生物反应工程第1章

1、1.生物反应工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化反应工程。实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。 主要有四个部分组成：原材料的预处理；生物催化剂的制备； 生化反应器及其反应条件的选择和监控； 产物的分离纯化。2.生物反应工程的分类：酶促反应过程； 细胞反应过程（单一或多种微生物细胞培养，动植物细胞培养等）； 废水的生物处理过程3.生物反应过程各分类的特征：4.一般生物工程示意图：5.生物工程与化学工程的比较：.6. 生物反应动力学:生物反应动力学研究相关因素对反应速率的影响及其规律。具体包括如下内容：酶促反应动力学特点、 均相和多相系统

2、酶促反应动力学 酶的失活动力学； 微生物反应过程的质量与物量衡算 发酵动力学 微生物培养操作技术； 影响动植物细胞培养的因素 动植物细胞反应及其反应动力学7. 生物反应器：地位：生物技术转化为产业、生产力的关键设备，在生物反应过程中居于中心地位。 使用高效率的生物反应器目的：提高产品的生成率，减少有关辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大 的经济效益。注：由于生物反应的复杂性，加上外界的影响以及相关理论的不完善，目前生物反应器的形式还不能 适应生物反应过程多样性的需要8. 酶分为六类：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶、连接（或合成酶） 催化共性：降低反应活化能。 加快反应速率。

3、 反应的平衡常数不改变，只能加快反应到达平衡的速度。 反应中酶的立体结构和离子价态可能发生变化，但在反应结束时，酶本身一般不消耗， 恢复到原来状态 生物催化特性：酶具有很强的专一性： 底物专一性、反应专一性、立体专一性 催化效率高 酶易失活，反应条件是常温、常压等温 酶的催化活力与辅酶、辅基及金属子有关； 酶活性受到浓度参数、激素的量、反馈抑制等因素的调节和控制9.酶的调节功能：酶不仅是生物催化剂，而且具有调节功能。酶活力的控制是代谢调节作用的主要方式。 酶活力的调节方式：激素调节；抑制剂调节；反馈调节；酶浓度的调节； 共价修饰调节；金属离子和其它小分子化合物的调节； 限制性蛋白水解作用与酶活

4、性调控 酶还是一类多用途的催化剂，通过特殊的操作，可产生两种或更多种不同的功能的酶。 酶的区域化和多酶复合体等都和酶的活力调节控制有密切关系10. 引起酶失活的原因：多肽的撕裂 酶的高级结构发生变化 酶活性中心特定氨基酸（或其它残基）被化学修饰； 外部环境的影响，酶活性中心出现空间障碍，使其不能与底物相结合； 确保酶活力稳定的方法：低温，冰冻保存：化学物质或蛋白酶的侵害不易发生； 添加一些盐类：高浓度盐类加入以后，酶的高级结构相对稳定些； 添加底物：可以保护酶的活性中心，所以酶就稳定； 添加有机溶剂：可以使酶分子构象的刚性增强，不容易失活； 加入蛋白质：因为酶一般是蛋白质，当加入蛋白质后，蛋白

5、酶侵害的时候， 会保护酶 加入强变性剂：不是降解酶，而是使酶变性到一定程度，保留酶的一级结构， 然后去除变性剂，酶可以再生。 结晶化：结晶化的酶的高级结构就容易稳定； 固定化：防止或减少蛋白酶作用 化学修饰：可以保护酶的活性中心，使酶的结构稳定；11. 应用范围：工业用酶、食品用酶、医药用酶 注：酶是以活力，而不是以质量购销的 酶有不同的质量等级 实际应用酶时需要注意，没有必要使用比工艺条件所需纯度更高的酶。14. 酶应用特点：经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓 度较低，且为水溶液，酶学研究的目的，是探讨酶促反应的机制。 工业上，为保证酶促反应高效率完

6、成，常常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应需 要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时反应是在有机溶剂中进行的。 有机底物在有机溶剂中有较大的溶解度，在有机溶剂中的酶热稳定性，和储存稳定性比在 水中有明显提高； 在有机溶剂中，某些反应过程的热力学平衡可以向期望方向移动，可以发生水溶液中不可 能进行的反应，如脂肪酶酯交换和酯合成反应。 在有机溶剂中，酶分子构象表现出比水溶液中更有刚性的特点，因而可以通过选择不同性 质的溶剂来调控酶的某些选择性。 产物的分离和纯化比在水中更容易。 另外酶不同于有机溶剂，因此有利于酶的回收和再利用11.酶催化活力的定义：在一定条件下，1min能催化1mol底物

7、时所需要的酶量为一个国际单位（IU）。 一个kat单位定义：在最适条件下，1s催化1mol底物转化的酶量。 1kat=1mol/s=60106 mol/min=6107IU 酶的比活力：为每千克酶所具有的katal数，即katal/kg.利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程1. 酶促反应的特征：基于酶自身的特性，酶促反应是在常温、常压、中性范围（个别除外）条件下进行 的，与一些化学反应相比，省能，且效率较高。 由于酶促反应的专一性，无或少有副产物生成，有利于提取操作； 与微生物反应相比，反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制等。 不足：酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，

8、与微生物反应体系相比，在经 济上并不理想。 虽然酶促反应条件比较温和，但周期较长，易污染杂菌 固定化酶反应体系有优于游离酶促反应体系的优点，但固定化酶并非一定就是最优 质的生物催化剂。2.酶促反应与化学反应的主要区别： 酶促反应 化学反应 反应条件 温和 激烈 反应时间 较长 时间短 生物相容性 好 较差 反应体积 较大 较小 可持续性 较强 较差 与环境友好性 较强 较差3.生物化学酶促反应与工业酶促反应的异同点：3.单底物酶促反应动力学 米氏方程：r=(rmax*S)/(Km+S)；只适用于单底物酶促反应不存在抑制的情况。 根据酶-底物中间复合物假说，对单底物酶促反应，其反应机制可表示为：

9、E+SESE+P快速平衡法的三点假设：酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完成的。 底物浓度S远大于酶的浓度E，因此ES的形成不会降低底物浓度S，底物浓 度以初始浓度计算。 不考虑P+EES这个可逆反应的存在。 ES在反应开始后与E及S迅速达到动态平衡稳态法推导动力学方程的几点假设：酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完成的。 底物浓度S远大于酶的浓度E，因此ES的形成不会降低底物浓度 S，底物浓度以初始浓度计算。 在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+EES这个可逆反应的速率 极小，可以忽略不计。 ES的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化利用稳态法建立的米氏

10、方程出现的三种情况：当SKm时，相对S来说，呈零级反应特征 当S接近Km时，反应体系随底物浓度而变动于零级和一级反应之间。4.零级反应：把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应。5.米氏常数Km的意义：Km值代表反应速率达到Vmax/2时的底物浓度。 Km是酶的一个特性常数，Km的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。但 底物种类、反应温度、pH和离子强度等因素会影响Km值。因此可以用Km值来 鉴别酶。 Km值可以判断酶的专一性和天然底物。 当k+2k-1时， Km KS ，那么Km可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度 量，表示酶和底物结合的亲合力大小米氏方程中饱和常数的倒数1/Ks可表示酶与底物亲和力的大小。它的值越大，表示酶与底物亲和力越（ ）稳态学说中所谓的稳态是指中间复合物ES的生成速率与分解速率相等，达到动态平衡。（）6.抑制：由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变性，而引起酶活力的降低或丧失，称为抑制作用。.7. 效应物：凡能使酶分子发生别构作用的物质叫效应物，通常为小分子代谢物或辅因子。 负效应物：因别构导致酶活性降低的物质称为。简单酶动力学推导：主要是两种方法，即Michaelis-Menten 法和Briggs-Haldane法。前者采用快速平衡 的假设，中间产物生成速度远大于产物生成速度；后者采