與細菌濃度有關(guān)。(、為常數(shù))谷氨酸發(fā)酵和檸檬酸發(fā)酵等。 型：細胞生長與產(chǎn)物合成非耦聯(lián)型，即產(chǎn)物的生成與細胞生長無直接關(guān)系，即當細胞處于生長階段時無產(chǎn)物積累，細胞停止生長后才有大量產(chǎn)物生成。6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物的反響過程動力學多數(shù)次生代謝產(chǎn)物，如抗生素發(fā)酵等。6.2 生化反響動力學根底6.2.2 微生物