化学反应工程生化反应工程基础学习PPT教案.pptx

微生物的反应过程动力学; 10.1 概述 ; 10.2 酶催化反应 ; 酶在参与反应时如同化学催化剂一样，参与反应决不会改变反应的自由能，亦即不会改变反应的平衡，只能降低反应的活化能，加快反应达到平衡的速度，使反应速率加快。反应终了时，酶本身并不消耗，且恢复到原来的状态，其数量与性能都不改变，前提是不能改变酶的蛋白质性质。 以单底物Ｓ生成产物Ｐ的酶催化反应为例，Ｅ表示游离酶，其反应历程为;;与化学催化相比较，酶催化具有下述特点： ①酶的催化效率高 ②酶催化反应具有高度的专一性，它包括酶对反应的专一性和酶对底物的专一性。 ③酶催化反应的反应条件温和，无需高温和高压。 ④酶催化反应有其适宜的温度、ｐＨ、溶剂的介电常数和离子强度等。 影响酶催化反应速率的因素很多，它们分别是酶浓度、底物浓度、产物浓度、温度、酸碱度、离子强度和抑制剂等。; 对于典型的单底物酶催化反应，例如 其反应机理可表示为; 由Michaelis Menten的快速平衡法或Briggs Haldane的拟定态法假设，推导得到的米氏方程定量描述了底物浓度与反应速率的关系，即 米氏方程为双曲函数，如图10-2所示。起始酶浓度一定时，不同底物浓度呈现的反应级数不同。当 时，底物浓度很低，反应呈现一级； 时，底物浓度高，反应呈现零级，即r与 大小无关，趋于定值 ；底物浓度为中间值时，随着 增大反应从一级向零级过渡，为变级数过程。; 例10-1　在ｐＨ为5.1及15℃等温下，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： 试求该淀粉酶水解麦芽糖反应的 和 。;解：　将米氏方程线性化，经重排得 由此式可知， 为线性关系，故可根据题给出数据计算 值，列于表中。利用线性最小二乘法，将表10-1的数据代入前式，回归得 所以; 酶催化反应中，某些物质的存在使得反应速率下降，这些物质称为抑制剂，其效应称为抑制作用。抑制作用可分为两类，即可逆性抑制与不可逆性抑制。不可逆性抑制将使活性酶浓度减少，若抑制物浓度超过酶浓度时，则酶完全失活；当酶与抑制物之间靠非共价键相???合时称为可逆性抑制。根据产生的抑制机理不同，可逆性抑制又可分为三种类型，即竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。; ;（２）非竞争性抑制 有些抑制物往往与酶的非活性部位相结合，形成抑制物—酶的络合物后会进一步再与底物结合；或是酶与底物结合成底物—酶络合物后，其中有部分再与抑制物结合。 ;（３）反竞争性抑制 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。;（４）底物抑制 有些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。; 10.3 微生物的反应过程动力学 ; 细胞的生长速率 定义为：在单位体积培养液中，单位时间内生成的细胞（亦称菌体）量，即 均衡生长类似于一级自催化反应，以细胞干重增加为基准的生长速率与细胞浓度成正比，其比例系数为μ，即;; 在间歇培养中基质消耗速率为 表示单位细胞浓度的基质消耗速率，即 表示单位细胞浓度产物的生成速率，即; Gaden根据产物形成与细胞生长间的不同关系，将发酵分为三种类型，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型称为细胞生长与产物合成偶联型。Ⅱ型称为细胞生长与产物合成半偶联型。Ⅲ型称为细胞生长与产物合成非偶联型。; 氧的消耗速率亦称摄氧率（OUR），它表示单位体积培养液中，细胞在单位时间内消耗（或摄取）的氧量，即 描述氧消耗速率的一个重要参数是比耗氧速率 ，亦称呼吸强度。它表示单位菌体浓度的氧消耗速率，即 对于一般微生物反应，氧消耗量=基质燃烧需氧量-细胞燃烧需氧量-代谢产物燃烧需氧量; 10.4 固定化生物催化剂 ; 固定化酶是将酶固定在载体或限制在一定局部空间范围内，经固定化的酶虽然可以克服游离酶的缺点，但尚需进行提取与纯化，才能得到酶，且固定化酶只适用于简单的酶反应。固定化酶和固定化细胞统称为固定化生物催化剂。 固定化细胞是指将细胞固定在载体上或限制在一定局部空间范围内。按细胞的生理状态，固定化细胞可分为固定化死细胞，固定化休止细胞和固定化增殖细胞。; 酶和细胞的固定化方法很多，通常有吸附法，包埋法，共价结合法和交联法。 （１）吸附法　有表面法和细胞聚集法两种。 （２）包埋法　是细胞或酶固定化最常用的方法，它是将酶或细胞固定在高分子化合物的三维网状结构中。现有三种包埋法，即凝胶包埋法、微胶囊包埋法和纤维包埋法。 （３）共价结合法 （４）交联法;; 10.5 生化反应器 ; 一般生化反应器