生化反应工程周华从课件

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1、制药反应工程 第六章 生化反应工程基础 赵瑞芬 周华从 2015年11月生化反应工程周华从课件本章内容 生化反应工程基础知识； 生化反应工程特点； 酶催化反应及其动力学； 微生物反应及其动力学；6.1概述6.2生化反应动力学基础固定化生物催化剂生化反应器酶和细胞的固定化；固定化生物催化剂的催化动力学； 生化反应器类型； 生化反应器计算6.36.4 生化反应工程基础知识； 生化反应工程特点； 酶催化反应及其动力学； 微生物反应及其动力学；6.1概述6.2生化反应动力学基础生化反应工程周华从课件6.1 概述生化反应生化反应 工程工程生物化学 工程化学反应 工程l 使用生物催化剂；使用生物催化剂；l

2、 生物技术实现产业生物技术实现产业 化的关键之一。化的关键之一。l 生化反应本质是化学反应；生化反应本质是化学反应；l 用化学反应工程的原理和方用化学反应工程的原理和方 法解决生化反应问题法解决生化反应问题生化反应工程将化学反应工程的原理和方法用于生化反应及生化反应器设计、分析及确定最优操作条件的一门科学分支。6.1.1 生化反应工程基础知识生化反应工程周华从课件研究对象：生物催化剂与生化反应、生化反应器设计与分析6.1 概述 反应工程研究内容反应工程反应动力学反应动力学反应器设计与分析反应器设计与分析研究内容：？生化生化生化生化生化生化6.1.1 生化反应工程基础知识生化反应工程周华从课件游

3、离酶或固定化酶、游离细胞或固定化细胞。6.1 概述原料预处理；生物催化剂制备及生化反应；产品分 离与纯化。 应用生物学、化学和工程学的基本原理，利用生物体 （如微生物、动/植物细胞）或其组成部分（如酶或细 胞器)来生产有用物质，或为人类提供某种服务的技术。u生物催化剂：u生化反应：u生物技术：由生物催化剂催化的反应。包括三个过程：生化反应工程周华从课件与化学反应过程相比较，生化反应过程具备以下特点：与化学反应过程相比较，生化反应过程具备以下特点：6.1 概述6.1.2 生化反应工程特点生物催化剂除单酶体系外，多酶或微生物细胞生物催化剂除单酶体系外，多酶或微生物细胞催化体系复杂催化体系复杂；通常

4、为气通常为气液液固多相系统，固多相系统，反应物系复杂反应物系复杂，；，；具有反应具有反应条件温和、催化专一性强和反应选择性高条件温和、催化专一性强和反应选择性高的优点；的优点；生物催化剂对生物催化剂对环境敏感环境敏感，对反应器的构造和过程控制要求较高；，对反应器的构造和过程控制要求较高；反应速率通常受到反应物和产物浓度的限制，且所需反应速率通常受到反应物和产物浓度的限制，且所需反应器体积较大反应器体积较大。生化反应工程周华从课件一、 酶的概述1 酶的分类：酶的分类：p 酶酶(Enzyme)是由活细胞产生的具有催化活性和高度是由活细胞产生的具有催化活性和高度 选择性的选择性的特殊蛋白质特殊蛋白质

5、。组组 成成单纯蛋白质单纯蛋白质 酶蛋白分子与辅助因子组成酶蛋白分子与辅助因子组成全酶全酶p 酶的分类：按照酶催化反应类型，分为：酶的分类：按照酶催化反应类型，分为：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和合成酶氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和合成酶参考：参考：生物化学生物化学，王镜岩，王镜岩 等，第三版，北京大学出版社等，第三版，北京大学出版社6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学生化反应工程周华从课件p 酶具有一般化学催化剂所具有的性质。酶具有一般化学催化剂所具有的性质。降低反应的活化能；降低反应的活化能；不影响反应的平衡常数；不影响反应的平衡常数；加速

6、反应的进行；加速反应的进行；酶本身不被消耗，且能恢复到原来的状态。酶本身不被消耗，且能恢复到原来的状态。p 酶同时具有蛋白质的性质。酶同时具有蛋白质的性质。需要适宜的反应温度、需要适宜的反应温度、pH、溶剂的介电常数、离子强度等，极易、溶剂的介电常数、离子强度等，极易受到物理因素和化学因素的影响，容易失活甚至变性。受到物理因素和化学因素的影响，容易失活甚至变性。6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学2 酶的特性酶的特性 ：生化反应工程周华从课件E (Enzyme), 酶；酶；S (Substrate), 底物；底物；以单底物以单底物S生成产物生成产物P的酶催化反应为例，其反

7、应历程为：的酶催化反应为例，其反应历程为：P (Product), 产物；产物； 酶和底物非共价键结合，形成酶酶和底物非共价键结合，形成酶-底物中间络合物底物中间络合物ES； ES络合物解离，生成产物络合物解离，生成产物P并释放并释放E, 开始下一个底物开始下一个底物 的反应。的反应。6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学3 酶催化反应历程酶催化反应历程 ：ESES+E +P生化反应工程周华从课件 酶的活性：酶的活性：即酶催化反应速率，在规定条件下，每微摩即酶催化反应速率，在规定条件下，每微摩尔酶每分钟催化底物转化的微摩尔数。尔酶每分钟催化底物转化的微摩尔数。 酶单位：酶单

8、位：在规定条件下，每分钟催化在规定条件下，每分钟催化1微摩尔底物转化微摩尔底物转化为产物所需的酶量，定义为一个酶单位（为产物所需的酶量，定义为一个酶单位（U, Unit）。）。二者关系：二者关系：若酶的活性为若酶的活性为 a mol /(min mol ），则一个酶单位可表），则一个酶单位可表示为示为 1/a mol/(min mol )6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学4 酶的活性定义：酶的活性定义：E1 S1 P生化反应工程周华从课件酶催化与化学催化反应能量变化酶催化与化学催化反应能量变化与化学催化相比较，酶催化有如下特点：与化学催化相比较，酶催化有如下特点：6.2

9、 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学5 酶催化特点：酶催化特点： 酶的催化效率高：通常比非酶催化高酶的催化效率高：通常比非酶催化高107 1013倍。倍。？酶催化酶催化降低了从底物到降低了从底物到过渡态络合物所需的活过渡态络合物所需的活化能化能，且不改变反应中，且不改变反应中总能量的变化。总能量的变化。生化反应工程周华从课件专一性专一性酶对底物的专一性酶对底物的专一性底物结构专一性底物结构专一性立体专一性立体专一性酶对基团的专一性酶对基团的专一性 酶催化反应具有高度的专一性：酶催化反应具有高度的专一性：酶对反应的专一性酶对反应的专一性6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化

10、反应及其动力学5 酶催化特点：酶催化特点：SP1P2P3E1E2E3生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学 反应条件温和；反应条件温和； 选择性高，副产物少，易于分离；选择性高，副产物少，易于分离；对环境因素敏感，具有适宜的反应温度、对环境因素敏感，具有适宜的反应温度、pH、离子、离子 强度等。强度等。 5 酶催化特点：酶催化特点：生化反应工程周华从课件 反应温度：酶催化反应速率与温度曲线呈钟罩形。反应温度：酶催化反应速率与温度曲线呈钟罩形。 反应反应pH：影响酶与底物结合和解离的速率；甚至影响：影响酶与底物结合和解离的速率；甚至影响 酶的空间结构酶的

11、空间结构6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学6 影响酶催化反应速率的因素：影响酶催化反应速率的因素： 酶浓度、底物浓度、产物浓度、离子强度和抑制剂等。酶浓度、底物浓度、产物浓度、离子强度和抑制剂等。生化反应工程周华从课件对于典型的单底物酶催化反应：对于典型的单底物酶催化反应：反应机理可表示为：反应机理可表示为：6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学二 单底物酶催化反应动力学米氏方程E SPESES+E +Pk1k1k2一定条件下，反应速率一定条件下，反应速率 r与底物浓度与底物浓度S关系：关系：生化反应工程周华从课件 通过米氏方程通过米氏方程(Mich

12、aelis-Menten Equation)定量描述反应速率与定量描述反应速率与底物浓度的关系：底物浓度的关系：cS为底物为底物S的浓度；的浓度；rmax=k2cE0是是最大反应速率最大反应速率(所有酶分子均与底物结合所有酶分子均与底物结合)，其中其中cE0为酶的初始浓度；为酶的初始浓度；6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学SmaxSPmSddddcrccrttKcKmk1k2+k1，称为米氏常数，表示，称为米氏常数，表示酶和底酶和底物间的亲和力大小物间的亲和力大小：Km越小，则亲和力越大，越小，则亲和力越大，ES越不易解离；越不易解离； Km与酶与酶催化反应物系的特性及

13、其反应条件有关，是催化反应物系的特性及其反应条件有关，是酶催化反应性质的特性常数酶催化反应性质的特性常数。生化反应工程周华从课件底物浓度与酶催化反应速率的关系底物浓度与酶催化反应速率的关系当当cSKm时，底物浓度低，一级反应；时，底物浓度低，一级反应；当底物浓度为中间值时，随着当底物浓度为中间值时，随着cS增大反增大反应从一级向零级过渡，为变级数过程。应从一级向零级过渡，为变级数过程。6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学当当cSKm时，底物浓度高，零级反应；时，底物浓度高，零级反应；当当Km=cS时，时，r = rmax/2Km数值上等于反应速率为数值上等于反应速率为rm

14、ax/2 时时cS的值。的值。maxSmaxmmSS=1rcrrKKcc生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学米氏方程变形公式米氏方程变形公式Lineweaver-Burk法（法（L-B法）法）maxSmSrcrKcmmaxmaxS111Krcrr斜率斜率Km/rmax截距截距1/rmax截距截距1/Km截距截距1/Km1rS1c酶催化酶催化L-B图图生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学例题分析例题分析例题（例题（P251）：在）：在pH为为5.1及及15下，测得葡萄糖淀粉酶水解下，测得葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖

15、的初速率与麦芽糖浓度的关系如下：麦芽糖的初速率与麦芽糖浓度的关系如下：求：该淀粉酶水解麦芽糖反应的求：该淀粉酶水解麦芽糖反应的Km和和rmax？生化反应工程周华从课件 酶催化反应中，某些物质（外源物质、反应底物或产物等）的存在酶催化反应中，某些物质（外源物质、反应底物或产物等）的存在使反应速率下降，这些物质被称作使反应速率下降，这些物质被称作抑制剂抑制剂(I, Inhibitor)，其效应称为，其效应称为抑抑制作用制作用。可逆抑制：酶与抑制剂之间靠可逆抑制：酶与抑制剂之间靠非共价键非共价键结合，存在解离结合，存在解离 平衡，可通过透析等方法除去平衡，可通过透析等方法除去不可逆抑制：酶与抑制剂之

16、间靠不可逆抑制：酶与抑制剂之间靠共价键共价键相结合，使活性酶相结合，使活性酶 浓度降低浓度降低根据抑制机理不同，可逆抑制分为：根据抑制机理不同，可逆抑制分为：竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制、底物抑制。竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制、底物抑制。6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学三 有抑制作用时的酶催化反应动力学抑制作用抑制作用生化反应工程周华从课件1 1 竞争性抑制竞争性抑制 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。性位），

17、阻碍了底物与酶相结合，导致酶催化反应速率降低。ESES+E +Pk1k1k2E + Ik3k3EI6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学KI表示抑制物与酶的亲和力大小；表示抑制物与酶的亲和力大小；ImImI(1)cKKK可增加底物浓度来提高反应速率。可增加底物浓度来提高反应速率。KmI为有竞争性抑制时的米氏常数。为有竞争性抑制时的米氏常数。maxSmISrcrKc其中，其中，1 1 竞争性抑制竞争性抑制生化反应工程周华从课件 抑制物与酶的非活性部位结合，形成抑制物抑制物与酶的非活性部位结合，形成

18、抑制物酶的络合物后再与底物酶的络合物后再与底物结合，或者部分底物结合，或者部分底物酶络合物与抑制物结合，所形成的底物酶络合物与抑制物结合，所形成的底物酶酶抑抑制物不能直接生成产物，导致酶催化反应速率降低。制物不能直接生成产物，导致酶催化反应速率降低。ESES+E +Pk1k1k2I+k3k3EIS+SEIk1k1I+k4k42 2 非竞争性抑制非竞争性抑制6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学maxI,maxII1rrcK非竞争性抑制时的最大速率：非竞争性抑制时的最大速率：增加反应物浓度也不能减

19、弱非竞争性抑制增加反应物浓度也不能减弱非竞争性抑制物对反应速率的影响。物对反应速率的影响。I,maxSmSrcrKc2 2 非竞争性抑制非竞争性抑制生化反应工程周华从课件 有些抑制剂不能直接与游离酶相结合，而只能与底物有些抑制剂不能直接与游离酶相结合，而只能与底物-酶络合物相酶络合物相结合，形成底物结合，形成底物酶酶抑制剂中间络合物，且该络合物不能生成产物，抑制剂中间络合物，且该络合物不能生成产物，使酶催化反应速率下降。使酶催化反应速率下降。ESES+E +Pk1k1k2ES + Ik3k3SEI3 3 反竞争性抑制反竞争性抑制6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学生化反应

20、工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学maxI,maxII1rrcKmmIII1KKcKI,maxSmISrcrKc3 3 反竞争性抑制反竞争性抑制生化反应工程周华从课件 酶催化反应速率随底物浓度的升高先增大后降低，高浓度底物造成酶催化反应速率随底物浓度的升高先增大后降低，高浓度底物造成反应速率下降。底物抑制是由于多个底物分子与酶的活性中心结合，所反应速率下降。底物抑制是由于多个底物分子与酶的活性中心结合，所形成的络合物不能分解为产物所致。形成的络合物不能分解为产物所致。4 4 底物抑制底物抑制6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学ESES

21、+E +Pk1k1k2+Sk3k3SES生化反应工程周华从课件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。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。6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学maxSSmSS(1)rcrcKcKk3k3KS，底物抑制时的解离常数，底物抑制时的解离常数Sd0drcS,optmScK K对对cS求导，令求导，令，得，得底物抑制时底物抑制时r-cS关系关系(optimal)4 4 底物抑制底物抑制生化反应工程周华从课件rmax6.2 生化反应动力学基础6.2.1 酶催化反应及其动力学有/无抑制作用时的酶催化反应动力学对比无

22、抑制无抑制竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制底物抑制底物抑制KmrmaxcS , 则则 r？rmaxImImI(1)cKKKmaxI,maxII1rrcKmaxI,maxII1rrcKmmIII1KKcKKmrmaxKmKmXX生化反应工程周华从课件 微生物反应微生物反应(发酵过程发酵过程)是利用微生物中特定的酶系进行的是利用微生物中特定的酶系进行的复杂生化反应过程。复杂生化反应过程。厌氧发酵（乙醇发酵、丙酮丁醇发酵和乳酸发酵等）厌氧发酵（乙醇发酵、丙酮丁醇发酵和乳酸发酵等）通气发酵（抗生素发酵、氨基酸发酵等）通气发酵（抗生素发酵、氨基酸发酵等）发酵产品种类发

23、酵产品种类微生物细胞本身微生物细胞本身微生物代谢产物或转化产物微生物代谢产物或转化产物微生物酶微生物酶代谢过程本身（如废水处理）代谢过程本身（如废水处理）6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学对氧气的需求对氧气的需求生化反应工程周华从课件微生物反应包括以下过程：微生物反应包括以下过程：质量传递过程：营养物质向微生物细胞内的传递和代谢产物向细胞外质量传递过程：营养物质向微生物细胞内的传递和代谢产物向细胞外 的传递；氧气扩散与传递的传递；氧气扩散与传递微生物细胞生长与代谢过程；微生物细胞生长与代谢过程；微生物群体的退化与变异过程。微生物群体的退化与变异过程。 以代谢产物为目标

24、产物的微生物反应过程中，生化反应以代谢产物为目标产物的微生物反应过程中，生化反应速率及其影响因素：速率及其影响因素：1 细胞生长速率；细胞生长速率；2 基质消耗速率；基质消耗速率；3 产物生成速率；产物生成速率；4 氧的消耗速率。氧的消耗速率。6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学生化反应工程周华从课件 细胞的生长速率细胞的生长速率rx：在单位体积培养液中，单位时间内生成的细胞：在单位体积培养液中，单位时间内生成的细胞（菌体）量，即：（菌体）量，即：在给定条件下，细胞生长可以用细胞浓度变化来定量描述。在给定条件下，细胞生长可以用细胞浓度变化来定量描述。xd1dxmrVt

25、V为培养液体积，为培养液体积，mx为细胞质量。对于恒容过程，细胞的生长速率为细胞质量。对于恒容过程，细胞的生长速率可定义为：可定义为：xxxddd11dddxmmcrVtVttcx为细胞浓度，常用单位体积培养液中所含细胞干重表示。为细胞浓度，常用单位体积培养液中所含细胞干重表示。6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学一 细胞生长动力学生化反应工程周华从课件xx=rc 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，比例系数为速率与细胞浓度成正比，比例系数为，即，即 表示单位菌体浓度的细胞

26、生长速率，是描述细胞生长速率的一个表示单位菌体浓度的细胞生长速率，是描述细胞生长速率的一个重要参数，称为重要参数，称为比生长速率比生长速率。比生长速率大小表示菌体增长的能力，受。比生长速率大小表示菌体增长的能力，受到菌株和各种物理化学环境因素的影响。到菌株和各种物理化学环境因素的影响。6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学生化反应工程周华从课件在细胞间歇培养中的比生长速率为在细胞间歇培养中的比生长速率为xxd1=dcct cx0为起始菌体浓度。为起始菌体浓度。6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学当细胞处于指数生长期时，当细胞处于指数生长期时，一般为

27、常数，所以一般为常数，所以xx01= lnctc生化反应工程周华从课件 针对确定的菌株，在温度和针对确定的菌株，在温度和pH等恒定时，细胞比生长速率与等恒定时，细胞比生长速率与限制型限制型底物浓度底物浓度的关系可以用的关系可以用Monod方程表示。方程表示。6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学细胞的生长均为均衡性生长，描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度；细胞的生长均为均衡性生长，描述细胞生长的唯一变量是细胞浓度；培养基中仅有一种底物是细胞生长限制性基质，其余组分均过量，培养基中仅有一种底物是细胞生长限制性基质，其余组分均过量， 其变化不影响细胞生长。其变化不影响细胞生长。

28、 将细胞生长视为单一反应，且将细胞生长视为单一反应，且对基质的细胞收率对基质的细胞收率Yx/S为常数。为常数。 Yx/S为每消耗单位质量基质所生成的细胞质量。为每消耗单位质量基质所生成的细胞质量。Monod方程假设：方程假设：生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学maxSSS=cKccS为限制性基质的浓度（为限制性基质的浓度（g/L）；）；max为最大比生长速率（为最大比生长速率（h-1）;Ks为饱和系数（为饱和系数（g/L），即），即Monod常数，其值等于最大比生长速率常数，其值等于最大比生长速率一半时限制性基质的浓度，是表征某种生长限制性基质与

29、细胞生长一半时限制性基质的浓度，是表征某种生长限制性基质与细胞生长速率间依赖关系的一个常数。速率间依赖关系的一个常数。Monod方程：方程：xx=rc，由于，由于maxSxSS()xcrcKc得到得到生化反应工程周华从课件当当cSKs时，时，maxSScK，一级动力学关系；，一级动力学关系； max，零级动力学关系。，零级动力学关系。6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学当当cSKs时，时，细胞比生长速率与限制性底物浓度关系细胞比生长速率与限制性底物浓度关系maxSSS=cKc生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学例题分析例题分

30、析例题例题(P259)：在全混流反应器中，以葡萄糖为限制性基质，在一定条件：在全混流反应器中，以葡萄糖为限制性基质，在一定条件下培养下培养曲霉曲霉sp。实验测得不同基质浓度下曲霉。实验测得不同基质浓度下曲霉sp比生长速率如下所示：比生长速率如下所示：c cS S(mg/L)(mg/L)50050025025012512562.562.531.231.215.615.67.87.810102 2/ /h h-1-19.549.547.727.725.585.583.593.592.092.091.141.140.60.6若该条件下曲霉若该条件下曲霉sp生长符合生长符合Monod方程，试求该条件下

31、的方程，试求该条件下的max和和KS。生化反应工程周华从课件SSddcrt 基质的比消耗速率基质的比消耗速率qS：单位细胞浓度的基质消耗速率。单位细胞浓度的基质消耗速率。产物的比生成速率产物的比生成速率qP: 单位细胞浓度产物的生成速率。单位细胞浓度产物的生成速率。SSSxxd1drcqcct PPPxxd1drcqcct6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学二 基质消耗动力学 基质消耗速率：基质消耗速率：在单位体积培养基单位时间内消耗基质在单位体积培养基单位时间内消耗基质(碳源、碳源、氮源、氧等氮源、氧等)的质量。以单一限制性基质消耗动力学为例：的质量。以单一限制性基质

32、消耗动力学为例：在间歇培养中基质消耗速率为：在间歇培养中基质消耗速率为：生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学三 产物生成动力学根据产物形成与细胞生长间的不同关系根据产物形成与细胞生长间的不同关系,发酵过程可分为发酵过程可分为型、型、型和型和型。型。型：细胞生长与产物合成耦联型型：细胞生长与产物合成耦联型，即细胞生长与产物合成直接相关连，即细胞生长与产物合成直接相关连，它们之间是同步的。它们之间是同步的。YP/x：单位质量细胞单位时间内产物的得率。：单位质量细胞单位时间内产物的得率。PP/x xP/xxrYrYcPPPxxd1drcqcctPP/xq

33、Y主要是葡萄糖代谢的初级中间产物，主要是葡萄糖代谢的初级中间产物，如乙醇、乳酸发酵等如乙醇、乳酸发酵等生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学 型：细胞生长与产物合成半耦联型型：细胞生长与产物合成半耦联型，即产物的生成与细胞的生长部分，即产物的生成与细胞的生长部分耦联，细胞生长前期基本无产物生成，一旦有产物生成后，产物的生成速率耦联，细胞生长前期基本无产物生成，一旦有产物生成后，产物的生成速率既与细胞生长有关，又与细菌浓度有关。既与细胞生长有关，又与细菌浓度有关。PxxrrcPqPPPxxd1drcqcct(、为常数为常数)谷氨酸发酵和柠檬酸发酵等。谷

34、氨酸发酵和柠檬酸发酵等。生化反应工程周华从课件Pxrc 型：细胞生长与产物合成非耦联型型：细胞生长与产物合成非耦联型，即产物的生成与细胞生长无，即产物的生成与细胞生长无直接关系，即当细胞处于生长阶段时无产物积累，细胞停止生长后才有直接关系，即当细胞处于生长阶段时无产物积累，细胞停止生长后才有大量产物生成。大量产物生成。6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学多数次生代谢产物，如抗生素发酵等。多数次生代谢产物，如抗生素发酵等。PqPPPxxd1drcqcct生化反应工程周华从课件6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学产物生成和细胞生长三种关系的比较产物生

35、成和细胞生长三种关系的比较生化反应工程周华从课件222OxOx/OddcrrtY 6.2 生化反应动力学基础6.2.2 微生物的反应过程动力学四 氧的消耗速率 氧的消耗速率亦称摄氧率（氧的消耗速率亦称摄氧率（Oxygen Uptake Rate, OUR）,表示表示单位体积培养液中，细胞在单位时间内消耗（或摄取）的氧量。单位体积培养液中，细胞在单位时间内消耗（或摄取）的氧量。Yx/O2为对氧的菌体得率。为对氧的菌体得率。比耗氧速率比耗氧速率qO2，亦称呼吸强度，亦称呼吸强度，表示单位菌体浓度的氧消耗速率，即，表示单位菌体浓度的氧消耗速率，即2222OxOxx/Oxx/O1=rrqcYcY生化反

36、应工程周华从课件=氧消耗量 基质燃烧需氧量-细胞燃烧需氧量-代谢产物产物燃烧需氧量22O /xP/xP/xx/Ox/Sx/S11YAABY CBY CYYY对于一般微生物反应，总的需氧量与以燃烧反应为基准的物料平衡有关。对于一般微生物反应，总的需氧量与以燃烧反应为基准的物料平衡有关。生成生成1 g 细胞所消耗的氧量可表示为：细胞所消耗的氧量可表示为：2222OxOP/xxx/Oxx/Ox/S1=()rrAqBY CcYcYYA、B、C分别表示分别表示1 g 基质、细胞和代谢产物完全燃烧生成基质、细胞和代谢产物完全燃烧生成CO2和和H2O时的需氧量。时的需氧量。6.2 生化反应动力学基础6.2.

37、2 微生物的反应过程动力学生化反应工程周华从课件6.1 6.2 知识点回顾 基础知识 生物催化剂生物催化剂 生化反应过程特点生化反应过程特点 理解酶的双重特性；理解酶的双重特性； 酶催化的特点；酶催化的特点； 影响酶催化反应速率的因素；影响酶催化反应速率的因素； 米氏方程及参数意义：米氏方程及参数意义： 四种抑制作用机理及动力学表达式四种抑制作用机理及动力学表达式 MonodMonod方程：方程：基质比消耗速率基质比消耗速率qS产物比生成速率产物比生成速率qP 三种产物生成与细胞生长三种产物生成与细胞生长 关系及动力学表达式关系及动力学表达式酶催化反应动力学maxSmSrcrKc微生物反应过程动力学maxSSS=cKc 细胞生长速率细胞生长速率rx 比生长速率比生长速率 基质消耗速率基质消耗速率rS