第二章 生物反应动力学 PPT课件
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生化反应动力学 PPT课件
第二章 生化反应动力学
生化反应动力学
●单底物酶反应动力学
●多底物酶反应动力学
●各种因素对酶反应速度的影响
●微生物代谢调节的生化基础
• 生物在表观上所显示的一切生理现象(实为体内生物
化学反应)都与酶的作用密切相关。因此，研究生化
反应动力学也就是研究酶催化反应动力学。
• 微生物的生长和产物的生成都是一系列复杂的酶催化 反应的结果。要了解微生物发酵动力学必须首先了解 酶反应动力学。 • 酶动力学主要研究酶催化反应的速度及各种因素（包 括酶浓度、底物浓度、产物、pH值、温度、抑制剂和 激活剂等）对反应速度的影响，并提出从反应物到产
(Ⅰ )
(Ⅱ )
E+S
k1
ES
k3
P+E
k2
稳态时ES浓度不变
反应速度 V=k3[ES] ES的生成速度=消耗速度 k1[E][S]=k2[ES] + k3[ES] E的质量平衡方程 [E]=[Et] - [ES]
V= V[S] Km + [S] Km= V=Vmax=k3[ES]max=k3[Et] k2 + k3 k1 米氏常数
②可以判断酶的专一性和天然底物
Km值最小的底物——最适底物/天然底物
1/Km近似表示酶对底物的亲和力： 1/Km越大、亲和力越大
k2>>k3时
Km= k2 + k3 k1
Km≈k2（分离能力）/k1（亲合能力）
E+S k1 k2 ES k3 P+E
Km越小，亲和力越强。
[S]很小时，反应速度就能达到很大。
（3） kcat/km的意义：
V= Vmax[S] Km + [S] V= kcat[Et][S] Km + [S]
生化反应动力学
●单底物酶反应动力学
●多底物酶反应动力学
●各种因素对酶反应速度的影响
●微生物代谢调节的生化基础
• 生物在表观上所显示的一切生理现象(实为体内生物
化学反应)都与酶的作用密切相关。因此，研究生化
反应动力学也就是研究酶催化反应动力学。
• 微生物的生长和产物的生成都是一系列复杂的酶催化 反应的结果。要了解微生物发酵动力学必须首先了解 酶反应动力学。 • 酶动力学主要研究酶催化反应的速度及各种因素（包 括酶浓度、底物浓度、产物、pH值、温度、抑制剂和 激活剂等）对反应速度的影响，并提出从反应物到产
(Ⅰ )
(Ⅱ )
E+S
k1
ES
k3
P+E
k2
稳态时ES浓度不变
反应速度 V=k3[ES] ES的生成速度=消耗速度 k1[E][S]=k2[ES] + k3[ES] E的质量平衡方程 [E]=[Et] - [ES]
V= V[S] Km + [S] Km= V=Vmax=k3[ES]max=k3[Et] k2 + k3 k1 米氏常数
②可以判断酶的专一性和天然底物
Km值最小的底物——最适底物/天然底物
1/Km近似表示酶对底物的亲和力： 1/Km越大、亲和力越大
k2>>k3时
Km= k2 + k3 k1
Km≈k2（分离能力）/k1（亲合能力）
E+S k1 k2 ES k3 P+E
Km越小，亲和力越强。
[S]很小时，反应速度就能达到很大。
（3） kcat/km的意义：
V= Vmax[S] Km + [S] V= kcat[Et][S] Km + [S]
第二章 生物反应动力学 1 酶促反应 PPT课件
经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应 的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓 度较低，且为水溶液，酶学研究的目的是探讨 酶促反应的机制。 工业上，为保证酶促反应高效率完成，常 需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应要持 续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时 反应是在有机溶剂中进行。
1.1.3 酶促反应的特征
优点：
• • • •
常温、常压、中性范围（个别除外）下进行反应； 与一些化学反应相比，省能且效率较高； 专一性好； 反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制等。
不足：
• 多限于一步或几步较简单的生化反应过程； • 一般周期较长。
1.1.4
研究酶促反应的目的
对工程技术人员而言，仅用于解释酶促反应的 机制是不够的，还应对影响其反应速率的因素进行 定量分析，建立可靠的反应速率方程式，为反应器 的合理设计合反应过程的最佳条件选择服务。
1.2 均相酶促反应动力学
• ������ 均相酶反应：系指酶与反应物系处于同一 相—液相的酶催化反应，它不存在相间的物质传 递。
• ������ 非均相酶反应：系指酶与反应物系处于不同 相的酶催化反应，反应过程存在相间的物质传递。
1.2.1 酶促反应动力学基础
1 影响酶促反应速率的因素
酶 促 反 应 速 率 的 影 响 因 素 浓度因素： 酶浓度、底物浓度、产物浓度、效应物浓度。
积分
(C A0
1 dCD k 2 dt C D )(C B 0 C D ) 1 1 1 ( )dCD k 2 dt C B 0 ) C A0 C D C B 0 C D
(C A0
(C A0
C (C C D ) 1 ln B 0 A0 k 2t C B 0 ) C A0 (C B 0 C D )
第二章-生物反应动力学-2-细胞反应PPT课件
分裂时间为90～120 min。
.
18
霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从
菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成
隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它
就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短
至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间
为4～8 h。
.
19
病毒能在活细胞内繁
殖，但不能在一般培
养基中繁殖。病毒是
通过复制方式进行繁
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应
转化程度的数量化研究。通过计量学，可
知道反应过程中有关组分的组成变化规律
以及各反应之间的数量关系。知道了这些
数量关系，就可以由一个物质的消耗或生
成速率来推知其他物质的消耗或生成速率。
.
40
由于细胞反应过程由众多组分参与，
且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁殖
的。
CH
O
m
n aO
2bNH
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
.
45
CH
O
bNH
m
n aO
2
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz
是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元
素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z
最伟大的发现。
.
3
第三代现代生物技术产品
从1953年美国的Watson及Crick发现了
DNA分子的双螺旋结构，由此而来21世
.
18
霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从
菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成
隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它
就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短
至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间
为4～8 h。
.
19
病毒能在活细胞内繁
殖，但不能在一般培
养基中繁殖。病毒是
通过复制方式进行繁
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应
转化程度的数量化研究。通过计量学，可
知道反应过程中有关组分的组成变化规律
以及各反应之间的数量关系。知道了这些
数量关系，就可以由一个物质的消耗或生
成速率来推知其他物质的消耗或生成速率。
.
40
由于细胞反应过程由众多组分参与，
且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁殖
的。
CH
O
m
n aO
2bNH
3
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fCO
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z dCH
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45
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2
3
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fCO
xO
yN
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uO
vN
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2O
2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz
是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元
素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z
最伟大的发现。
.
3
第三代现代生物技术产品
从1953年美国的Watson及Crick发现了
DNA分子的双螺旋结构，由此而来21世
生化工程第二章酶促反应动力学优秀课件
化学动力学
反应速率及其测定
• 反应速率：单位时间内反 应物或生成物浓度的改变。 P
• 设瞬时dt内反应物浓度的 很小的改变为dS，则：
v
dS dt
• 若用单位时间内生成物浓
v
度的增加来表示，则：
v
dP dt
t
v
dP dt
t
反应分子数
• 反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。
• 如：A → P
反应物在容器中混合良好
反应速率采用初始速率
单底物酶促反应动力学
E ＋S
k+1 ES
k-1
k+2
E ＋P
快速平衡学说的几点假设条件：
1. 酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完 成的。
2. 底物浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低 底物浓度[S]，底物浓度以初始浓度计算。
属于单分子反应
• 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是：
v k[A] • 双如：A＋B → C＋D
属于双分子反应
• 其反应速率方程可表示为：
vk[A]B []
• 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解反应机制， 即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。
• 反应机制往往很复杂，不易弄清楚，但是反应速率与浓度的关系可用 实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。
生化工程第二章酶 促反应动力学
实例
• 脂肪酶催化酯化反应: 生物柴油
油料
甘油 ＋ 脂肪酸
甲醇 NaOH
生物柴油
• 高果糖浆:
α-淀粉酶
糖化酶Biblioteka 葡萄糖异构酶淀粉浆液
第二章 生物反应动力学.
E S [ES] E P E I [EI] [EI] S KS [EIS] [ES] I KI [ESI]
底物 抑制
产物 抑制
E S [ES ] E P S [ES ] [SES ]
E S [ES ] E P E P [EP]
所消耗的底物. 3. 产物的抑制作用不计.
有两种推导反应速率方程的方法:平衡假设法和拟稳态假设法.
平衡假设法—Michaelis-Menten方程
平衡假设：认为酶催化反应历程中，生成产物一步的反应速率要慢于底物S和酶 形成中间复合物的可逆反应速率，因此生成产物一步的反应速率决定整个酶催 化反应的速率，生成复合物的可逆反应则达到平衡状态。
流量分析，介绍代谢工程进展。 • 重点：
各种情况下的酶和细胞反应（过程）的动力学方程及其在形式 上差异、简单的代谢流量分析。 • 难点：
酶催化反应动力学机理方程的推导。
第一节 均相酶催化反应动力学
酶催化反应过程分为：均相酶催化反应过程和非均相酶催化反应过程。 均相酶催化反应 定义: 指酶和反应物系处于同一相(液相)中的酶催化反应. 特点: 不存在相间的物质传递.所描述的反应速率与反应物系的基本关系反映
拟稳态假设法—Briggs-Haldane方程
拟稳态假设：认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合物 分解时所得到的酶又立即与底物相结合，使得反应体系中复合物的浓度维持不 变，即中间复合物的浓度不随时间变化，即：
dC[ES] 0 dt
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式：
dCP dt
所示。
rm ax
该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS
1
•当CS KS 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 rmax
第二章 生化反应动力学
一、单底物酶反应动力学
1、米氏方程 2、米氏方程讨论 3、动力学常数Km和Vm的求取 4、复杂形式的酶反应动力学
返回
1、米氏方程
⑴ Henri中间复合物学说 ⑵ 米氏方程 ⑶ 米氏方程的三假设 ⑷ Briggs-Haladane修正式 ⑸ 米氏方程推导
返回
Henri中间复合物学说
1903年，Henri在研究蔗糖水解时，提出了中 间复合物学说。 他认为，酶与底物的作用是通过酶跟底物生 成复合物而进行的。底物浓度较低即酶的 活性中心未被饱和时，反应速度随浓底物 浓度上升呈正相关。当底物浓度较高时， 即酶的活性中心被饱合或趋于饱和时，反 应速度增加率变小或不再增加。此时，酶底物复合物的生成速度相应较快，而分解 速度相对较慢成为整个反应的限速步骤。
返回
双倒数作图
返回
⑴下图是根据[S]在0.33～2.0Km范围时的实验结果而 作的双倒数图，从此图可准确地测量出-1/Km和1/Vmax 等。
[S]在0.33～ 2.0 Km的范 围的实验结 果而作出的 双倒数图。
返回
⑵ 如果所选底物浓度比Km大得多，则所得双倒数图 的直线基本上是水平的。这种情况虽可测得1/Vmax ， 但由于直线斜率近乎零， -1/Km则难以测得。
返回
4.Woolf-Augustinsson-Hofstee作图法
将米氏方程重排为线性方程：
返回
几种方法的比较
以上三种作图法也应注意选择底物浓度，不要使[S]比 Km高得多或低得多。 上述几种线性作图法各有其优 缺点。双倒数作图法应用最广泛。但此法有两个缺点： 第一，在v～ [S]图上，由相等增值而给出的等距离各 点，在双倒数图上变成非等距离的点，且多数点集中 在1/v轴附近，而远离1/v轴的地方只有少数几个点， 恰好这些点又正是主观目测以确定直线最权重的那些 点。第二，在测定v时产生的小误差，当取倒数时会放 大。在低底物浓度下更为敏感，因在高1/[S]值所得的 一两个不准确的点，会给图的斜率带来显著误差。第 一个缺点可通过选择适当的[S]，使1/[S]为等距离增值 而得到克服。对第二个缺点关键要注意在低底物浓度 下使所测初速度误差尽可能减小。
《生物反应动力学》PPT课件
《生物反应动力学》PPT 课件
菌体生长 基质消耗 产物生成
最佳工艺条件的控制
菌体生长速率 基质消耗速率 代谢产物的生成速率
• 菌体生长速率：单位体积、单位时间生长 的菌体量（g/h.L)
dc(X) vx= dt = µc(X) 或
µ=
1
c(X)
·
dc(X)
dt
μ除受细胞自身的遗传信息支配外，还受 环境因素的影响。
c0(X) =0
μ>> k
-
F V
c (X)
+ µc(X)
=
dc(X) dt
dc(X) dt = 0
F c (X) = µc(X) V
F =μ = D V
限制性营养物质的物料平衡
- - - - = 流入的 流出的
营养物质 营养物质
生长消耗 的营养物质
维持 生命需要 的营养物质
形成产 物消耗的 营养物质
件的不同而不同，通常
比生长速率与底物之间关系
为0.086～2.1h-1
µm
c(S)﹤﹤KS时
µ=
µm ．c(S) KS
﹤﹤
c(S) KS时
µ=
µm KI KI + c(S)
b
μ
c
µm/2
a
KS
c(S)
• 微生物生长过程的特征通常以得率系数 来描述，即生成细胞或产物与消耗的营 养物质之间的关系。 细胞得率系数（YX/S g）：消耗1g营养 物质生成的细胞的质量。
分批发酵动力学
补料分批发酵动力学 连续发酵动力学
☞ 分批发酵的不同阶段 ☞ 微生物分批培养的生长动力学
方程 ☞ 分批培养时基质的消耗速率 ☞ 分批培养中产物的形成速率 ☞ 分批培养过程的生产率
菌体生长 基质消耗 产物生成
最佳工艺条件的控制
菌体生长速率 基质消耗速率 代谢产物的生成速率
• 菌体生长速率：单位体积、单位时间生长 的菌体量（g/h.L)
dc(X) vx= dt = µc(X) 或
µ=
1
c(X)
·
dc(X)
dt
μ除受细胞自身的遗传信息支配外，还受 环境因素的影响。
c0(X) =0
μ>> k
-
F V
c (X)
+ µc(X)
=
dc(X) dt
dc(X) dt = 0
F c (X) = µc(X) V
F =μ = D V
限制性营养物质的物料平衡
- - - - = 流入的 流出的
营养物质 营养物质
生长消耗 的营养物质
维持 生命需要 的营养物质
形成产 物消耗的 营养物质
件的不同而不同，通常
比生长速率与底物之间关系
为0.086～2.1h-1
µm
c(S)﹤﹤KS时
µ=
µm ．c(S) KS
﹤﹤
c(S) KS时
µ=
µm KI KI + c(S)
b
μ
c
µm/2
a
KS
c(S)
• 微生物生长过程的特征通常以得率系数 来描述，即生成细胞或产物与消耗的营 养物质之间的关系。 细胞得率系数（YX/S g）：消耗1g营养 物质生成的细胞的质量。
分批发酵动力学
补料分批发酵动力学 连续发酵动力学
☞ 分批发酵的不同阶段 ☞ 微生物分批培养的生长动力学
方程 ☞ 分批培养时基质的消耗速率 ☞ 分批培养中产物的形成速率 ☞ 分批培养过程的生产率
第二章 生化反应动力学
（2）、 可逆抑制
• 抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合， 引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以 通过透析等方法被除去，并且能部分 或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与 酶结合的情况，又可以分为两类
A、 竟争性抑制
• 某些抑制剂的化学结构与底物相似，因 而能与底物竟争与酶活性中心结合。当 抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥 在反应中心之外，其结果是酶促反应被 抑制了。 • 竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度 ，即提高底物的竞争能力来消除。
• 酶的最适pH目前还只能用实验方法测得， 它可以随着底物浓度、温度及其它条件的 变化而改变。因此酶的最适pH并不是一个 常数，它只是在一定条件下才有意义。
• 用酶活或反应速度 对pH作图，一般得 到钟罩形的曲线。
• 在一定的pH 下, 酶具 有最大的催化活性,通 常称此pH 为最适 pH。 • Arginase(精氨酸酶)与 唾液淀粉酶、胃蛋白酶 （pepsin） • 多数酶在7.0左右
【举例】 丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶 琥珀酸
琥珀酸脱氢酶
FAD
COOH CH2 CH2 COOH
琥珀酸
延胡索酸
FADH2
COOH CH2 COOH
丙二酸
斜率
斜率争性抑制
• 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象 变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是 与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争 性抑制剂。 • 如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等 ，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用， 改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。
温度对酶反应速度的影响
• 一方面是温度升高,酶 促反应速度加快。 • 另一方面,温度升高,酶 的高级结构将发生变化 或变性，导致酶活性降 低甚至丧失，反应速度 下降也迅速 • 因此大多数酶都有一个 最适温度。 在最适温 度条件下,反应速度最 大。
反应动力学基础PPT课件
式为:
r dFA dW
8
第八页，课件共140页。
空速与接触时间
空速：单位反应体积所处理的混合物的体积流量。因 次为时间的倒数(1／h)。
VSP
VS 0 VR
计算空速时的体积流量一般使用标态体积，特殊说明时可 使用操作状态流量。也有使用摩尔流量的，称为摩尔空速。
是衡量反应器生产强度的重要操作参数。例如：氨合成反应， 压力为10Mpa时，空速为10000(1/h)；而当压力为30Mpa时， 空速则为28000-30000(1/h)。
19
第十九页，课件共140页。
一氧化氮氧化动力学方程建立
由于第二步为速率的控制步骤因此有:
r k2C( NO)2Co2
第一步达到平衡，则 有: C( NO)2 K1CN2O
代入上式得
r k2 K1CN2OCo2 k2CN2OCo2
因此,当得到的速率方程与由质量作用定律得到的形式 相同，不能说明该反应一定是基元反应。但基元反应 的速率方程可用质量作用定律来表示。
20
第二十页，课件共140页。
例：反应机理分析
如果所得动力学实验结果与由所设的反应机理推导得到 的速率方程相符合，绝对不能肯定说所设的反应机理是 正确的。只能说明是一个可能的反应机理，因为不同的反应 机理完全可能推导出形式相同的速率方程 。
例如NO的氧化反应，如果机理为：
NO O2 NO3
例2.2
28
第二十八页，课件共140页。
例题计算结果
29
第二十九页，课件共140页。
2．3 温度对反应速率的影响
在幂函数型速度方程中，以反应速率常数k来体现 温度对反应速率的影响。对于一定的温度，反应 速率k为定值。通常用阿累尼乌斯方程表示反应速率 常数与温度的关系。即：
生物反应工程-PPT课件
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：
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 2019 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》（2019北京化工大学戚以政等） 《生物反应工程》（2019戚以政等） 《生物反应工程》 2019浙江大学岑沛林等） 《生物反应工程》（2019清华大学邢新会译）
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）
02生物反应动力学
g d m
dS dt dX d dt
= − k 21ϕ g − k 23ϕ m = k32ϕ d
(2) 酶催化
最常见的生物反应过程之一。
S+E → P + E
ϕc
(2.4)
S－底物、P－产物、E－酶（游离）。 • 如果酶必须与微生物偶联且只有与在同一底物中的生物 质生长时才起催化作用： ϕ (2.5.a) S g X +E → (2.5.b) • 若假定E浓度正比于生物质浓度，此时X可视为催化剂： ϕ (2.6.a) Sg X → (2.6.b) S + X ϕc P + E → 表示合成产物Ｐ的一种酶催化过程（非生长关联型）。
Haldane方程描述底物抑制情形(参见图2.4)：
µ (S ) = µ0 S
K m + S + S 2 / K1
(2.21.a) (2.21.b)
Km µ 0 = µ m (1 + ) KI
式中KI 是抑制参数
如果忽略底物抑制， Haldane方程还原成 Monod方程。
Monod模型参数估算
O/X
(2.15) (2.16) (2.17)
C－反应器中溶解氧浓度、OTR－氧传递速率、OUR－氧消耗速率。
uX + krX
Yo/x－单位生物质耗氧量，kr－内源呼吸系数。
OTR = kLa(Cs – C)
KLa－质量传递系数、Cs －氧饱和浓度。
Cs 取决于环境中氧分压、温度，盐浓度和液相中表面活性 剂的浓度等KLa 涉及反应器类型、尺寸、空气流率、搅拌 功率和／或料液物性等 Cs 和kLa 难以知道及随时间变化大而不被采用。 • 大多数工业应用可在线测量输入、输出反应器的气体氧流 率表示： OTR＝Q1 －Q2
dS dt dX d dt
= − k 21ϕ g − k 23ϕ m = k32ϕ d
(2) 酶催化
最常见的生物反应过程之一。
S+E → P + E
ϕc
(2.4)
S－底物、P－产物、E－酶（游离）。 • 如果酶必须与微生物偶联且只有与在同一底物中的生物 质生长时才起催化作用： ϕ (2.5.a) S g X +E → (2.5.b) • 若假定E浓度正比于生物质浓度，此时X可视为催化剂： ϕ (2.6.a) Sg X → (2.6.b) S + X ϕc P + E → 表示合成产物Ｐ的一种酶催化过程（非生长关联型）。
Haldane方程描述底物抑制情形(参见图2.4)：
µ (S ) = µ0 S
K m + S + S 2 / K1
(2.21.a) (2.21.b)
Km µ 0 = µ m (1 + ) KI
式中KI 是抑制参数
如果忽略底物抑制， Haldane方程还原成 Monod方程。
Monod模型参数估算
O/X
(2.15) (2.16) (2.17)
C－反应器中溶解氧浓度、OTR－氧传递速率、OUR－氧消耗速率。
uX + krX
Yo/x－单位生物质耗氧量，kr－内源呼吸系数。
OTR = kLa(Cs – C)
KLa－质量传递系数、Cs －氧饱和浓度。
Cs 取决于环境中氧分压、温度，盐浓度和液相中表面活性 剂的浓度等KLa 涉及反应器类型、尺寸、空气流率、搅拌 功率和／或料液物性等 Cs 和kLa 难以知道及随时间变化大而不被采用。 • 大多数工业应用可在线测量输入、输出反应器的气体氧流 率表示： OTR＝Q1 －Q2
生物反应工程原理 PPT课件
dc k2 (a0 c)(b0 c) dt
式中：k2——二级反应速率常数； a0，b0——底物A和底物B的初始浓度； c——t时产物C的浓度。 （9-3）式积分可得
b ( a c) 1 ln 0 0 k 2t a0 b0 a0 (b0 c)
对连锁酶促反应过程，如ABC，有
(9-24)
式中：kL——液膜传质系数； a——传质比表面积； [S]———液体主体中的底物浓度； [S]s——固定化酶表面处底物浓度。 稳定状态下，传质速率等于酶促反应速率。当反应遵循米氏方程规则时，则
N s kL a([S ] [S ]s )
rmax[S ]s K m [ S ]s
酶促反应的特征
酶的催化作用具有专一性、酶的催化作用条件温和、对环境条件极为敏感、 催化效率极高等特征。酶具有降低反应活化能的能力，所有更多的底物将有足 够的能量来形成产物。尽管平衡常数不变，在酶存在时平衡更迅速达到。 对于酶降低反应的活化能的机制有两种模型。一种是契合模型，即酶和底 物通过特异性结合位点精确的契合在一起，形成一个酶-底物复合物进行酶促反 应，也称为锁-钥匙模型。另一种是酶与底物结合时，能改变自身形状，使其活 性中心包围底物并精确地与其结合，此种机制被称为诱导配合模型。当底物分 子相互接触发生反应时，底物与酶先形成一个中间产物，即是将底物分子活化 的过程，活化分子越多反应就越快，然后中间产物再分解得到产物。
d[ S ] rmax dt
式中：[S]——底物浓度； rmax——最大反应速率。 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AB的 过程
db k1 (a0 b) dt
式中：k1——一级反应速率常数； a0——底物A的初始浓度； b——t时产物B的浓度。
生物反应工程ppt课件
19
• (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、最高和最低温度会因环境条件变化而变 化。
微生物细胞生长繁殖的温度范围
35
生物反应器
生物反应器的特点：
• （1）生物(酶除外)反应都以“自催化”方式进行 ，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁 殖
• （2）由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积 反应速率不高；
• （3）与其他相当生产规模的加工过程相比，所需 反应器体积大；
• （4）对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ；产物浓度低。
7
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”。
8
确保酶活力稳定的主要方法
9
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。
10
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的应器设计的基本原理
生物反应器的设计原理是基于强化传质、传热等操作，将 生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。生物反 应器选型与设计的要点：
• (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、最高和最低温度会因环境条件变化而变 化。
微生物细胞生长繁殖的温度范围
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生物反应器
生物反应器的特点：
• （1）生物(酶除外)反应都以“自催化”方式进行 ，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁 殖
• （2）由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积 反应速率不高；
• （3）与其他相当生产规模的加工过程相比，所需 反应器体积大；
• （4）对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ；产物浓度低。
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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”。
8
确保酶活力稳定的主要方法
9
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。
10
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的应器设计的基本原理
生物反应器的设计原理是基于强化传质、传热等操作，将 生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。生物反 应器选型与设计的要点：
《生物反应工程》课件
04
生物反应工程的应用实例
生物燃料的生产
生物燃料的生产是生物反应工程的重要应用之一。通过利用 微生物或酶，将植物油、废弃油脂、二氧化碳等转化为可再 生能源，如生物柴油和生物乙醇。
生物燃料的生产有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气 体排放，并促进可持续能源的发展。
生物塑料的生产
生物塑料是利用生物反应工程生产的 可降解塑料，具有环保、可持续的优 点。
农药的生产等。
生物反应工程的重要性
提高生产效率
通过优化生物反应过程， 可以提高生产效率，降低
生产成本。
保护环境
优化生物反应过程可以减 少废物的产生，降低对环
境的污染。
促进可持续发展
生物反应工程的进步有助 于推动可持续发展，促进 人类社会与自然环境的和
谐共生。
02
生物反应工程的基本原理
生物反应工程的基本原理
酶的生产和应用
酶是生物反应工程中的关键物质，具 有高效催化的特点。
通过微生物培养或酶的提取，可以生 产出各种酶，用于催化各种化学反应 ，如水解、酯化、氧化还原等。酶在 制药、化工、食品等领域有广泛应用 。
05
生物反应工程的未来发展
提高生物反应的效率
优化微生物菌种
通过基因工程技术对微生物菌种 进行改良，提高其代谢效率和产 物产量。
节能减排
研究节能减排技术，降低 生物反应过程中的能耗和 排放，减少对环境的负面 影响。
绿色生产
研究绿色生产技术，减少 对原材料和能源的消耗， 降低生产过程中的环境污 染，实现可持续发展。
谢谢您的聆听
THANKS
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《微生物反应动力学》PPT课件
C 6 H 1 O 6 2 6 x 2 O 2 ( 1 x ) C 2 H 5 O ( 4 x H 2 ) C 2 6 x O 2 O H
x变化则计量系数改变，在发酵过程更常用得率概念。
PTP课件
30
微生物反应过程中的质量衡算:
碳源＋氮源＋氧＝菌体＋有机产物＋CO2＋H2O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数 量关系，最常用 的方法是对各元素进行原子衡算。如果碳源 由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为 CHxOyNz，忽略其他微量元素P, S和灰分等，此时用碳的定量 关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。
PTP课件
8
微生物的特点： 个体小，比表面积大 吸收多，转化快 生长旺，繁殖快 适应强，变异快 分布广，种类多
PTP课件
9
1.4 微生物与发酵工业
发酵过程
利用微生物作为动力，生产某种特定产物的生物化学 过程。
发酵产品
酿造食品，酒精饮料，有机酸，核苷酸，氨基酸类物 质，酶制剂，抗生素，有机溶剂其它化工产品，营养和生 长必需物质，生物制药…。
PTP课件
11
1.6 微生物反应动力学研究目的 微生物工程的基本任务是高效地利用微生物所具有的
内在生产力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产 品，因此必须对微生物反应的整个过程实现有效的控制。 微生物动力学为这一目的提供了部分理论依据。
PTP课件
12
1.7 微生物反应动力学研究内容 微生物反应动力学是研究生物反应速度的规律，即细
PTP课件
16
2.1 研究计量学的目的及计量学特点
ADP ATP
碳源 能源、细胞材料
中间产物 丙酮酸
ATP ADP
x变化则计量系数改变，在发酵过程更常用得率概念。
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微生物反应过程中的质量衡算:
碳源＋氮源＋氧＝菌体＋有机产物＋CO2＋H2O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数 量关系，最常用 的方法是对各元素进行原子衡算。如果碳源 由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为 CHxOyNz，忽略其他微量元素P, S和灰分等，此时用碳的定量 关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。
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8
微生物的特点： 个体小，比表面积大 吸收多，转化快 生长旺，繁殖快 适应强，变异快 分布广，种类多
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1.4 微生物与发酵工业
发酵过程
利用微生物作为动力，生产某种特定产物的生物化学 过程。
发酵产品
酿造食品，酒精饮料，有机酸，核苷酸，氨基酸类物 质，酶制剂，抗生素，有机溶剂其它化工产品，营养和生 长必需物质，生物制药…。
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1.6 微生物反应动力学研究目的 微生物工程的基本任务是高效地利用微生物所具有的
内在生产力，以较低的能耗和物耗最大限度地生产生物产 品，因此必须对微生物反应的整个过程实现有效的控制。 微生物动力学为这一目的提供了部分理论依据。
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1.7 微生物反应动力学研究内容 微生物反应动力学是研究生物反应速度的规律，即细
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2.1 研究计量学的目的及计量学特点
ADP ATP
碳源 能源、细胞材料
中间产物 丙酮酸
ATP ADP
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'
•存在多个产物中间复合物
kKK ' kcat 1 K KK ' KS Km 1 K K '
k3 k1 k2 k4 [ EP]1 [ EP]2 [ EP]3 [ EP]4 EP
1 1 1 1 1 kcat k1 k2 k3 k4
3.
与底物S的浓度相比,酶的浓度很小,因此可以不计由于生成中间复合物[ES] 所消耗的底物.
产物的抑制作用不计. 有两种推导反应速率方程的方法:平衡假设法和拟稳态假设法.
平衡假设法—Michaelis-Menten方程 平衡假设：认为酶催化反应历程中，生成产物一步的反应速率要慢于底物S和酶 形成中间复合物的可逆反应速率，因此生成产物一步的反应速率决定整个酶催 化反应的速率，生成复合物的可逆反应则达到平衡状态。 根据假设有： r rP kC[ ES ] 根据生成复合物的可逆反应有：
1
简单的酶催化反应动力学
指由一种反应物(底物)参与的不可逆反应，例如酶催化的水解反应和 异构化反应。可以写为： E S P 其反应机理可以认为是：首先是底物S和酶E相结合形成中间复合物 [ES]，然后该复合物分解成产物P，并释放出酶E。即有：
S E [ ES] P E
上述反应的速率可表示为: 1 dnS rS V dt 上式中：V--反应体系的体积,L.
第二章
生物反应动力学（8学时）
• 基本要求： 掌握简单酶催化反应动力学、有抑制的和复杂的酶催化反应动 力学，掌握影响酶催化反应速率的因素，以及动力学参数的求取。 了解微生物反应过程的计量学，掌握分批培养时细胞生长动力 学、底物消耗及产物生成动力学，学会细胞反应动力学参数的估算。 了解细胞内生物反应－代谢工程的基础知识，掌握简单的代谢 流量分析，介绍代谢工程进展。 • 重点： 各种情况下的酶和细胞反应（过程）的动力学方程及其在形式 上差异、简单的代谢流量分析。 • 难点： 酶催化反应动力学机理方程的推导。
说明反应机理,即阐明各基元反应如何进行,也就是反应历程.
研究均相酶催化反应的目的:阐明反应机理及设计反应器及其操作. 非均相酶催化反应 指酶和反应物系不处于同一相(液相)中的酶催化反应，同时还存在固相 或另一个液相，因而存在相间的物质传递。这些情况主要有固定化酶反应、 双水相酶反应及有机相酶催化反应等。 这部分内容将在第三章生物反应器中的传质与传热中讨论。
拟稳态假设法—Briggs-Haldane方程 拟稳态假设：认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合物 分解时所得到的酶又立即与底物相结合，使得反应体系中复合物的浓度维持不 变，即中间复合物的浓度不随时间变化，即：
dC[ ES ] dt
dCP kC[ ES ] dt dCS k 1C E C S k 1C[ ES ] dt dC[ ES ] k 1C E C S k 1C[ ES ] kC[ ES ] 0 dt C E 0 C E C[ ES ] C[ ES ] C[ ES ] ( k 1 k ) C[ ES ] C E 0 k 1C S
k 1C E CS k 1C[ ES ] C E C E 0 C E C[ ES ] CE 0 K S C[ ES ] C[ ES ] CS C[ ES ] C[ ES ] (1 KS ) CS k 1C[ ES ] k 1CS KS
C[ ES ] CS
第一节
均相酶催化反应动力学
酶催化反应过程分为：均相酶催化反应过程和非均相酶催化反应过程。 均相酶催化反应
定义: 指酶和反应物系处于同一相(液相)中的酶催化反应.
特点: 不存在相间的物质传递.所描述的反应速率与反应物系的基本关系反映 了该反应过程的本征动力学关系,是分子水平上的反应.本征动力学可以
M-M方程和B-殊情况的讨论：
定义：催化活性中心速率常数 对于M-M和B-H方程， •存在多个中间复合物
kcat
rP ,max CE 0
kcat k
KS K K k ES [ES] [ES]' [ES]'' EP
最后一式即为M-M方程。 该方程中引入了两个参数：
C E 0C S CS K S r C kCE 0CS P ,max S K S CS K S CS
r rP
KS
k 1 k 1
rP,max --P的最大生成速率,mol/(L.S).
rP ,max kCE 0
M-M方程是一个两参数方程。 当从中间复合物生成产物P的速率与其分解成酶和底物的速率相当时，M-M 方程不适用。
0
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式：
最后一式即为B-H方程。 该方程中引入了两个参数：
rP ,max kCE 0 Km k1 k k KS k1 k1
C E 0C S k k C S 1 k 1
r rP
r C kCE 0C S P ,max S k 1 k K m CS CS k 1
1 dn P V dt
rP
底物的消耗速率,mol/(L.S) 产物的生成速率,mol/(L.S)
nS , nP --为底物S和产物P的量,mol.
t—为时间,S.
根据质量作用定律,P的生成速率可以表示为: rP kC[ ES ]
由于中间复合物[ES]的浓度
C[ ES ]
为一难测定的未知量,因此不能用它来表示最
终的速率方程.为此,需用反应体系中的可测量来代替该未知量.这样得到的反应速 率方程可以用来描述反应的进行,知道随着反应的进行各组分浓度的变化情况,据 此可以设计相关的反应器. 下面我们来推导.对于上述反应,我们假设: 1. 在反应过程中,酶浓度保持恒定,即 CE 0 CE C[ ES ]
2.