化学反应工程第三版课件教学课件 作者 陈甘棠 主编第十章 生化反应工程基础.ppt

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1、微生物的反应过程动力学2概述1第10章生化反应工程基础酶催化反应固定化生物催化剂生化反应器34510.1概述利用生物催化剂来生产生物技术产品的过程通称为发酵，它可概括为两大类：酶催化反应及微生物发酵反应。辅因子有三类。①金属离子　它们是最简单的辅因子。②辅酶　很多酶是蛋白质部分和与它相结合的辅基所组成，这两部分经常是解离着的，这种酶称为全酶，其蛋白质部分称为酶蛋白，辅基部分称为辅酶。大多数辅酶属于维生素。③辅底物　它们包括NAD、NADP、辅酶Q、谷胱甘肽、ATP、辅酶A和四氢叶酸等。10.2酶

2、催化反应12酶的特性单底物酶催化反应动力学—米氏方程3有抑制作用时的酶催化反应动力学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10.2.1酶的特性10.2.1酶的特性与化学催化相比较，酶催化具有下述特点：①酶的催化效率高②酶催

3、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。10.2.1酶的特性对于典型的单底物酶催化反应，例如其反应机理可表示为10.2.2单底物酶催化反应动力学———米氏方程由MichaelisMenten的快速平衡法或BriggsHaldane的拟定态法假设，推导得到的米氏方程定

4、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。10.2.2单底物酶催化反应动力学———米氏方程例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。10.2.2单底物酶催化反应动力学———米氏

5、方程解：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10.2.2单底物酶催化反应动力学———米氏方程酶催化反应中，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结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

6、种类型，即竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。10.2.3有抑制作用时的酶催化反应动力学10.2.3有抑制作用时的酶催化反应动力学（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。（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。10.2.3有抑制作用时的酶催化反应动力学（３）反竞争性抑制有些抑制剂

7、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。10.2.3有抑制作用时的酶催化反应动力学（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。10.2.3有抑制作用时的酶催化反应动力学10.3微生物的反应过程动力学12细胞生长动力学基质消耗动力学3产物生成动力学4氧的消耗速率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

8、系数为μ，即10.3.1细胞生长动力学10.3.1细胞生长动力学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10.3.2基质消耗动力学由此可知，基质消耗的比速率包括用于菌体生长、维持菌体正常活动的基质消耗速率以及产物合成三部分。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。10.3.3产物生成动力学氧的