生物反应工程.ppt

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1、生物反应工程绪论酶促反应动力学微生物反应动力学动植物细胞培养动力学生物反应器生物反应工程研究目的生物反应过程研究的目的是提供适宜的动力学速率方程，以描述微生物(或酶、动植物等)反应体系，确定这些方程在设计方面的用途．规划实验室的实验、决定动力学方程所需的速率常数。生物反应过程与化学反应过程的本质区别在于有生物催化剂参与反应。一般生物反应过程示意图酶定义：酶是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂根据酶进行催化反应的类型，可将酶分为6类，即氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、导构酶和合成(或连接)酶。酶

2、的特点酶作为催化剂的共性（1）降低反应的活化能（2）酶可以加快反应速率（3）不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速度酶的生物催化特性（1）酶有很强的专一性（2）较高的催化效率酶不单单是生物催化剂，而且具有调节功能底物专一性：一种酶仅能作用于一种底物酶的反应专一性：对于一定的体系，从热力学上看可能有多种反应进行，一种酶仅能催化其中一种反应酶的立体专一性：一种酶仅能作用于多种立体异构体中的一种酶的稳定性引起酶失活的原因：（1）酶活性中心特定氨基酸(或其他)残基被化学修饰；（2）外部环境的影响，酶活

3、性中心出现空间障碍，使其不能与底物相结合；（3）酶的高级结构发生变化，相对而言是一种宏观变化；（4）多肽链的断裂，可以说是一种“激烈的分解作用”。确保酶活力稳定的主要方法酶的固定化技术酶的固定化技术就是将水溶性酶分子通过一定的方式。如静电吸附、共价键等与载体，如角叉菜胶、离子交换树脂等材料结合，制成固相酶．即固定化酶的技术。酶或多酶复合体系固定化后引起酶性质改变的原因一是：酶自身的变化—活性中心的氨基酸残基、空间结构和电荷状态发生了变化；二是：载体理化性质的影响—固定化酶的周围形成了能对底物传递产生影响

4、的扩散层或静电的相互作用等。固定化后酶性质发生变化主要表现(1)底物专一性的改变由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化后的酶分子，使酶的底物特异性发生变化。(2)稳定性增强—般地，固定化酶比游离酶的稳定性好，主要表现在热稳定性、保存和使用稳定性的增加，另外，对蛋白酶的抵抗性和对变性剂的耐受性也增强了。(3)最适PH和最适温度的变化(4)动力学常数的变化酶和细胞的固定化技术酶和细胞(微生物或创植物细胞)的固定化方法有很多，不可能找到一种对任何生物体都适用的方法。酶和细胞的固定化方法可分为载体结合法、交

5、联法和包埋法，这几种方法也可并用，称为混合法。载体结合法是将酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶载体(如纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等上的一种固定化方法。根据结合形式不同．又分为物理吸附法、离子结合法和共价键结合法等。交联法是利用双功能试剂的作用，在酶分子之间发生交联、凝集成网状结构，构成固定化酶(或细胞)。常用的双功能试剂有戊二醛、顺丁烯二酸酐和乙烯共聚物等。包埋法是将酶包埋在凝胶的微细格子中或被半透性的聚合膜所包埋，使酶分子不能从凝胶的网络中漏出，而小分子的底物和

6、产物可自由通过凝胶网络。按包埋形式不同，可分为格子型和微胶囊型。常用的凝胶有角叉菜胶糖、明胶、聚丙烯酰胺凝胶、淀粉凝胶等。酶促反应动力学基础酶促反应动力学可采用化学反应动力学方法建立相应的动力学方程。如果酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比，称为一级反应，即酶催化A—B的过程对连锁的酶促反应过程微生物反应动力学微生物是对那些肉眼不能直接观察到、微小的，但具有生命并能够繁殖的生物的通称，包括细菌、放线菌、真菌、藻类扣原生动物等。根据微生物分类学，其分为界、门、纲、目

7、、科、属、种，种以下有变种、型、品系等。影响微生物反应的环境因素(1)营养物质微生物同其他生物一样，为了生存必须从环境中获取各种物质，以合成细胞物质、提供能量及在新陈代谢中起调节作用。这些物质称为营养物质。营养物质分为碳源、氮源、无机元素、微量营养元素或生长因子等。碳源的主要作用是构成细胞物质和供给微生物生长发育所需的能量。氮源对微生物的生长发育有重要的作用，它主要是提供合成原生质和细胞其他结构的原料，一般不提供能量无机元素也是微生物生长不可缺少的营养物质，它的主要功能是：构成细胞的组成成分；作为酶的组

8、成成分；维持酶的作用；调节细胞渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位等有些有机物是微生物维持正常生活所不可缺少的，但其需要量又不大，一般称为生长因子。根据化学结构祁代谢功能可将其分为三类：维生素、氨基酸和嘌呤、嘧啶。(2)温度在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利影响，如温度继续提高，细胞功能急剧下降，以至死亡。各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温度，并且，最适、最高和最