生物过程的反应原理 张赣道
生物过程的反应原理 张赣道
第一章绪论 1.1概述 1.1.1有关术语 (1)生物工程( bioengineering):生物学与工程学物理过程的结合。包括 (2) biotechnology:应用自然科学、工程学原理,依靠生物催化剂的作用,提供产品或为 社会服务的技术。( the biotech: tree/a three-cempanet central core Fermentation; Enzyme reaction, microbial reaction cell engineering: Gene engineering, Biological treatment for wast water (3) biochemical engineering运用化学工程学原理、方法将生物技术实验成果进行工程化、 产业化开发的一门学科 (4) biochemical reaction engineering以生化反应动力学为基础,运用传递过程原理及工 程学原理与方法,进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计 放大、操作控制等综合边缘学科。 1.12生物技术进展 高新技术一信息(龙头);生物技术(基础),生物学(带头学科);NM(活力) 业产值排序(US)—化工,食品,电器,汽车,矿产, 投资的产业取向85%投资取向在信息、生物技术及纳米材料产业 1.1.2.1生物学—21世纪带头学科 (1)17-18世纪一力学 Newtonian laws;蒸汽机(1712);第一次工业革命。 (2)19世纪—物理、化学: Faraday- Maxwell law. Mendeleey's law,电力(1832); 第二次工业革命
第一章 绪论 1.1概述 1.1.1有关术语 (1)生物工程（bioengineering）:生物学与工程学物理过程的结合。包括….. (2)biotechnology:应用自然科学、工程学原理，依靠生物催化剂的作用，提供产品或为 社会服务的技术。（the biotech.tree/a three-cempanet central core） Fermentation;Enzyme reaction;microbial reaction ;cell engineering;Gene engineering; Biological treatment for wast water (3)biochemical engineering:运用化学工程学原理、方法将生物技术实验成果进行工程化、 产业化开发的一门学科。….. (4) biochemical reaction engineering:以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工 程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、 放大、操作控制等综合边缘学科。 1.1.2生物技术进展 高新技术—信息（龙头）；生物技术（基础），生物学（带头学科）；NM（活力） 产业产值排序（US）—化工，食品，电器，汽车，矿产，….. 投资的产业取向—85%投资取向在信息、生物技术及纳米材料产业 1.1.2.1生物学—21世纪带头学科 (1)17-18世纪—力学:Newtonian laws;蒸汽机（ 1712 ）；第一次工业革命。 (2)19世纪—物理、化学：Faraday-Maxwell law,Mendeleev’s law; 电力（1832）； 第二次工业革命
(3)20世纪—现代物理、控制论:( Einstein) theory of relativity, Quantum-mechanics;原子能、宇航工业 (4)21世纪 biology “生物学的机会”,“2000生物技术”,“生物技术未来”,“未来生物技 术 ——1953: Watson, Crick:DNA双螺旋结构,里程碑! 1972: Cohen, Boyer: reco, tran.(clone 1993: Kary Mullis: PCR-Nobel Prize(chem 1989~2000.6.26人类基因组计划“工作框架图”,2005年(3万人年、30亿$) the lst: antibiotics 1928-1945-50/4000(E) mono. Anti. 1975-1984(N P )diag gene phar. 1982-2002(18/50)87EPO. G-CSF/tPa( genetech Co) gene therapy2100例/97;3476人(425项)/2001 the2nd:植物雄性不育(杂种优势);抗逆性植物;Bt,Doll the 3rd: [m 1,3-PD*DCA, (P)LA PHA, PAA [AA];E]: [OS"]; [Bt]; [Fa*] BE]Aco*(fuel), Diesel,B.H,PEOG,丙烯洗胺 1.1.22生物技术展望 (1)生化过程的集成:动力学、传递过程、设计放大、模拟、控制、优化。 (2)计算生化工程:与基础学科(计算技术)构建,交叉新学科如多相流系统复 杂流场、传递等的计算分析等。 (3)合理药物设计(CAMD)、蛋白质工程(CAPD)
(3)20世纪—现代物理、控制论：（Einstein）theory of relativity， Quantum—mechanics；原子能、宇航工业 (4)21世纪—biology ——“生物学的机会”，“2000生物技术”，“生物技术未来”，“未来生物技 术”…… —— 1953：Watson， Crick：DNA双螺旋结构，里程碑！ 1972：Cohen，Boyer：reco，tran.（clone） 1993：Kary Mullis: PCR-Nobel Prize(chem) 1989~2000.6.26 人类基因组计划“工作框架图” ，2005年（3万人年、30亿$） —— the lst: antibiotics 1928-1945-50/4000(株) mono. Anti. 1975-1984(N.P.)_diag:..… gene.phar. 1982-2002(18/50)_87 EPO.G-CSF/tPA（genetech Co） gene therapy 2100例/97；3476人（425项）/2001 —— the 2nd:植物雄性不育（杂种优势）；抗逆性植物；Bt;Dolly —— the 3rd:[m]1,3-PD*,DCA,(P)LA*,PHA,PAA; [AA*];[E];[OS*];[Bt];[Fa*]; [BE]Alco*(fuel),Bdiesel,B.H,P.E.O/G;丙烯洗胺 1.1.2.2生物技术展望 （1）生化过程的集成:动力学、传递过程、设计放大、模拟、控制、优化。 （2）计算生化工程：与基础学科（计算技术）构建，交叉新学科如多相流系统复 杂流场、传递等的计算分析等。 （3）合理药物设计（CAMD）、蛋白质工程（CAPD）
(4)深入研究基因工程菌、哺乳动物、植物细胞的生长动力学,产物生成动力学 质粒复制与表达动力学。超临界相态下生物反应。发酵中菌体形态变化。界面微生 物生长模型。双液相微生物与酶反应。 新兴学科(50-fem,70 -enzyme,.),任重道远,发展空间 12生化反应工程 12.1研究内容 21.1生化反应动力学(本征一宏观;分子水平—细胞水平一群体;) 121.2生化反应器 (1)反应器中传递过程 (2)反应器的数学模型与数学模拟(设计、放大、分析、模拟、控制、优化) 1.2.2研究方法(MMMS, ng-Opt.) Math Model. Math Simu
（4）深入研究基因工程菌、哺乳动物、植物细胞的生长动力学，产物生成动力学。 质粒复制与表达动力学。超临界相态下生物反应。发酵中菌体形态变化。界面微生 物生长模型。双液相微生物与酶反应。 新兴学科（50’—ferm ,70’—enzyme,…...）,任重道远，发展空间。 1.2生化反应工程 1.2.1研究内容 1.2.1.1生化反应动力学（本征—宏观；分子水平—细胞水平—群体；…..） 1.2.1.2生化反应器 （1）反应器中传递过程 （2）反应器的数学模型与数学模拟（设计、放大、分析、模拟、控制、优化） 1.2.2研究方法（MM,MS,Eng~Opt.）Math.Model,Math Simu
第二章均相酶反应动力学 2.酶的特性 2.1.1酶的分类及命名 EC系统分类及命名法IUB(1964):“EC大类亚类亚亚类统一编号” 大类’一按生化反应类型分为6类,依次为:氧化还原,转移,水解,裂 合,异构,合成 例:EC3.1.1.3—甘油酯水解酶,其惯用各为 Lipase,脂肪酶(底物前有时 还有说明酶来源的词) 2.1.1酶的特性 2.1.2.1酶的催化特性、酶活力 (1) catur/K;分子活力;催化中心活力(酶的转换数);活性极高 (2)酶活力单位[mols],[mmol](U,1kat=6*10U) (比活力:Umg, kat/Kg) 21.22酶的专一性 包括绝对、相对、反应*、底物、立体*、基团、序列专一性
第二章 均相酶反应动力学 2.1酶的特性 2.1.1酶的分类及命名 EC系统分类及命名法—IUB（1964）：“EC大类.亚类.亚亚类.统一编号” ‘大类’—按生化反应类型分为6类，依次为：氧化还原，转移，水解，裂 合，异构，合成 例：EC3.1.1.3—甘油酯水解酶，其惯用各为Lipase，脂肪酶（底物前有时 还有说明酶来源的词） 2.1.1酶的特性 2.1.2.1酶的催化特性、酶活力 ⑴catur/K；分子活力；催化中心活力（酶的转换数）；活性极高 ⑵酶活力单位[mol/s]，[nmol/s]（U，1kat=6*107U） （比活力：U/mg，kat/Kg） 2.1.2.2酶的专一性 包括绝对、相对、反应*、底物、立体*、基团、序列专一性
212.3酶的变性与失活 物理因素:热、压力、UV、X-ray、声波、振荡、冻结. 化学因素:酸、碱、丙酮、乙醇、尿素、表面活性剂、重金属盐、氧化剂、O2 (1)热变性:Topt (2)酸碱变性:(pH)opt (3)氧化变性:巯基酶(SH酶)易在空气中氧化SH→→SS而失活 2.1.24酶的辅助因子 (1)金属离子:金属酶(金属为辅基);与酶为可逆的结合:Nat,K+,Mg2+,Ca2+, Zn2+, Mn2+, Co2+, Fe3+, Mo6+g (2)辅酶、辅基、全酶;辅底物,辅底物的热稳定性-pH 2.1.2.5单体酶、寡聚酶及多酶复合物(化学结构;动力学特征) (1)变构酶(调节酶)一由多个分别具有调节(变构)中心(分激活与抑制中心)和 催化中心的亚基构成。其rCs为S型曲线 (2)同功酶、多功酶
2.1.2.3酶的变性与失活 物理因素：热、压力、UV、X-ray、声波、振荡、冻结… 化学因素：酸、碱、丙酮、乙醇、尿素、表面活性剂、重金属盐、氧化剂、O2... ⑴热变性：Topt ⑵酸碱变性：（pH）opt ⑶氧化变性：巯基酶（SH酶）易在空气中氧化SH S-S而失活 2.1.2.4酶的辅助因子 ⑴金属离子：金属酶（金属为辅基）；与酶为可逆的结合：Na+ ，K+ ，Mg2+ ，Ca2+ ， Zn2+ ，Mn2+ ，Co2+ ，Fe3+ ，Mo6+等 ⑵辅酶、辅基、全酶；辅底物，辅底物的热稳定性—pH 2.1.2.5单体酶、寡聚酶及多酶复合物（化学结构；动力学特征） ⑴变构酶（调节酶）—由多个分别具有调节（变构）中心（分激活与抑制中心）和 催化中心的亚基构成。其r-Cs为S型曲线。 ⑵同功酶、多功酶
21.3酶的固定化 2.1.3均相(水溶液)酶反应的缺点 (1)分离难、费用高、影响质量 (2)难以重复使用 (3)酶易变性失活 2.1.3.2固定化酶 (1)优点:稳定性好,反复使用,连续操作,高纯度的产品,环境友好 (2)缺点:酶损失,增加费用,非均相反应的内扩散影响 (3)方法:载体结合,交联,包埋,混合法 (4)再生:载体结合法中用离子键、物理吸附及疏水键法制备时,其失活的酶可在新 鲜酶溶液中进行酶“置换”并重新固定化。 (5)酶性质的变化: (a)底物专一性:立体障碍 (b)(pH)opt:载体的离子极性 (c)稳定性 (d)动力学常数:D使Km增大,若分配系数>Km是有利
2.1.3酶的固定化 2.1.3.均相（水溶液）酶反应的缺点 ⑴分离难、费用高、影响质量 ⑵难以重复使用 ⑶酶易变性失活 2.1.3.2固定化酶 ⑴优点：稳定性好，反复使用，连续操作，高纯度的产品，环境友好 ⑵缺点：酶损失，增加费用，非均相反应的内扩散影响 ⑶方法：载体结合，交联，包埋，混合法 ⑷再生：载体结合法中用离子键、物理吸附及疏水键法制备时，其失活的酶可在新 鲜酶溶液中进行酶“置换”并重新固定化。 ⑸酶性质的变化： （a）底物专一性：立体障碍 （b）（pH）opt：载体的离子极性 （c）稳定性 （d）动力学常数：D使Km增大，若分配系数>Km是有利
(6)固定化微生物 (a)应用条件:酶分离费用高,分离出的酶不稳定,该固定化酶不稳定,微生物中 不含有活性的催化其它不希望发生反应的酶 (b)优点:成本低,制备周期短,能大规模生产,不受地理季节限制,不会产生 胞内酶在悬浮中出现的酶外泄的问题,不会产生小微生物在搅拌釜中受压大的问题。 (⑦)酶和细胞固定化技术的其它应用 (a)根据体外溶液中进行的固定化酶反应现象来了解、描述细胞内的各种代谢机理 途径 (b)生物燃料电池 (c)自动化测试技术 2.14酶反应的特性 2.1.4.1优点:(1)条件温和,能耗低 (2)反应专一,精制易,体系较纯易于控制,产物浓度高 (3)立体专一性利于不对称合成、制备自然界没有的新物质 (4)用组合酶、底物完成指定的多步合成转换反应
⑹固定化微生物： （a）应用条件：酶分离费用高，分离出的酶不稳定，该固定化酶不稳定，微生物中 不含有活性的催化其它不希望发生反应的酶 （b）优点：成本低，制备周期短，能大规模生产，不受地理季节限制，不会产生 胞内酶在悬浮中出现的酶外泄的问题，不会产生小微生物在搅拌釜中受压大的问题。 ⑺酶和细胞固定化技术的其它应用： （a）根据体外溶液中进行的固定化酶反应现象来了解、描述细胞内的各种代谢机理、 途径 （b）生物燃料电池 （c）自动化测试技术 2.1.4酶反应的特性 2.1.4.1优点：⑴条件温和，能耗低 ⑵反应专一，精制易，体系较纯易于控制，产物浓度高 ⑶立体专一性利于不对称合成、制备自然界没有的新物质 ⑷用组合酶、底物完成指定的多步合成转换反应
2.1.42缺点:(1)只能利用底物中部分组分,一般只能在水溶液中进行 (2)温和的反应条件也易于微生物繁殖易使酶染杂菌。失活后难以再生、复性 (3只限一、二步反应,酶昂贵,较脆弱易变性,失活 22均相酶反应动力学 22.1均相反应一系统可成为均相;预混合rM》r(隐蔽的放大效应) 222单底物酶促反应动力学—“活性中间复合物”学说 ()反应机理(sE、P):s+E=s-2~E+P (2.1) 1如n=k.cC(2 (22) (2)“平衡”假设理论( L Michaelis和 MLMenten(1913)): (a)Cs》CE(b)不考虑k2(c)基元反应[ES]—E+P为控制步骤 Csk1C=K。(Ks解离或平衡或饱和常数)(23) k, C C EO IES, +C E ES]三 Cs+ Ks (2.4)
2.1.4.2缺点：⑴只能利用底物中部分组分，一般只能在水溶液中进行 ⑵温和的反应条件也易于微生物繁殖易使酶染杂菌。失活后难以再生、复性 ⑶只限一、二步反应，酶昂贵，较脆弱易变性，失活 2.2均相酶反应动力学 2.2.1均相反应—系统可成为均相；预混合rM 》r（隐蔽的放大效应） 2.2.2单底物酶促反应动力学—“活性中间复合物”学说 ⑴反应机理（ ）： （2.1） （2.2） ⑵“平衡”假设理论（L Michaelis和M L Menten（1913））： （a）CS 》CE （b）不考虑k-2 （c）基元反应[ES] E+P为控制步骤 （Ks—解离或平衡或饱和常数） （2.3） 而 （2.4） S E P S + E [ES] E + P k+1 k-1 k+2 ( ) ES S P P k C r dt dn V r = = + 2.1 − 1 2 [ ] Cs C Ks C C k k C ES S ES E [ ] [ ] 1 1 = = + − CEO = C[ES ] +CE Cs Ks C C C EO S ES + [ ] =
由式(22)得MMeq:rp=k2CBCs/Cs+Ks)='emCs 2.5) Ks+O (3)“拟稳态”理论( GE Briggs和 JBSHaldane,1925) k-I+k dt 0=k+CECS-(k-1+k+)CL kl C 由 (26) EO LEST E E ·[ES] K +e p,max Cs/KM+es)(2.7) 式中米氏常数K r-1+r+2 K r+2 mol (28) r+1 r+1 l 由式(27)描绘得rs(Ip)Cs曲线为图21(a)Kn最重要的动力学常数,表达 了反应性质、反应条件对rp的影响。当反应速率rp=(1/2)rp,m时的Cs值即为K rs rmax 1/21 图21米氏方程(27) Km
由式（2.2）得M-M eq： （2.5） ⑶“拟稳态”理论（G E Briggs和J B S Haldane，1925） （2.6） 由式（2.7）描绘得rS（rP）—Cs曲线为图2.1（a）Km—最重要的动力学常数，表达 了反应性质、反应条件对rP的影响。当反应速率rP=（1/2）rP，max时的Cs值即为Km。 Ks Cs r Cs r k C C C K P P EO S S S + = + + = max 2 /( ) 1 1 2 [ ] [ ] 0 ( ) E S ES ES k C C k k C dt dC = = + − − + + S ES m S ES E C C K C C k k k C [ ] [ ] 1 1 2 = + = + − + Km Cs rs rmax 1/2rmax (2.8) 1 2 1 1 2 , max /( )(2.7) , + + = + + − + + = = + + = = + l mol r r K r r r K r r C K K C m s p p s M S m s E O S E S E O E S E 式 中米氏常数 由 图2.1 米氏方程（2.7）