生化反应工程基础知识

《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月本章内容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6.36.4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①原料预处理；②生物催化剂制备及生化反应；③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aμmol/(min·μmol），则一个酶单位可表示为1/aμmol/(min·μmol)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化相比较，，酶催化有有如下特点点：6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学5酶催化特点点：酶的催化效效率高：通通常比非酶酶催化高107~1013倍。？酶催化降低了从底底物到过渡态络合合物所需的的活化能，且不改变变反应中总能量的变变化。专一性酶对底物的的专一性底物结构专专一性立体专一性性酶对基团的的专一性②酶催催化反应具具有高度的的专一性：：酶对反应的的专一性6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学5酶催化特点点：SP1P2P3E1E2E36.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学③反应应条件温和和；④选择择性高，副副产物少，，易于分离离；对环境因素素敏感，具具有适宜的的反应温度度、pH、离子强强度等等。5酶催化特点点：反应温度：：酶催化反反应速率与与温度曲线线呈钟罩形形。反应pH：影响酶与与底物结合合和解离的的速率；甚甚至影响酶的空间结结构6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学6影响酶催化化反应速率率的因素：：③酶酶浓度、底底物浓度、、产物浓度度、离子强强度和抑制制剂等。对于典型的的单底物酶酶催化反应应：反应机理可可表示为：：6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学二单底物酶催催化反应动动力学——米氏方程一定条件下下，反应速速率r与底物浓度度[S]关系：通过米氏方方程(Michaelis-MentenEquation)定量描述反反应速率与与底物浓度的的关系：cS为底物S的浓度；rmax=k2cE0是最大反应速速率(所有酶分子子均与底物物结合)，其中cE0为酶的初始始浓度；6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学，称为米氏氏常数，表表示酶和底物间的亲和和力大小：Km越小，则亲亲和力越大大，[ES]越不易解离离；Km与酶催化反反应物系的的特性及其其反应条件件有关，是是酶催化反应应性质的特特性常数。底物浓度与与酶催化反反应速率的的关系当cSKm时，底物浓浓度低，一一级反应；；当底物浓度度为中间值值时，随着着cS增大反应从一级向向零级过渡渡，为变级级数过程。。6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学当cSKm时，底物浓浓度高，零零级反应；；当Km=cS时，r=rmax/2Km数值上等于于反应速率率为rmax/2时cS的值。6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学米氏方程变变形公式——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图6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学例题分析例题（P251）：在pH为5.1及15℃下，测得得葡萄糖淀淀粉酶水解解麦芽糖的初初速率与麦麦芽糖浓度度的关系如如下：求：该淀粉粉酶水解麦麦芽糖反应应的Km和rmax？酶催化反应应中，某些些物质（外外源物质、、反应底物物或产物等等）的存在在使反应速率率下降，这这些物质被被称作抑制剂(I,Inhibitor)，其效应称称为抑制作用。可逆抑制：：酶与抑制制剂之间靠靠非共价键结合，存在在解离平衡，可通通过透析等等方法除去去不可逆抑制制：酶与抑抑制剂之间间靠共价键相结合，使使活性酶浓度降低根据抑制机机理不同，，可逆抑制制分为：竞争性抑制制、非竞争争性抑制、、反竞争性性抑制、底底物抑制。。6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学三有抑制作用用时的酶催催化反应动动力学抑制作用1竞争性抑制制当抑制物与与底物的结结构类似时时，它们将将竞争酶的的同一可结结合部位（（活性位），阻阻碍了底物物与酶相结结合，导致致酶催化反反应速率降降低。6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学KI表示抑制物物与酶的亲亲和力大小小；可增加底物物浓度来提提高反应速速率。KmI为有竞争性性抑制时的的米氏常数数。其中，1竞争性抑制制抑制物与酶酶的非活性性部位结合合，形成抑抑制物—酶的络合物物后再与底底物结合，或者者部分底物物—酶络合物与与抑制物结结合，所形形成的底物物—酶—抑制物不能直直接生成产产物，导致致酶催化反反应速率降降低。2非竞争性抑抑制6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学非竞争性抑抑制时的最最大速率：：增加反应物物浓度也不不能减弱非非竞争性抑抑制物对反应速速率的影响响。2非竞争性抑抑制有些抑制剂剂不能直接接与游离酶酶相结合，，而只能与与底物-酶络合物相相结合，形成成底物—酶—抑制剂中间间络合物，，且该络合合物不能生生成产物，，使酶催化反反应速率下下降。3反竞争性抑抑制6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学3反竞争性抑抑制酶催化反应应速率随底底物浓度的的升高先增增大后降低低，高浓度度底物造成成反应速率下下降。底物物抑制是由由于多个底底物分子与与酶的活性性中心结合合，所形成的络合合物不能分分解为产物物所致。4底物抑制6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学酶催化反应应速率与底底物浓度关关系不是双双曲函数，，而是抛物物线关系。。6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学，底物抑制制时的解离离常数对cS求导，令，得底物抑制时时r-cS关系(optimal)4底物抑制rmax6.2生化反应动动力学基础础酶催化反应应及其动力力学有/无抑制作用用时的酶催催化反应动动力学对比比无抑制竞争性抑制制非竞争性抑抑制反竞争性抑抑制底物抑制KmrmaxcS,则r？rmaxKmrmaxKmKmXX微生物反应应(发酵过程)是利用微生生物中特定定的酶系进进行的复杂生化反反应过程。。厌氧发酵（（乙醇发酵酵、丙酮丁丁醇发酵和和乳酸发酵酵等）通气发酵（（抗生素发发酵、氨基基酸发酵等等）发酵产品种种类微生物细胞胞本身微生物代谢谢产物或转转化产物微生物酶代谢过程本本身（如废废水处理））6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学对氧气的需需求微生物反应应包括以下下过程：质量传递过过程：营养养物质向微微生物细胞胞内的传递递和代谢产产物向细胞胞外的传递；氧氧气扩散与与传递微生物细胞胞生长与代代谢过程；；微生物群体体的退化与与变异过程程。以代谢产物物为目标产产物的微生生物反应过过程中，生生化反应速率及其影影响因素：：1细胞生长速速率；2基质消耗速速率；3产物生成速速率；4氧的消耗速速率。6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学细胞的生长长速率rx：在单位体体积培养液液中，单位位时间内生生成的细胞胞（菌体）量量，即：在给定条件件下，细胞胞生长可以以用细胞浓浓度变化来来定量描述述。V为培养液体体积，mx为细胞质量量。对于恒恒容过程，，细胞的生生长速率可定义为：：cx为细胞浓度度，常用单单位体积培培养液中所所含细胞干干重表示。。6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学一细胞生长动动力学均衡生长类类似于一级级自催化反反应，以细细胞干重增增加为基准准的生长速率与细胞胞浓度成正正比，比例例系数为μ，即μ表示单位菌菌体浓度的的细胞生长长速率，是是描述细胞胞生长速率率的一个重要参数，，称为比生长速率率。比生长速速率大小表表示菌体增增长的能力力，受到菌株和各各种物理化化学环境因因素的影响响。6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学在细胞间歇歇培养中的的比生长速速率为cx0为起始菌体体浓度。6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学当细胞处于于指数生长长期时，μ一般为常数数，所以针对确定的的菌株，在在温度和pH等恒定时，，细胞比生生长速率与与限制型底物浓度的关系可以以用Monod方程表示。。6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学细胞的生长长均为均衡衡性生长，，描述细胞胞生长的唯唯一变量是是细胞浓度度；培养基中仅仅有一种底底物是细胞胞生长限制制性基质，，其余组分分均过量，，其变化不影影响细胞生生长。③将将细胞生长长视为单一一反应，且且对基质的细细胞收率Yx/S为常数。Yx/S为每消耗单单位质量基基质所生成成的细胞质质量。Monod方程假设：：6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学cS为限制性基基质的浓度度（g/L）；μmax为最大比生生长速率（（h-1）;Ks为饱和系数数（g/L），即Monod常数，其值值等于最大大比生长速速率一半时限制制性基质的的浓度，是是表征某种种生长限制制性基质与与细胞生长长速率间依赖赖关系的一一个常数。。Monod方程：，由于得到当cSKs时，，一级动力力学关系；；μ≈μmax，零级动力力学关系。。6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学当cSKs时，细胞比生长长速率与限限制性底物物浓度关系系6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学例题分析例题(P259)：在全混流流反应器中中，以葡萄萄糖为限制制性基质，，在一定条条件下培养曲霉sp。实验测得得不同基质质浓度下曲曲霉sp比生长速率率如下所示示：cS(mg/L)50025012562.531.215.67.8μ×102/h-19.547.725.583.592.091.140.6若该条件下下曲霉sp生长符合Monod方程，试求求该条件下下的μmax和KS。基质的比消消耗速率qS：单位细胞浓浓度的基质质消耗速率率。产物的比生生成速率qP:单位细胞浓浓度产物的的生成速率率。6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学二基质消耗动动力学基质消耗速速率：在单位体积积培养基单单位时间内内消耗基质质(碳源、氮源、氧等等)的质量。以以单一限制制性基质消消耗动力学学为例：在间歇培养养中基质消消耗速率为为：6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学三产物生成动动力学根据产物形形成与细胞胞生长间的的不同关系系,发酵过程可可分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型：细胞生生长与产物物合成耦联联型，即细胞生生长与产物物合成直接接相关连，，它们之间是是同步的。。YP/x：单位质量量细胞单位位时间内产产物的得率率。主要是葡萄萄糖代谢的的初级中间间产物，如乙醇、乳乳酸发酵等等6.2生化反应动动力学基础础微生物的反反应过程动动力学Ⅱ型：细胞生生长与产物物合成半耦耦联型，即产物的的生成与细细胞的生长长部分耦联，细胞胞生长前期期基本无产产物生成，，一旦有产产物生成后后，产物的的生成速率率既与细胞生生长有关，，又与细菌菌浓度有关关。(α、β为常数)谷氨酸发酵酵和柠檬酸酸发酵等。。Ⅲ型：细胞生生长与产物物合成非耦耦联型，即产物的