资源预览内容
第1页 / 共46页
第2页 / 共46页
第3页 / 共46页
第4页 / 共46页
第5页 / 共46页
第6页 / 共46页
第7页 / 共46页
第8页 / 共46页
第9页 / 共46页
第10页 / 共46页
亲,该文档总共46页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
,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(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 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 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),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。,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,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,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);
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号