生化反应工程基础知识.ppt

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1、,制药反应工程,第六章 生化反应工程基础 赵瑞芬 周华从 2015年11月,生化反应工程基础知识； 生化反应工程特点；,酶催化反应及其动力学； 微生物反应及其动力学；,6.1,概述,6.2,生化反应动力学基础,固定化生物催化剂,生化反应器,酶和细胞的固定化； 固定化生物催化剂的催化动力学；,生化反应器类型； 生化反应器计算,6.3,6.4,生化反应工程基础知识； 生化反应工程特点；,酶催化反应及其动力学； 微生物反应及其动力学；,6.1,概述,6.2,生化反应动力学基础,6.1 概述,生化反应 工程,生物化学 工程,化学反应 工程,使用生物催化剂； 生物技术实现产业 化的关键之一。,生化反应本

2、质是化学反应； 用化学反应工程的原理和方 法解决生化反应问题,生化反应工程将化学反应工程的原理和方法用于生化反应 及生化反应器设计、分析及确定最优操作条件的一门科学分支。,6.1.1 生化反应工程基础知识,研究对象：生物催化剂与生化反应、生化反应器设计与分析,6.1 概述,反应工程研究内容,反应工程,反应动力学,反应器设计与分析,研究内容：,？,生化,生化,生化,6.1.1 生化反应工程基础知识,游离酶或固定化酶、游离细胞或固定化细胞。,6.1 概述,原料预处理；生物催化剂制备及生化反应；产品分 离与纯化。,应用生物学、化学和工程学的基本原理，利用生物体 （如微生物、动/植物细胞）或其组成部分

3、（如酶或细 胞器)来生产有用物质，或为人类提供某种服务的技术。,生物催化剂：,生化反应：,生物技术：,由生物催化剂催化的反应。包括三个过程：,与化学反应过程相比较，生化反应过程具备以下特点：,6.1 概述,6.1.2 生化反应工程特点,生物催化剂除单酶体系外，多酶或微生物细胞催化体系复杂； 通常为气液固多相系统，反应物系复杂，； 具有反应条件温和、催化专一性强和反应选择性高的优点； 生物催化剂对环境敏感，对反应器的构造和过程控制要求较高； 反应速率通常受到反应物和产物浓度的限制，且所需反应器体积较大。,一、 酶的概述,1 酶的分类：,酶(Enzyme)是由活细胞产生的具有催化活性和高度 选择性

4、的特殊蛋白质。,组 成,单纯蛋白质,酶蛋白分子与辅助因子组成全酶,酶的分类：按照酶催化反应类型，分为：,氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和合成酶,参考：生物化学，王镜岩 等，第三版，北京大学出版社,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,酶具有一般化学催化剂所具有的性质。,降低反应的活化能； 不影响反应的平衡常数； 加速反应的进行； 酶本身不被消耗，且能恢复到原来的状态。,酶同时具有蛋白质的性质。,需要适宜的反应温度、pH、溶剂的介电常数、离子强度等，极易 受到物理因素和化学因素的影响，容易失活甚至变性。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动

5、力学,2 酶的特性 ：,E (Enzyme), 酶；,S (Substrate), 底物；,以单底物S生成产物P的酶催化反应为例，其反应历程为：,P (Product), 产物；,酶和底物非共价键结合，形成酶-底物中间络合物ES； ES络合物解离，生成产物P并释放E, 开始下一个底物 的反应。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,3 酶催化反应历程 ：,酶的活性：即酶催化反应速率，在规定条件下，每微摩尔酶每分钟催化底物转化的微摩尔数。,酶单位：在规定条件下，每分钟催化1微摩尔底物转化 为产物所需的酶量，定义为一个酶单位（U, Unit）。,二者关系：若酶的活性为 a

6、mol /(min mol ），则一个酶单位可表示为 1/a mol/(min mol ),6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,4 酶的活性定义：,酶催化与化学催化反应能量变化,与化学催化相比较，酶催化有如下特点：,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,5 酶催化特点：,酶的催化效率高：通常比非酶催化高107 1013倍。,？,酶催化降低了从底物到 过渡态络合物所需的活 化能，且不改变反应中 总能量的变化。,专一性,酶对底物的专一性,底物结构专一性,立体专一性,酶对基团的专一性, 酶催化反应具有高度的专一性：,酶对反应的专一性,6.2 生化反应

7、动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,5 酶催化特点：,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学, 反应条件温和；, 选择性高，副产物少，易于分离；,对环境因素敏感，具有适宜的反应温度、pH、离子 强度等。,5 酶催化特点：,反应温度：酶催化反应速率与温度曲线呈钟罩形。 反应pH：影响酶与底物结合和解离的速率；甚至影响 酶的空间结构,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,6 影响酶催化反应速率的因素：, 酶浓度、底物浓度、产物浓度、离子强度和抑制剂等。,对于典型的单底物酶催化反应：,反应机理可表示为：,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1

8、酶催化反应及其动力学,二 单底物酶催化反应动力学米氏方程,一定条件下，反应速率 r 与底物浓度S关系：,通过米氏方程(Michaelis-Menten Equation)定量描述反应速率与 底物浓度的关系：,cS为底物S的浓度；rmax=k2cE0是最大反应速率(所有酶分子均与底物结合)， 其中cE0为酶的初始浓度；,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,，称为米氏常数，表示酶和底,物间的亲和力大小：Km越小，则亲和力越大，ES越不易解离； Km与酶催化反应物系的特性及其反应条件有关，是酶催化反应性质的特性常数。,底物浓度与酶催化反应速率的关系,当cS,Km时，底物浓度

9、低，一级反应；,当底物浓度为中间值时，随着cS增大反 应从一级向零级过渡，为变级数过程。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,当cS,Km时，底物浓度高，零级反应；,当Km=cS时，r = rmax/2,Km数值上等于反应速率为 rmax/2 时cS的值。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,米氏方程变形公式Lineweaver-Burk法（L-B法）,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,例题分析,例题（P251）：在pH为5.1及15下，测得葡萄糖淀粉酶水解 麦芽糖的初速率与麦芽糖浓度的关系如下：,求：该淀粉酶水解

10、麦芽糖反应的Km和rmax？,酶催化反应中，某些物质（外源物质、反应底物或产物等）的存在 使反应速率下降，这些物质被称作抑制剂(I, Inhibitor)，其效应称为抑 制作用。,可逆抑制：酶与抑制剂之间靠非共价键结合，存在解离 平衡，可通过透析等方法除去,不可逆抑制：酶与抑制剂之间靠共价键相结合，使活性酶 浓度降低,根据抑制机理不同，可逆抑制分为： 竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制、底物抑制。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,三 有抑制作用时的酶催化反应动力学,抑制作用,1 竞争性抑制,当抑制物与底物的结构类似时，它们将竞争酶的同一可结合部位（活 性位），

11、阻碍了底物与酶相结合，导致酶催化反应速率降低。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,KI表示抑制物与酶的亲和力大小；,可增加底物浓度来提高反应速率。,KmI为有竞争性抑制时的米氏常数。,其中，,1 竞争性抑制,抑制物与酶的非活性部位结合，形成抑制物酶的络合物后再与底物 结合，或者部分底物酶络合物与抑制物结合，所形成的底物酶抑 制物不能直接生成产物，导致酶催化反应速率降低。,2 非竞争性抑制,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动

12、力学,非竞争性抑制时的最大速率：,增加反应物浓度也不能减弱非竞争性抑制 物对反应速率的影响。,2 非竞争性抑制,有些抑制剂不能直接与游离酶相结合，而只能与底物-酶络合物相 结合，形成底物酶抑制剂中间络合物，且该络合物不能生成产物， 使酶催化反应速率下降。,3 反竞争性抑制,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,3 反竞争性抑制,酶催化反应速率随底物浓度的升高先增大后降低，高浓度底物造成 反应速率下降。底物抑制是由于多个底物分子与酶的活性中心结合，所 形成的络合物不能分解为产物所致。,4 底物抑制,6.2 生化

13、反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,酶催化反应速率与底物浓度关系不是双曲函数，而是抛物线关系。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,，底物抑制时的解离常数,对cS求导，令,，得,底物抑制时r-cS关系,(optimal),4 底物抑制,rmax,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,有/无抑制作用时的酶催化反应动力学对比,无抑制,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,底物抑制,Km,rmax,cS , 则 r？,rmax,Km,rmax,Km,Km,X,X,微生物反应(发酵过程)是利用微生物中特定的酶系进行的 复杂生化反应过程。

14、,厌氧发酵（乙醇发酵、丙酮丁醇发酵和乳酸发酵等）,通气发酵（抗生素发酵、氨基酸发酵等）,发酵产品种类,微生物细胞本身,微生物代谢产物或转化产物,微生物酶,代谢过程本身（如废水处理）,6.2 生化反应动力学基础,6.2.2 微生物的反应过程动力学,对氧气的需求,微生物反应包括以下过程：,质量传递过程：营养物质向微生物细胞内的传递和代谢产物向细胞外 的传递；氧气扩散与传递 微生物细胞生长与代谢过程； 微生物群体的退化与变异过程。,以代谢产物为目标产物的微生物反应过程中，生化反应 速率及其影响因素： 1 细胞生长速率；2 基质消耗速率；3 产物生成速率；4 氧的消耗速率。,6.2 生化反应动力学基础

15、,6.2.2 微生物的反应过程动力学,细胞的生长速率rx：在单位体积培养液中，单位时间内生成的细胞 （菌体）量，即：,在给定条件下，细胞生长可以用细胞浓度变化来定量描述。,V为培养液体积，mx为细胞质量。对于恒容过程，细胞的生长速率 可定义为：,cx为细胞浓度，常用单位体积培养液中所含细胞干重表示。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.2 微生物的反应过程动力学,一 细胞生长动力学,均衡生长类似于一级自催化反应，以细胞干重增加为基准的生长 速率与细胞浓度成正比，比例系数为，即,表示单位菌体浓度的细胞生长速率，是描述细胞生长速率的一个 重要参数，称为比生长速率。比生长速率大小表示菌体增长的能力，

16、受 到菌株和各种物理化学环境因素的影响。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.2 微生物的反应过程动力学,在细胞间歇培养中的比生长速率为,cx0为起始菌体浓度。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.2 微生物的反应过程动力学,当细胞处于指数生长期时，一般为常数，所以,针对确定的菌株，在温度和pH等恒定时，细胞比生长速率与限制型 底物浓度的关系可以用Monod方程表示。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.2 微生物的反应过程动力学,细胞的生长均为均衡性生长，描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度； 培养基中仅有一种底物是细胞生长限制性基质，其余组分均过量， 其变化不影响细胞生长。 将细胞生长视为单一反应，且对基质的细胞收率Yx/S为常数。 Yx/S为每消耗单位质量基质所生成的细胞质量。,Monod方程假设：,6.2 生化反应动力学基础,6.2.2 微生物的反应过程动力学,cS为限制性基质的浓度（g/L）；