生化反应工程-周华从

,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）；max为最大比生长速率（h-1）;Ks为饱和系数（g/L），即Monod常数，其值等于最大比生长速率一半时限制性基质的浓度，是表征某种生长限制性基质与细胞生长速率间依赖关系的一个常数。,Monod方程：,，由于,得到,当cS,Ks时，,，一级动力学关系；, max，零级动力学关系。,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cS,Ks时，,细胞比生长速率与限制性底物浓度关系,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,例题分析,例题(P259)：在全混流反应器中，以葡萄糖为限制性基质，在一定条件下培养曲霉sp。实验测得不同基质浓度下曲霉sp比生长速率如下所示：,若该条件下曲霉sp生长符合Monod方程，试求该条件下的max和KS。,基质的比消耗速率qS：单位细胞浓度的基质消耗速率。,产物的比生成速率qP: 单位细胞浓度产物的生成速率。,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,二 基质消耗动力学,基质消耗速率：在单位体积培养基单位时间内消耗基质(碳源、氮源、氧等)的质量。以单一限制性基质消耗动力学为例：,在间歇培养中基质消耗速率为：,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,三 产物生成动力学,根据产物形成与细胞生长间的不同关系,发酵过程可分为型、型和型。,型：细胞生长与产物合成耦联型，即细胞生长与产物合成直接相关连，它们之间是同步的。YP/x：单位质量细胞单位时间内产物的得率。,主要是葡萄糖代谢的初级中间产物，如乙醇、乳酸发酵等,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,型：细胞生长与产物合成半耦联型，即产物的生成与细胞的生长部分耦联，细胞生长前期基本无产物生成，一旦有产物生成后，产物的生成速率既与细胞生长有关，又与细菌浓度有关。,(、为常数),谷氨酸发酵和柠檬酸发酵等。, 型：细胞生