生化反应工程基础知识.pptx

《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月本章内容概述概述6.16.1生化反应工程基础知识；生化反应工程特点；生化反应工程基础知识；生化反应工程特点；6.26.2生化反应动力学基础生化反应动力学基础酶催化反应及其动力学；微生物反应及其动力学；酶催化反应及其动力学；微生物反应及其动力学；6.3固定化生物催化剂酶和细胞的固定化；固定化生物催化剂的催化动力学；6.4生化反应器生化反应器类型；生化反应器计算6.1 概述6.1.1 生化反应工程基础知识生化反应 工程化学反应 工程生物化学 工程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 概述6.1.1 生化反应工程基础知识研究内容：？ 反应工程研究内容生化反应动力学反应工程生化生化反应器设计与分析研究对象：生物催化剂与生化反应、生化反应器设计与分析6.1 概述生物催化剂：游离酶或固定化酶、游离细胞或固定化细胞。生化反应：由生物催化剂催化的反应。包括三个过程：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。生物技术： 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。6.1 概述6.1.2 生化反应工程特点与化学反应过程相比较，生化反应过程具备以下特点：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。6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学一、 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。单纯蛋白质组 成 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2酶的特性 ：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3酶催化反应历程 ：以单底物S生成产物P的酶催化反应为例，其反应历程为：E (Enzyme), 酶；S (Substrate), 底物；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4酶的活性定义： 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 μmol /(min· μmol ），则一个酶单位可表示为 1/a μmol/(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5酶催化特点：与化学催化相比较，酶催化有如下特点：？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。酶催化与化学催化反应能量变化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：② 酶催化反应具有高度的专一性：E1P1酶对反应的专一性SP2E2E3P3底物结构专一性专一性酶对底物的专一性立体专一性酶对基团的专一性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：③ 反应条件温和；④ 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。 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： 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③ 酶浓度、底物浓度、产物浓度、离子强度和抑制剂