生物反应工程2010.ppt

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生物工程反应,姜梅2010.9,联系方式：

M84396989（O）,绪论,本章重点：

生物反应工程生物工程概念与内容；本章难点：

生物反应过程与生物反应工程的区别。

1.1生物反应过程概述,1.1.1生物反应过程（bioprocess）定义：

将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。

实质：

利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。

青霉素的生产。

抗生素青霉素,罗伯茨（W.Roberts，1874）首次报道微生物的颉颃（xiehang）现象（antagonism）灰绿青霉生长旺盛的液体会使人工感染细菌困难廷德尔（J.Tyndall,1876）青霉菌与细菌液体培养中有颉颃现象巴斯德和朱伯特（J.F.Joubert，1877）用炭疽芽孢杆菌培养物感染动物巴比斯和科尼尔（V.Babes&A.V.Cornil,1885）细菌之间,青霉素的生产,1928.9英国Fleming发现青霉素1938英国Flory和Chain重复（实验室）少量败血病失败第二次世界大战美国D.Elder液体深层发酵0.001g/L1945青霉素高产菌株产黄青霉（Penicilliumchrysogenum）育种技术培养基设计技术搅拌通气发酵罐为反应器（六叶平板桨）氧的传递技术等等,化学家钱恩（E.Chain）获得精制品，1940在美国产业化,当前水平6000080000U/ml（150m3）,空气净化工艺流程,生物技术biotechnology侧重技术方法应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。

生物科学bioscience：

侧重机理研究生命现象和生命活动规律的科学生物工程bioengineering：

侧重工程,

（一）描述性生物学119世纪30年代，德国植物学家施莱登、动物学家施旺提出细胞学说。

21859年，英国生物学家达尔文出版物种起源。

（二）实验生物学阶段：

（孟德尔遗传规律重新提出1900年）（三）分子生物学阶段：

11944年，美国生物学家艾弗里首次证明DNA是遗传物质。

21953年，美国沃森，英国克里克提出DNA双螺旋结构模型。

生物科学发展,生物工程专业本科授予工学学士学位，生物科学和生物技术专业本科授予理学学士学位。

以清华大学为例，生物科学与技术系是培养在生物科技领域从事科学研究、教学和应用开发工作的高水平人才的专门系科。

现设有生物科学和生物技术两个本科专业，为了拓宽人才培养口径，招生时按生物科学一个专业招生。

虽然分为两个专业，但课程安排和教学内容上并没有什么区别，只是在写毕业论文时各有侧重。

生物科学专业主要涉及生物化学、分子生物学、生物物理学、结构生物学和细胞发育生物学等学科领域。

生物技术专业主要包括生物芯片技术、微生物发酵工程、藻类技术、细胞工程及酶工程和生态环境工程。

为使学生适应未来生物科技发展的需要，培养学生不仅注重生物学知识的学习和实验技术的训练，而且重视学生在数、理、化、计算机等方面的培养和训练，还需学习无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、普通生物学、生物化学、细胞生物学、微生物学、遗传学、分子生物学、动物生理学、生物物理学及电工与电子技术、计算机软硬件技术基础课程。

另有神经生物学、发育生物学、免疫学和生物工程学等一系列课程可选修。

以上海交大为例，生物技术专业旨在培养具有扎实的现代生命科学理论基础和熟练的操作技能与工程基础知识、掌握计算机以及外语的高级专业人才。

研究方向为生物大分子的结构与功能、基因分子生物学、人类与动物分子遗传学、微生物代谢与调控以及植物基因工程等。

该专业主要学习与基因工程、蛋白质工程等相关的基础理论和操作技能。

主要课程有：

普通生物学、生物化学、神经生物学、微生物学、微生物原理、基因工程原理与方法、细胞工程、生化工程、酶与酶工程、发酵工程、计算机在生命科学中的应用、生命科学信息与情报、生命科学基础讲座等。

示意图,细胞酶（游离或固定化）空气能量提取精制产品生物催化剂副产品灭菌废物原料基质或培养基,生物反应器,检测控制系统,组成,原料的预处理选择、加工（物理或化学）、培养基的配制和灭菌；生物催化剂的制备菌种的选择、扩大培养和接种，酶的纯化和固定化等；（核心）生物反应器及反应条件的选择与监控反应器的结构、操作方式、操作条件；反应参数的检测与控制；产物的分离纯化去除杂质，提高浓度。

以生物反应器为核心，之前反应上游加工；之后反应下游加工,1.1.2生物反应过程的特点,一门综合学科生物学：

生物化学、分子生物学、微生物学化学：

无机、有机、分析、物理工程学：

化学工程、机械工程；采用生物催化剂酶Enzyme；采用再生资源为原料丰富、低廉，危害性小；难控制，质量不稳定；设备简单，能耗低。

1.1.3生物反应过程的分类,

（1）酶反应过程游离、固定化酶

（2）细胞反应过程微生物和动植物反应（3）废水的生物处理过程,废水的生物处理过程特点：

是由细菌等菌类、原生动物等各种微生物构成的混合培养系统；几乎全都采用连续操作；微生物所处的环境条件波动大；反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢产物和微生物细胞本身；不计成本。

1.2生物工程,1.2.1生物工程的定义人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。

1.2.2.生物工程的分类：

基因工程（Geneengineering）细胞工程（Cellengineering）酶工程（Enzymeengineering）发酵工程（Fermentationengineering）蛋白质工程（Proteinengineering）,细胞工程,微生物,工程菌,发酵工程,产品,蛋白质或酶,蛋白质或酶工程,基因工程,优良动、植物品系,动、植物个体或细胞,基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程之间的相互关系,1.2.3.生物工程涉及的学科,学科众多。

分子生物学、微生物生理学、生物化学、免疫生物学等等。

使用现代化器和设备技术手段。

广阔的应用前景；医药林业环境保护能源采矿冶金农业材料畜牧业化工,表1-1重要的现代生物技术仪器和设备,图生物技术树,1.2.4生物工程的研究的内容运用化学工程的原理与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科。

既为生物技术服务的化学工程。

化学工程的原理与方法化学反应、原料的处理和产物的分离、能量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列工程技术问题。

化学工程传递工程、分离工程、反应工程、化工热力学、化工过程系统工程工程分类生物（生化）反应工程和生物分离工程,1.3生物反应工程,1.3.1定义：

研究生物反应动力学，反应器的结构、设计、放大以及反应器优化的一个重要学科。

实质：

生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。

如何从生物现象中抽象出共性的内容,从宏观看以获得生物量为目的：

生物合成速率影响因素（生物体、基质、环境因素、操作条件等）以获得目的产物为目的：

从微观看转录与转译速率=（基因量、.等）调控速率=（表达速率、酶活力、等）,1.3.2反应器生物反应过程的关键设备。

操作方式产品的质量操作条件产量结构能耗,原因物料的混合与流动传质与传热三传一反氧和基质的供养和传递等等,1.3.3内容：

以生物反应动力学为基础，通过运用传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学的方法，进行生物反应过程的工程分析与开发，以及生物反应器的设计、放、操作和控制等。

1971英国阿特金逊B.Atkinson采用生化反应工程术语1974编写生化反应器1979日本山根恒夫编生物反应工程1985德国许盖尔特Schugerl专著生物反应工程,A.生物反应动力学动力学研究工业生产中生物反应速率问题；影响生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果。

本征动力学（微观动力学）反应器动力学（宏观动力系学）,B.生物反应器传递特性传质、传热和动量传递设计与放大选型、操作方式、计算优化与控制优化操作与优化设计、反应参数测定与控制。

表生物反应过程特征的比较,1.3.4发展历史,a酿酒、生产酱油和醋容器最简单、最原始的生物反应器b.1857Pasteur酵母发酵生产酒控制发酵罐c.第一次世界大战深层培养技术、无菌空气制备技术分批、连续与流加操作d.60年代固定化技术新概念生物反应器e.70年代基因工程特殊生物反应器,龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。

公元前200年，作豆腐、酱油和酿醋。

在我国最早的诗集诗经中就提出过采用厌氧进行亚麻浸渍处理。

公元10年有了天花的活疫苗。

龙山文化泛指中国黄河中、下游地区约当新石器时代晚期的一类文化遗存。

因1928年首先在山东省章丘县龙山镇城子崖发现而命名。

20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。

20世纪后期（197080年）生物反应工程学科的形成。

英国学者阿特金逊（1971）首次提出生化反应工程。

20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断融合、发展。

1.3.5发展方向,新型生物反应器的研究与开发；各种描述生物反应过程的数学模型的建立；生产过程参数与控制手段的改进。

生物反应工程与相关学科的关系,1.4生物反应工程的研究方法,数学模型法用数学语言表达生物法反应过程中各个变量之间的关系。

不能替代实验研究。

方法机理模型或结构模型既过程机理出发推倒的。

-可外推使用半经验模型经验模型经验法,参考资料,国外1975年日本学者合叶修一等生物化学工程-反应动力学1979年日本学者山根恒夫生物反应工程1985年德国学者许盖特（Schugerl）生物反应工程1993年日本学者川濑义矩生物反应工程基础1994（02）年丹麦学者Nielsen等生物反应工程原理国内生物反应工程原理（1990和2003天津科技大学贾士儒）生物工艺学（1992华东理工大学俞俊棠等）生化工程（1993江南大学伦世仪）生化反应动力学与反应器（1996北京化工大学戚以政等）生物反应工程（2004戚以政等）生物反应工程2005浙江大学岑沛林等）生物反应工程（2005清华大学邢新会译）,作业：

1.什么是生物工程？

它包括哪几部分？

2.生物工程对人类社会将产生怎样的影响？

3.什么是生物反应工程？

其内容包括那些？

4.什么是生物反应过程？

其内容包括那些？

预习：

1.概念：

解离常数、平衡常数、速度常数；2.酶的生物化学知识。

第1章均相酶催化动力学,本章的重点：

米氏方程的两种假设、两种推导方式及其参数的物理意义；实验法求取米氏方程的动力学参数；竞争性抑制剂和非竞争抑制剂的动力学方程的推导及判断；根据实验数据，计算出动力学参数并判断动力学类型。

本章的难点：

米氏方程及抑制剂动力学等有关的推导；酶失活动力学的意义及推导。

1.1酶催化反应的基本特征,1.1.1酶的分类与命名氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类。

1.1.2酶的活力表示方法酶的催化效率与酶的转换数是同一概念。

催化中心活力酶活力1kat=6107U或1kat=60U1U=1.710-8比活力每1mg（1mL）蛋白质所具有的酶的单位数。

U/mg或kat/mg,1.1.3酶的特性,生物催化剂，具有一般催化剂所特有的特性不能改变反应的平衡点，只能改变反应速率，反应条件温和。

高效性；专一性；酶的催化作用需要辅因子非蛋白质物质共同作用；金属离子、有机物质辅酶（紧密）、辅基（疏松）酶是蛋白质失活与变性。

酶失活的原因与再生的可能性化学修饰（微观变化）、空间障碍、高级结构的变化（宏观变化）、多肽链的断裂,1.1.4酶的稳定方法,1.2简单的酶催化反应动力学,1.2.1概念：

反应速率：

在均相反应中，一般以单位时间、单位体积中反应组分的改变量。

对于恒容反应，V为常数，故,aA+bBcC+dD,平衡常数K意义：

衡量反应进行程度大小的一个常数。

K越大。

表示反应进行程度越大，即反应进行的越完全；反之，K越，表示反应进行程度越小，即反应进行的越不完全。

K是温度的函数。

解离常数Ks：

aA+bBcC+dDKs=1/K意义：

衡量解离进行程度大小的一个常数。

Ks越大。

表示解离进行程度越大，即反应进行的越完全；反之，Ks越小，表示反解离进行程度越小，即解离进行的越不完全。

Ks是温度的函数。

（反应）速度常数（比速度）：

aA+bB+lL+Mm+A=B=1molL-1时，则r=k。

k与温度、催化剂有关。

物理意义：

某在反应一定温度下，反应物为单位浓度时的反应速度。

反应快，k数值大。

阿仑尼乌斯公式：

Lnk=（-E/RT）+InA,零级反应动力学一级反应动力学AB二级反应动力学A+BC,k1,k1,连锁酶反应ABC,k1,k2,如果A的初始浓度为a0，B和C的初始浓度为0，并且a+b+c=a0，则求得：

例卵状假单胞菌（Pseudomonasovalis）在分批反应中先把葡萄糖转变为葡萄糖内酯，再转化为葡萄糖酸。

此反应为一级反应，反应如下GLP求中间产物（葡萄糖内酯）浓度达到最大时所需要的时间tmax及其最大浓度值Lmax。

已知反应常数k和k分别为0.87h-1和0.7h-1。

G0（初始葡萄糖浓度）=0.38mg/mL。

解：

GLPt=0G000t=0GLP,k1,k2,k1,k2,当葡萄糖内酯达到最大值时，有所以即在1.28h时，葡萄糖内酯达到最大值15.5g/L,1.2.2简单的酶催化反应特点：

简单的酶催化反应动力学一种反应物（底物）参与的不可逆反应。

酶反应动力学基础。

酶催化的水解反应、异构化反应和大部分裂解反应对单一底物参与的简单酶催化反应：

SP反应机理可表示为：

S+EESE+P根据质量作用定律，P的生成速率可表示为rp=k+2ES=k+2X,E,k+2,k+1,k-1,1.2.3米氏方程,假设在反应过程中，酶的浓度保持恒定，即e0=efree+X与底物浓度S相比，酶的浓度是很小的。

故可以忽略有于生成中间复合物ES而消耗的底物；产物的浓度是很低的，因而产物的抑制作可以忽略，同时也不考虑P+EES这个逆反应的存在。

（反应的初始状态）,V.Henri于1902年根据转化酶（invertase），苦杏仁酶（emulsin）及淀粉酶（amylase）的实验结果提出了反应速率方程,MM方程快速平衡学说（rapidequilibrium）,原理:

k+1k-2，k-1k-2即ESE+P反应慢，k+2较小，决定整个酶催化反应的速度。

推导：

eo=e+Xk+1eS=k-1Xrp=k+2X,动力学参数：

KS为rP=1/2rP,max时的底物浓度，表示酶与底物相互作用的特性；rP,max表示当全部的酶分子都变成ES的反应速度；k+2表示单位时间内一个酶分子所催化底物发生反应的分子，即表示酶催化能力大小转换系数。

（kcat）,B-H方程拟稳态学说,原理：

中间复合物浓度维持不变，即生成产物速度与分解产物速度相等。

推倒：

动力学参数：

同MM,两种方程（学说）比较,k-1,扩展方程,若米氏方程中e数值大（结果见书例3-5）存在多个中间复合物是，催化活性中心速率常数,S1+ES1EK1,有辅因子反应,S2+ES2EK2,S1E+S2S1S2EK12,S2E+S1S1S2EK21,S1S2EE+Pk,双底物反应,E+CECKC,EC+CECSKS,ECSE+C+Pk,例1假设单底物S生成产物P的酶促反应机理下式，试建立可逆反应动力学方程。

E,S,X和P分别与下式对应的浓度。

E+SESE+PeSXeP,解：

M-M：

rP=k+2X-k-2ePe=e+Xk+1Se=k-1Xk+2X=k-1eP,k+1,k+1,k-1,k-2,k+2,1.2.4动力学特征与参数求解,动力学特征A.SKm（S0.01Km），r为直线，B.SKm（S100Km），r为直线C.0.01KmS100Km，r为曲线参数求解,参数求解,（a）Linewear-Bunk（b）Hane-Woolf（c）Eadie-Hofstee（d）积分法,参数求解,L-B法，双倒数法（常用）特点：

浓度小时，误差大；方便，快速。

H-W法特点：

横坐标均匀，易作图，误差小，便于分析E-H法（误差小）特点：

易作图，误差小，但不易测量积分法特点：

误差小，不经变量计算，工程上常用,例2有一均相酶催化反应，Km值为210-3mol/L,当底物的初始浓度S0为110-5mol/L，若反应进行1min，则有2%的底物转化为产物。

试求：

（1）当反应进行3min，底物转化为产物的百分数是多少？

此时底物和产物的浓度分别是多少？

（2）当So为110-6mol/L，也反应了3min，底物转化为产物的百分数是多少？

（3）最大反应速率rmax值为多少？

解

（1）根据题意：

S00.01Kmln（S0/S）=（rmax/Km）t=Ktt=1min,Xs=0.02S=S0（1-XS）=0.9810-5mol/L,K=0.0202min-1,

（2）So为110-6mol/L时，仍是一级反应，t=3min,求得=6%S=0.9410-5mol/L,P=610-6mol/L（3）K=rmax/Km=0.202min-1rmax=4.0410-5mol/（Lmin）,例3常温下利用蔗糖酶水解蔗糖，蔗糖的初试浓度S0=1.0mmol/L，酶的初试浓度e0=0.001mmol/L在实验室反应器内进行分批操作，测得如下表中数据。

试确定可否用米氏方程来描述反应速率，若可以，求Km和k+2。

解：

米氏方程转换为,Rmax/Km=1,截距=-5.0846,-1/Km=-5.0846,Km=0.197mmol/L,k2=19.7/h,1.3有抑制剂的酶催化动力学,不可逆抑制剂失活可逆抑制剂竞争、非竞争、反竞争、混合（用透析等物理方法除去抑制剂）,定义：

凡能减慢或停止酶促反应的化合物称抑制剂。

作用机制：

抑制剂的主要作用是直接或间接地影响酶活性中心，改变活性中心的三维构象，占据酶活性中心，从而使酶与底物的结合机率下降。

1.3.1竞争性抑制的酶催化动力学,概念：

竞争性抑制剂和底物结构相似，能和底物分子竞争与酶的活性中心相结合，酶与抑制剂结合后，不能再与底物结合。

琥珀酸脱氢酶受丙二酸及草酰乙酸抑制。

此二者竞争酶与底物的结合部位，但不能被酶催化脱氢，故一旦结合在活性中心部位，就抑制了酶与底物的结合.,机理E+SESE+PE+IEI,推导:

M-M：

rP=k+2X-e=e+X+EIk+1Se=k-1Xk-3EI=k+3eI,方程,图形讨论A.KmIKmIB.处理方法SI可解除抑制,1.3.2非竞争性抑制的酶催化动力学,概念：

机理推导方程图形讨论S不能解除抑制,无,有,1/S,1/rs,核苷对霉菌酸性磷酸酯酶,1.3.3反竞争性抑制的酶催化动力学,概念：

机理E+SESE+PES+ISEI推导方程图形讨论,无,反,肼对芳香基硫酸酯酶,1/S,1/r,竞争性和非竞争性抑制示意图,1.3.4线性竞争性抑制的酶催化动力学,概念：

机理E+SESE+PE+IEIEI+SSEIES+ISEI推导方程图形讨论A.KIS=KSI时，rSI为非竞争性抑制动力学；B.KSI，rSI为竞争性抑制动力学；C.KSI，rSI为反竞争性抑制动力学；D.KIS=KSI，且为常数，rSI为混合竞争性抑制动力学,k+2,Ks,Ks,KI,KI,1.3.5底物抑制的酶催化动力学,概念：

机理E+SESE+PES+SSES推导方程图形讨论,1.3.6小结,几种抑制动力学的比较,抑制百分数,表示抑制剂对酶催化反应抑制的程度,例在含有相同酶浓度的五个反应物系中，分别加入不同浓度的底物，并测定其初始速率，然后再在五个反应物系中分别加入浓度为110-6mol/L的抑制剂，并测定其初始的反应速率，其数据如下表.试根据上述数据决定其抑制类型及动力学参数。

解:

由题意作L-B图,有图可知-1/Km=-4.16-1/KmI=-0.27，-1/rmax=110-2rmax=100Km=0.24KmI=0.44,102,KI=0.27,-4.16,-0.27,1.4复杂酶催化动力学,A+B+C+P+Q+R+随机机制顺序机制双底物机制有序机制乒乓机制T-C机制,1.4.1随机机制,1.4.2有序机制,顺序机制,T-C机制,乒乓机制,多底物反应可看成是一组反应。

类似这样反应多糖和蛋白质等高分子化合物的酶的水解反应是类似这样反应。

最初底物具有一定的聚合度分布，底物种类很多；一般高分子底物的聚合度越大，酶促的反应速率越大。

1.5影响酶催化速率的因素,内部酶的结构特性、底物的结构特性外部浓度因素：

E、S、P、I、A等操作因素：

T、P、pH、离子强度,1.1.5pH对影响酶催化速率的因素,pH对酶的影响的两个方面pH对酶稳定性影响（台形）pH对酶活性影响（钟形）产生的原因：

pH改变酶的活性中心，即改变其解离状态，从而反应速率。

1.5.1pH值的影响,Michaelis假设假定酶分子有两个可解离的基团，随着pH值的变化，分别呈现出EH2、EH-及E2-三种状态模型，既EH2EH-E2-酸性条件下，酶呈现EH2状态；当pH增加，酶以EH-状态存在；当pH继续增加，酶以E2-状态在。

上述三种解离状态中，只有EH-型具有催化活性。

底物的解离状态不变。

速率控制步骤为由EHS-生成产物的速率。

-H+,+H+,+H+,-H+,pH反应机制,S,推导：

-rs=rp=k+2EHS-E0=EH2-+EH-+E2-+EH2S+EHS-+ES2-,方程,讨论：

1.5.2温度的影响,影响：

A.在较低温度的范围内，、r总B.在较高温度的范围内，、r总动力学模型Arrhenius公式：

温度与反应速率的关系,Eryring过渡理论：

实验建立模型,（a）,1.6酶的失活动力学,影响酶活力因素：

高温、pH、有机溶剂等；失活模型：

双状态模型多状态模型机理kdNDkr,D,N,D,N,1.6.1失活速率的实验测定,失活曲线：

在一定条件下，使酶溶液恒温保持一定时间，间隔时间定时取样，在酶的最适pH、温度条件下测定其活力，以残存酶活力与失活处理时间作图，即得失活曲线。

分析：

A.均匀时间间隔取样B.测定时间一致C.注意有无底物D.在最适pH、温度,1.6.2酶的热稳定动力学,热稳定曲线：

在一定条件下，使酶溶液不同的恒温中保持一定时间，在酶的最适pH、温度条件下测定其活力，以残存酶活力与失活处理温度作图，即得该活曲线。

表示酶的热稳定性双模型机理,kr,推导：

e0=et-D利用初始条件t=0,et=e0，解方程方程：

（可逆）（不可逆）,讨论,大多数热失活模型服从大多数pH失活模型服从半衰期t1/2=ln2/kd；表示酶活力衰减的程度，是酶的稳定性参数；若考虑温度与时间的关系，则,1.6.3反应时酶的热失活动力学操作稳定性,操作稳定性：

酶在反应中的稳定性；机理：

E+SESE+PDD+S方程：

kd,k+1,k-1,k+2,kd,et=ef+X,分析,A.=1时，底物对酶失活没影响。

B.=0时，酶完全被底物所保护，复合物ES完全不失活，此时只有游离酶失活。

C01时，底物加速酶的失活。

E若只有游离酶失活时，其分批反应的动力学方程,F如果还要考虑到在反应时温度对酶失活的影响。

显然其速率方程更加复杂。

这里只讨论零级不可逆酶催化反应的情况。

对零级不可逆反应，S值趋于无穷大，因此有对该式积分，得到当s足够大时，上式可简化为进行积分得到,复习题：

复杂酶催化动力学模型有哪几类型？

Michaelis假设怎样描述pH对酶催化反应速率的影响？

酶失活速率测定的方法？

产物很高时，反应机制为E+SESE+P