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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,6.3,6.4,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,(,E,nzyme),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(,E,nzyme),酶；,S(,S,ubstrate),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(,P,roduct),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,10,7,10,13,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：,S,P,1,P,2,P,3,E,1,E,2,E,3,6.2,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：,c,S,为底物,S,的浓度；,r,max,=,k,2,c,E0,是,最大反应速率,(,所有酶分子均与底物结合,),，,其中,c,E0,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,：,K,m,越小，则亲和力越大，,ES,越不易解离；,K,m,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,c,S,K,m,时，底物浓度低，一级反应；,当底物浓度为中间值时，随着,c,S,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,c,S,K,m,时，底物浓度高，零级反应；,当,K,m,=,c,S,时，,r,=,r,max,/2,K,m,数值上等于反应速率为,r,max,/2,时,c,S,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）,斜率,K,m,/,r,max,截距,1/,r,max,截距,1/,K,m,截距,1/,K,m,酶催化,L-B,图,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,K,m,和,r,max,？,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,K,I,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。,K,mI,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,c,S,求导，令,，得,底物抑制时,r,-,c,S,关系,(optimal),4,底物抑制,r,max,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,K,m,r,max,c,S,则,r,？,r,max,K,m,r,max,K,m,K,m,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,r,x,：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，,m,x,为细胞质量。对于恒容过程
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