生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)知識

《制藥反應(yīng)工程》

第六章生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)趙瑞芬周華從2015年11月本章內(nèi)容生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)知識；生化反應(yīng)工程特點；酶催化反應(yīng)及其動力學(xué)；微生物反應(yīng)及其動力學(xué)；6.1概述6.2生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)固定化生物催化劑生化反應(yīng)器酶和細(xì)胞的固定化；固定化生物催化劑的催化動力學(xué)；生化反應(yīng)器類型；生化反應(yīng)器計算6.36.4生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)知識；生化反應(yīng)工程特點；酶催化反應(yīng)及其動力學(xué)；微生物反應(yīng)及其動力學(xué)；6.1概述6.2生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)6.1概述生化反應(yīng)

工程生物化學(xué)

工程化學(xué)反應(yīng)

工程使用生物催化劑；生物技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)

化的關(guān)鍵之一。生化反應(yīng)本質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)；用化學(xué)反應(yīng)工程的原理和方法解決生化反應(yīng)問題生化反應(yīng)工程——將化學(xué)反應(yīng)工程的原理和方法用于生化反應(yīng)及生化反應(yīng)器設(shè)計、分析及確定最優(yōu)操作條件的一門科學(xué)分支。6.1.1生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)知識研究對象：生物催化劑與生化反應(yīng)、生化反應(yīng)器設(shè)計與分析6.1概述反應(yīng)工程研究內(nèi)容反應(yīng)工程反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)器設(shè)計與分析研究內(nèi)容：？生化生化生化6.1.1生化反應(yīng)工程基礎(chǔ)知識游離酶或固定化酶、游離細(xì)胞或固定化細(xì)胞。6.1概述①原料預(yù)處理；②生物催化劑制備及生化反應(yīng)；③產(chǎn)品分

離與純化。應(yīng)用生物學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)的基本原理，利用生物體

（如微生物、動/植物細(xì)胞）或其組成部分（如酶或細(xì)

胞器)來生產(chǎn)有用物質(zhì)，或為人類提供某種服務(wù)的技術(shù)。生物催化劑：生化反應(yīng)：生物技術(shù)：由生物催化劑催化的反應(yīng)。包括三個過程：與化學(xué)反應(yīng)過程相比較，生化反應(yīng)過程具備以下特點：6.1概述6.1.2生化反應(yīng)工程特點生物催化劑除單酶體系外，多酶或微生物細(xì)胞催化體系復(fù)雜；通常為氣—液—固多相系統(tǒng)，反應(yīng)物系復(fù)雜，；具有反應(yīng)條件溫和、催化專一性強和反應(yīng)選擇性高的優(yōu)點；生物催化劑對環(huán)境敏感，對反應(yīng)器的構(gòu)造和過程控制要求較高；反應(yīng)速率通常受到反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度的限制，且所需反應(yīng)器體積較大。一、

酶的概述1酶的分類：酶(Enzyme)是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化活性和高度

選擇性的特殊蛋白質(zhì)。組成單純蛋白質(zhì)酶蛋白分子與輔助因子組成——全酶酶的分類：按照酶催化反應(yīng)類型，分為：氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶和合成酶參考：《生物化學(xué)》，王鏡巖等，第三版，北京大學(xué)出版社6.2生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)6.2.1酶催化反應(yīng)及其動力學(xué)酶具有一般化學(xué)催化劑所具有的性質(zhì)。降低反應(yīng)的活化能；不影響反應(yīng)的平衡常數(shù)；加速反應(yīng)的進(jìn)行；酶本身不被消耗，且能恢復(fù)到原來的狀態(tài)。酶同時具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)。需要適宜的反應(yīng)溫度、pH、溶劑的介電常數(shù)、離子強度等，極易受到物理因素和化學(xué)因素的影響，容易失活甚至變性。6.2生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)6.2.1酶催化反應(yīng)及其動力學(xué)2酶的特性：E(Enzyme),酶；S(Substrate),底物；以單底物S生成產(chǎn)物P的酶催化反應(yīng)為例，其反應(yīng)歷程為：P(Product),產(chǎn)物；酶和底物非共價鍵結(jié)合，形成酶-底物中間絡(luò)合物[ES]；[ES]絡(luò)合物解離，生成產(chǎn)物P并釋放E,開始下一個底物

的反應(yīng)。6.2生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)6.2.1酶催化反應(yīng)及其動力學(xué)3酶催化反應(yīng)歷程：酶的活性：即酶催化反應(yīng)速率，在規(guī)定條件下，每微摩爾酶每分鐘催化底物轉(zhuǎn)化的微摩爾數(shù)。酶單位：在規(guī)定條件下，每分鐘催化1微摩爾底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量，定義為一個酶單位（U,Unit）。二者關(guān)系：若酶的活性為aμmol/(min·μmol），則一個酶單位可表示為1/aμmol/(min·μmol)6.2生化反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)6.2.1酶催化反應(yīng)及其動力學(xué)4酶的活性定義：酶催化與化學(xué)催化反應(yīng)能量變化與化學(xué)催化化相比較，，酶催化有有如下特點點：6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)5酶催化特點點：酶的催化效效率高：通通常比非酶酶催化高107~1013倍。？酶催化降低了從底底物到過渡態(tài)絡(luò)合合物所需的的活化能，且不改變變反應(yīng)中總能量的變變化。專一性酶對底物的的專一性底物結(jié)構(gòu)專專一性立體專一性性酶對基團(tuán)的的專一性②酶催催化反應(yīng)具具有高度的的專一性：：酶對反應(yīng)的的專一性6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)5酶催化特點點：SP1P2P3E1E2E36.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)③反應(yīng)應(yīng)條件溫和和；④選擇擇性高，副副產(chǎn)物少，，易于分離離；對環(huán)境因素素敏感，具具有適宜的的反應(yīng)溫度度、pH、離子強強度等等。5酶催化特點點：反應(yīng)溫度：：酶催化反反應(yīng)速率與與溫度曲線線呈鐘罩形形。反應(yīng)pH：影響酶與與底物結(jié)合合和解離的的速率；甚甚至影響酶的空間結(jié)結(jié)構(gòu)6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)6影響酶催化化反應(yīng)速率率的因素：：③酶酶濃度、底底物濃度、、產(chǎn)物濃度度、離子強強度和抑制制劑等。對于典型的的單底物酶酶催化反應(yīng)應(yīng)：反應(yīng)機理可可表示為：：6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)二單底物酶催催化反應(yīng)動動力學(xué)——米氏方程一定條件下下，反應(yīng)速速率r與底物濃度度[S]關(guān)系：通過米氏方方程(Michaelis-MentenEquation)定量描述反反應(yīng)速率與與底物濃度的的關(guān)系：cS為底物S的濃度；rmax=k2cE0是最大反應(yīng)速速率(所有酶分子子均與底物物結(jié)合)，其中cE0為酶的初始始濃度；6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)，稱為米氏氏常數(shù)，表表示酶和底物間的親和和力大?。篕m越小，則親親和力越大大，[ES]越不易解離離；Km與酶催化反反應(yīng)物系的的特性及其其反應(yīng)條件件有關(guān)，是是酶催化反應(yīng)應(yīng)性質(zhì)的特特性常數(shù)。底物濃度與與酶催化反反應(yīng)速率的的關(guān)系當(dāng)cSKm時，底物濃濃度低，一一級反應(yīng)；；當(dāng)?shù)孜餄舛榷葹橹虚g值值時，隨著著cS增大反應(yīng)從一級向向零級過渡渡，為變級級數(shù)過程。。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)當(dāng)cSKm時，底物濃濃度高，零零級反應(yīng)；；當(dāng)Km=cS時，r=rmax/2Km數(shù)值上等于于反應(yīng)速率率為rmax/2時cS的值。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)米氏方程變變形公式——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圖6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)例題分析例題（P251）：在pH為5.1及15℃下，測得得葡萄糖淀淀粉酶水解解麥芽糖的初初速率與麥麥芽糖濃度度的關(guān)系如如下：求：該淀粉粉酶水解麥麥芽糖反應(yīng)應(yīng)的Km和rmax？酶催化反應(yīng)應(yīng)中，某些些物質(zhì)（外外源物質(zhì)、、反應(yīng)底物物或產(chǎn)物等等）的存在在使反應(yīng)速率率下降，這這些物質(zhì)被被稱作抑制劑(I,Inhibitor)，其效應(yīng)稱稱為抑制作用?？赡嬉种疲海好概c抑制制劑之間靠靠非共價鍵結(jié)合，存在在解離平衡，可通通過透析等等方法除去去不可逆抑制制：酶與抑抑制劑之間間靠共價鍵相結(jié)合，使使活性酶濃度降低根據(jù)抑制機機理不同，，可逆抑制制分為：競爭性抑制制、非競爭爭性抑制、、反競爭性性抑制、底底物抑制。。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)三有抑制作用用時的酶催催化反應(yīng)動動力學(xué)抑制作用1競爭性抑制制當(dāng)抑制物與與底物的結(jié)結(jié)構(gòu)類似時時，它們將將競爭酶的的同一可結(jié)結(jié)合部位（（活性位），阻阻礙了底物物與酶相結(jié)結(jié)合，導(dǎo)致致酶催化反反應(yīng)速率降降低。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)KI表示抑制物物與酶的親親和力大小??；可增加底物物濃度來提提高反應(yīng)速速率。KmI為有競爭性性抑制時的的米氏常數(shù)數(shù)。其中，1競爭性抑制制抑制物與酶酶的非活性性部位結(jié)合合，形成抑抑制物—酶的絡(luò)合物物后再與底底物結(jié)合，或者者部分底物物—酶絡(luò)合物與與抑制物結(jié)結(jié)合，所形形成的底物物—酶—抑制物不能直直接生成產(chǎn)產(chǎn)物，導(dǎo)致致酶催化反反應(yīng)速率降降低。2非競爭性抑抑制6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)非競爭性抑抑制時的最最大速率：：增加反應(yīng)物物濃度也不不能減弱非非競爭性抑抑制物對反應(yīng)速速率的影響響。2非競爭性抑抑制有些抑制劑劑不能直接接與游離酶酶相結(jié)合，，而只能與與底物-酶絡(luò)合物相相結(jié)合，形成成底物—酶—抑制劑中間間絡(luò)合物，，且該絡(luò)合合物不能生生成產(chǎn)物，，使酶催化反反應(yīng)速率下下降。3反競爭性抑抑制6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)3反競爭性抑抑制酶催化反應(yīng)應(yīng)速率隨底底物濃度的的升高先增增大后降低低，高濃度度底物造成成反應(yīng)速率下下降。底物物抑制是由由于多個底底物分子與與酶的活性性中心結(jié)合合，所形成的絡(luò)合合物不能分分解為產(chǎn)物物所致。4底物抑制6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)酶催化反應(yīng)應(yīng)速率與底底物濃度關(guān)關(guān)系不是雙雙曲函數(shù)，，而是拋物物線關(guān)系。。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)，底物抑制制時的解離離常數(shù)對cS求導(dǎo)，令，得底物抑制時時r-cS關(guān)系(optimal)4底物抑制rmax6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)酶催化反應(yīng)應(yīng)及其動力力學(xué)有/無抑制作用用時的酶催催化反應(yīng)動動力學(xué)對比比無抑制競爭性抑制制非競爭性抑抑制反競爭性抑抑制底物抑制KmrmaxcS,則r？rmaxKmrmaxKmKmXX微生物反應(yīng)應(yīng)(發(fā)酵過程)是利用微生生物中特定定的酶系進(jìn)進(jìn)行的復(fù)雜生化反反應(yīng)過程。。厭氧發(fā)酵（（乙醇發(fā)酵酵、丙酮丁丁醇發(fā)酵和和乳酸發(fā)酵酵等）通氣發(fā)酵（（抗生素發(fā)發(fā)酵、氨基基酸發(fā)酵等等）發(fā)酵產(chǎn)品種種類微生物細(xì)胞胞本身微生物代謝謝產(chǎn)物或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物微生物酶代謝過程本本身（如廢廢水處理））6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)對氧氣的需需求微生物反應(yīng)應(yīng)包括以下下過程：質(zhì)量傳遞過過程：營養(yǎng)養(yǎng)物質(zhì)向微微生物細(xì)胞胞內(nèi)的傳遞遞和代謝產(chǎn)產(chǎn)物向細(xì)胞胞外的傳遞；氧氧氣擴散與與傳遞微生物細(xì)胞胞生長與代代謝過程；；微生物群體體的退化與與變異過程程。以代謝產(chǎn)物物為目標(biāo)產(chǎn)產(chǎn)物的微生生物反應(yīng)過過程中，生生化反應(yīng)速率及其影影響因素：：1細(xì)胞生長速速率；2基質(zhì)消耗速速率；3產(chǎn)物生成速速率；4氧的消耗速速率。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)細(xì)胞的生長長速率rx：在單位體體積培養(yǎng)液液中，單位位時間內(nèi)生生成的細(xì)胞胞（菌體）量量，即：在給定條件件下，細(xì)胞胞生長可以以用細(xì)胞濃濃度變化來來定量描述述。V為培養(yǎng)液體體積，mx為細(xì)胞質(zhì)量量。對于恒恒容過程，，細(xì)胞的生生長速率可定義為：：cx為細(xì)胞濃度度，常用單單位體積培培養(yǎng)液中所所含細(xì)胞干干重表示。。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)一細(xì)胞生長動動力學(xué)均衡生長類類似于一級級自催化反反應(yīng)，以細(xì)細(xì)胞干重增增加為基準(zhǔn)準(zhǔn)的生長速率與細(xì)胞胞濃度成正正比，比例例系數(shù)為μ，即μ表示單位菌菌體濃度的的細(xì)胞生長長速率，是是描述細(xì)胞胞生長速率率的一個重要參數(shù)，，稱為比生長速率率。比生長速速率大小表表示菌體增增長的能力力，受到菌株和各各種物理化化學(xué)環(huán)境因因素的影響響。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)在細(xì)胞間歇歇培養(yǎng)中的的比生長速速率為cx0為起始菌體體濃度。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)當(dāng)細(xì)胞處于于指數(shù)生長長期時，μ一般為常數(shù)數(shù)，所以針對確定的的菌株，在在溫度和pH等恒定時，，細(xì)胞比生生長速率與與限制型底物濃度的關(guān)系可以以用Monod方程表示。。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)細(xì)胞的生長長均為均衡衡性生長，，描述細(xì)胞胞生長的唯唯一變量是是細(xì)胞濃度度；培養(yǎng)基中僅僅有一種底底物是細(xì)胞胞生長限制制性基質(zhì)，，其余組分分均過量，，其變化不影影響細(xì)胞生生長。③將將細(xì)胞生長長視為單一一反應(yīng)，且且對基質(zhì)的細(xì)細(xì)胞收率Yx/S為常數(shù)。Yx/S為每消耗單單位質(zhì)量基基質(zhì)所生成成的細(xì)胞質(zhì)質(zhì)量。Monod方程假設(shè)：：6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)cS為限制性基基質(zhì)的濃度度（g/L）；μmax為最大比生生長速率（（h-1）;Ks為飽和系數(shù)數(shù)（g/L），即Monod常數(shù)，其值值等于最大大比生長速速率一半時限制制性基質(zhì)的的濃度，是是表征某種種生長限制制性基質(zhì)與與細(xì)胞生長長速率間依賴賴關(guān)系的一一個常數(shù)。。Monod方程：，由于得到當(dāng)cSKs時，，一級動力力學(xué)關(guān)系；；μ≈μmax，零級動力力學(xué)關(guān)系。。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)當(dāng)cSKs時，細(xì)胞比生長長速率與限限制性底物物濃度關(guān)系系6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)例題分析例題(P259)：在全混流流反應(yīng)器中中，以葡萄萄糖為限制制性基質(zhì)，，在一定條條件下培養(yǎng)曲霉sp。實驗測得得不同基質(zhì)質(zhì)濃度下曲曲霉sp比生長速率率如下所示示：cS(mg/L)50025012562.531.215.67.8μ×102/h-19.547.725.583.592.091.140.6若該條件下下曲霉sp生長符合Monod方程，試求求該條件下下的μmax和KS?；|(zhì)的比消消耗速率qS：單位細(xì)胞濃濃度的基質(zhì)質(zhì)消耗速率率。產(chǎn)物的比生生成速率qP:單位細(xì)胞濃濃度產(chǎn)物的的生成速率率。6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)二基質(zhì)消耗動動力學(xué)基質(zhì)消耗速速率：在單位體積積培養(yǎng)基單單位時間內(nèi)內(nèi)消耗基質(zhì)質(zhì)(碳源、氮源、氧等等)的質(zhì)量。以以單一限制制性基質(zhì)消消耗動力學(xué)學(xué)為例：在間歇培養(yǎng)養(yǎng)中基質(zhì)消消耗速率為為：6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)三產(chǎn)物生成動動力學(xué)根據(jù)產(chǎn)物形形成與細(xì)胞胞生長間的的不同關(guān)系系,發(fā)酵過程可可分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型：細(xì)胞生生長與產(chǎn)物物合成耦聯(lián)聯(lián)型，即細(xì)胞生生長與產(chǎn)物物合成直接接相關(guān)連，，它們之間是是同步的。。YP/x：單位質(zhì)量量細(xì)胞單位位時間內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)物的得率率。主要是葡萄萄糖代謝的的初級中間間產(chǎn)物，如乙醇、乳乳酸發(fā)酵等等6.2生化反應(yīng)動動力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)微生物的反反應(yīng)過程動動力學(xué)Ⅱ型：細(xì)胞生生長與產(chǎn)物物合成半耦耦聯(lián)型，即產(chǎn)物的的生成與細(xì)細(xì)胞的生長長部分耦聯(lián)，細(xì)胞胞生長前期期基本無產(chǎn)產(chǎn)物生成，，一旦有產(chǎn)產(chǎn)物生成后后，產(chǎn)物的的生成速率率既與細(xì)胞生生長有關(guān)，，又與細(xì)菌菌濃度有關(guān)關(guān)。(α、β為常數(shù))谷氨酸發(fā)酵酵和檸檬酸酸發(fā)酵等。。Ⅲ型：細(xì)胞生生長與產(chǎn)物物合成非耦耦聯(lián)型，即產(chǎn)物的