Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы биоинженерии. Учебно-методическое пособие
.pdf
соединения. Их можно найти экспериментально, путём изменения состава среды и
определения скорости роста.
3. Все реакции в клетке осуществляются и регулируются путем
ферментативного катализа, где в качестве биокатализаторов выступают ферменты
– глобулярные белки. Сейчас известно около 2000 ферментов. По классификации,
рекомендованной Комиссией по ферментам, принято подразделять ферменты на 6
типов – по катализируемой реакции:
- оксиредуктазы – окислительно-восстановительные реакции
- трансферазы – перенос функциональных групп
- гидролазы – реакции гидролиза
- лиазы – присоединение по двойным связям
- изомеразы – реакции изомеризации
- лигазы – образование связей с расщеплением АТФ (С–О; С–S;С–N;С–С ).
Фермент – катализатор, то есть вещество, которое повышает скорость химиче-
ской реакций, не претерпевая изменений, не нарушая равновесия
реакций. Катализатор бывает специфичным и неспецифичным. Специфичность фермента обусловлена его сложной объемной структурой, которая позволяет сформировать активный центр, отвечающий за каталитические свойства фермента. Отличительная
черта многих ферментов - наличие Со–факторов - соединений небелковой природы, неактивный белок называется апоферментом. Кофакторы бывают двух типов:
2+
- ионы металла: Са
,Со2+,Си2+, Fе
-сложные органические соединения – NAD, FAD, Ацетил-С
2+
или Fе3+, Мg2+ и другие.
А, АТФ-Со–
о
ферменты. Интересно, что ферменты с одинаковыми названиями, но выделенные
из разных организмов, часто имеют различные аминокислотные
последовательности и по этой причине различаются по свойствам и
каталитической активности. Поэтому желательно указывать полное название
продуцирующего этот фермент организма.
4. Единая теория механизма действия ферментов пока не создана, но есть
много гипотез. С помощью различных экспертных методов (рентгеноструктурный
анализ, спектроскопические методы, ПМР и др.) доказано существование
фермент- субстратных комплексов. (Субстрат - вещество, вступающее в
катализирующую реакцию). Субстрат связывается с ферментом в определенной
части молекулы фермента в активном центре, именно там идет реакция и
образуется продукт. Комплекс образуется тогда, когда субстратный «ключ»
входит
в ферментный «замок». При этом молекула фермента сложена таким
образом, что реакционноспособные группы в боковых цепях некоторых
аминокислот образуют специфичную конструкцию, точно отвечающую
конфигураций субстрата. У многих ферментов - несколько активных центров.
21
Для объяснения ферментной активности есть три подхода:
-эффект сближения: фермент связывает молекулы двух субстратов так, что
реакционные группы располагаются поблизости друг от друга и от
катализируемых групп фермента, что способствует ускорению химической
реакции; -эффект ориентации: если молекулы двух субстратов не обладают сферической
симметрией, то реакция будет легче протекать в том
случае, если молекулу
ориентировать так, чтобы реакционные группы были ориентированы
относительно друг друга;
-индуцированное соответствие: при связывании субстрата меняется
конформация фермента, то есть пространственная структура, причем в ходе
процесса образуется несколько фермент – субстратных комплексов, в результате
идет тщательная пространственная подгонка групп, то есть реализуется эффект
сближения и ориентации.
Кинетика простых
ферментных реакций с одним и двумя субстратами
Рассмотрим реакцию S→Р, S – субстрат, Р - продукт
Скорость U = dS/dτ = dP⁄dτ [моль/л·с] число молей вещества в единице объема
в единицу времени. Для получения кинетики используют экспериментальные
данные, например:
концентрация декстрозы, мг/мл
160
120
80
40
20 40 60 80 100 τ,мин
Определение скорости
гидролиза крахмала глюкоамилазой
Обычно определяют начальные скорости реакций в момент времени τ=0, но по
графику видим, что при τ=0 в смеси уже есть продукт реакции, это вносит
погрешность и сложности в применение метода начальных скоростей, но на
практике пользуются именно им. При расчетах необходимо понятие – единица
активности – то есть количество
фермента, которое обладает определенной
каталитической активностью в заданных для этого фермента стандартных
условиях. Эта единица – для каждого фермента имеет свое специфическое
определение и даже один фермент в зависимости от конкретных условий имеет
несколько определений активности.
22
Уравнение Михаэлиса – Ментена
В 1902 г. Анри на основе экспериментальных данных вывел зависимость:
где
Ư=Ưmax*S/(Km+S), где Ưmax = α ℓ
0,
(α=k2), ℓ0 – концентрация фермента.
В 1913 г. теоретически обосновали это уравнение Михаэлис и Ментен.
Основные положения их гипотезы.
1. Фермент Е и субстрат S образуют комплекс, который затем диссоциирует на
продукт Р и Е:
S+E↔ES – Фермент - субстратный комплекс
ES→P+E
Если первая реакция обратима, то вторая реакция необратима.
υ моль/л⋅с
υmax = αℓ
0
½ υmax
Km S моль/л
Se/(Se)=k-1/k1=Km-const. диссоциации.
Ư=dp/dτ=k
(es) причем е+(es)=ℓ0 – общая концентрация фермента в системе.
2
Тогда получаем:
Ưmax= k
то есть Ư = Ưmax * S/Km+S – уравнение Михаэлиса – Ментена.
2ℓ0 ,
Ưmax – max или предельная скорость, Km – const. Михаэлиса
После интегрирования: Ư max τ= S
-S+Km ℓn S0/S можно рассчитать время
0
для достижения нужной концентрации субстрата.
Отклонения от уравнения Михаэлиса-Ментена. Активация и ингибирование
ферментов субстратами. В некоторых случаях кинетическая кривая носит
необычный характер:
υ υmax
S
Активация. При низких концентрациях S связывание фермента одной моле-
кулы субстрата повышает скорость связывания следующей молекулы, то
есть
dƯ/dS возрастает. Например, при связывании субстрата субъединицами белка.
23
Иногда в присутствии большого количества S скорость катализируемой ферментами реакции уменьшается.
υ
υmax
Smax
S
5. Регуляция ферментативной активности. Изменять каталитическую
активность фермента могут не только S, но и другие взаимодействующие с
ферментом вещества, которые называются модуляторами или эффекторами
(ингибиторы и активаторы).
Взаимодействие фермента с эффектором – химическая реакция
, которая может
быть обратимой, частично обратимой и необратимой. Необратимые ингибиторы –
яды. В этом случае кинетика не подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментена.
Большинство микроорганизмов могут синтезировать множество сложных
соединений из небольшого числа предшественников. Как осуществить процесс с
максимальным выходом и минимальными затратами?
Одним из регуляторных механизмов, используемых клеткой для достижения
максимально эффективного
усвоения питательных веществ, является обратимая
регуляция ферментной активности. Простой пример:
L Треонин → Р
→ Р2 → Р3 → Р3 → Р4 → L Изолейцин - пятистадийная
1
последовательная зависимость. Регуляция этой последовательности происходит
путем ингибирования по принципу обратной связи, то есть биосинтез изолейцина
будет тормозиться по мере его накопления. Такая регуляция должна быть
обратимой: когда весь изолейцин израсходуется, то ингбирование Е
прекратится
1
и начнется синтез. В этом случае пригодно уравнение Михаэлиса-Ментена. Все
ингибиторы классифицируют по их влиянию на параметры Ưmax и Кm.
Конкурентные ингибиторы – Кm ↑, Ưmax – const.
Эффект ингибирования можно снять путем повышения концентрации S .
Неконкурентные ингибиторы – Ưmax ↓ , Кm – сonst. За счет ↑ концентраций S
ингибирование не снимается.
6. Одна из
основных характеристик фермента при их практическом
использовании – скорость снижения каталитической активности, особенно в
проточных ферментерах непрерывного действия. Полезное время жизни
ферментного биокатализатора определяет экономическую целесообразность всего
процесса.
24
Механизм денатураций белков. Известно, что структура белков стабилизируется за счет слабых взаимодействий, в результате обеспечивается важная для жизнедеятельности молекулярная подвижность. С другой стороны, это значит, что
белки могут легко принимать несколько разных по активности конформаций.
Стабильность нативной структуры белков очень низкая.
Факторы, вызывающие денатурацию приведены в следующей таблице :
Факторы Типы взаимодействий, связей,
группировок
Физические
Нагревание
Охлаждение
Радиация Функциональные группы
Механические силы Сольватированные группы, пустоты
Химические
Кислоты Расположенные в глубине молекулы
Основания, органические соединения,
образующие водородные связи
Соли Полярные и неполярные группы
Растворители Неполярные группы
ПАВ Гидрофобные участки и
Оксиданты Функциональные группы
Ионы тяжелых металлов Функциональные группы
Хелатообразующие агенты Катионы, необходимые для структуры
Биологические
Протеазы Пептидные связи
Водородные связи, гидрофобные связи,
сольватированные группы
незаряженной группы
Водородные связи
заряженные
группы
белка
К внешним проявлениям денатураций белков относится изменение
растворимости, образование гелей или кристаллов, нарушение биологической,
каталитической или другой активности.
Обычно главную роль играет не отдельный фактор, а их комбинация. В
технологии важно, например, при охлаждении фермента, подобрать такие
условия, чтобы не было необратимой потери активности фермента.
Вопросы для самоподготовки
1. Факторы, вызывающие денатурацию ферментов.
2. Конкурентные и неконкурентные ингибиторы.
3. Уравнение Михаэлиса-Ментена.
25
4. Микробные клетки – основные объекты биотехнологии микроорганизмов. Общая
взаимосвязь процессов анаболизма и катаболизма. Эффект Пастера.
5.Трехстадийный распад молекул питательных веществ. Конечные продукты
метаболизма.
6. Общие сведения о ферментах.
7. Фермент-субстратные комплексы и механизм действия ферментов.
8. Регуляция ферментативной активности.
9. Инактивация ферментов.
26
Лекция 3.
Задачи проектирования. Организация проектирования. Понятие о
технико-экономическом обосновании проектирования и строительства.
Состав технического проекта.
План лекции
1. Задачи проектирования. Понятие о технико-экономическом обосновании
проектирования и строительства
Выбор площадки для строительства
2.
3. Разработка задания
4. Проектирование
5. Состав технического проекта
1. Строительство новых и реконструкция действующих предприятий связаны
с большими затратами материалов, сил и средств, поэтому до проектирования
следует обосновать необходимость, целесообразность и экономическую
эффективность этих работ, и выбрать площадку под строительство. Для этого
сначала составляют ТЭО – технико-экономическое
строительства (или реконструкции), которое состоит из следующих разделов:
- исходные положения – характеристика предприятия, оценка и анализ его
деятельности, основные ТЭП;
- определение проектной мощности и специализация предприятия,
обоснование ассортимента, требования к качеству;
- обеспечение сырьем, основными материалами, топливом, энергоресурсами и
т.д.;
- обоснование размещения предприятия, схема генерального плана
транспорт;
- основные технологические решения предприятия: обзор существующих
методов и их сравнение; рекомендуемая технология, технологические решения;
обоснование выбора оборудования; состав предприятия и схема производства;
характеристика и обоснование технологических решений; требования к уровню
механизации и автоматизации; схема кооперирования;
- охрана окружающей среды;
- основные строительные рекомендации;
- сроки строительства и решения по организации
- объем капитальных вложений и экономика;
- выводы и предложения.
обоснование проектирования и
и
строительства;
2. Она выбирается до утверждения задания на проектирование в районе или
пункте, установленном схемой развития и размещения соответствующей отрасли.
27
В процессе выбора площадки сопоставляются все факторы и ТЭ расчеты по обследованным площадкам с точки зрения наилучшего удовлетворения условий
строительства и эксплуатации предприятия с учетом:
- размера и конфигурации предприятия, возможности расширения
производства;
- принадлежности земель и их пригодности для сельского хозяйства;
- гидрогеологических качеств площадки (рельеф, средний уклон, уровень
грунтовых
вод и т.д.);
- сноса строений, близости к городу, условий сообщения с ним;
- удовлетворения санитарно-гигиенических и технических требований;
- условий получения энергии, протяженности энерго-, тепло-, газо-, водотрасс;
- условий сброса сточных вод;
- наличия подъездных дорог;
- наличия факторов, осложняющих строительство.
Комиссия, созданная министерством или ведомством – заказчиком, составляет
акт о выборе
площадки, который оформляется в местном акимате и утверждается
соответствующими органами.
3. Задание составляется в полном соответствии с принятыми в ТЭО
решениями, в нем указывается:
- наименование предприятия;
- основание для проектирования;
- район, пункт, площадка;
- мощность и номенклатура;
- режим работы;
- решения о кооперировании;
- требования по защите окружающей среды;
- данные для
проектирования объектов жилищного и культурно-бытового
строительства;
- основные ТЭП;
- сроки;
- стадийность проектирования;
- генеральный проектировщик;
- наименование и адрес строительной организации;
- дополнительные указания (автоматизация, возможность расширения,
оборудование и т.д.).
Задание на проектирование утверждается.
4. Проект – совокупность расчетных и графических материалов, обосновывающих техническую возможность, экономическую целесообразность и
избран-
ное графическое решение строительства какого-либо предприятия. Это комплекс-
28
ный технико-экономический документ. Проект бывает индивидуальный и типовой, последний необходимо привязать к конкретным условиям.
Основная задача проектирования – повышение качества и экономичности
проектов и своевременное обеспечение ими строительства с решением следующих
вопросов: выбор метода производства, применение новейшего оборудования и
высокоэффективных технологий, обеспечивающих наивысшую
производительность труда и качество; выбор рациональных объемно
планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений и
эффективность строительных материалов; выбор рациональных схем
транспортных потоков сырья и готовой продукции, механизации и автоматизации
процессов; рациональное использование земельного участка и выбор
оптимального варианта генерального плана; обеспечение высокого технического и
экономического уровня проектных решений; сокращение затрат на строительство.
5. В состав технического
проекта входят следующие разделы:
- общая пояснительная записка:
обоснование для разработки проекта, вид строительства (новое,
реконструкция), мощность, состав, номенклатура, основные ТЭП, организация и
сроки строительства;
- технико-экономическая часть:
сведения по экономике, генеральный план и транспорт;
- технологическая часть:
характеристика выпускаемой продукции, оценка качества, обоснование эффективности продукции, программа выпуска, схема
производства и состав предприятий, характеристика и обоснование технологических решений и новых технологических процессов, трудоемкость производственных процессов, потребность в
сырье, материалах, топливе, электроэнергии, газе, воде, тепле, межцеховые технологические коммуникации, обоснование вспомогательных производств;
- строительная часть – все данные по строительству;
- сметная часть – расчеты затрат на строительство, монтаж оборудования и
прочие
капитальные затраты;
- сводная смета – основной и неизменный документ для планирования
капитальных вложений и финансирование строительства.
Проектирование регламентировано множеством нормативных документов:
ЕСКД, ГОСТы, каталоги типовых промышленных конструкций, технические условия (ТУ), строительные нормы и правила (СНиП), правила устройства электроустановок (ПУЭ), требования охраны труда, окружающей среды. Инженер химиктехнолог, работающий в
проектной организации, занимается разработкой технологической схемы, выбором оборудования, компоновкой производства и размещением оборудования, оформлением проектной документации (пояснительная записка и чертежи). Источники информации – освоенные, нормально действующие
предприятия; исходные данные (литература) и данные, полученные в результате
-
29
расчетов. Необходимо выбрать сырье и способ его переработки, способ производства, создать схему материальных потоков и энергетических связей, для чего выполнить материальный и тепловой расчеты, выбрать и рассчитать тип, размер и
количество основного и вспомогательного оборудования и т.д. В проектировании
большое значение придается сравнительному анализу различных вариантов проектных
решений, который с наибольшим эффектом может быть выполнен с при-
менением ЭВМ.
Вопросы для самоподготовки
1. Содержание и разделы ТЭО.
2. Выбор площадки для строительства.
3. Разработка задания для ТЭО.
4. Проект и его виды.
5. Состав технического проекта.
6. Требования к бакалавру – биотехнологу.
Тестовые задания для самопроверки
1. Разделами ТЭО не являются:
а. характеристика предприятия, оценка и анализ его деятельности
в. определение
с. схема генерального плана и транспорт
д. основные технологические решения
е. наименование строительной организации
2. При выборе площадки для строительства не надо учитывать:
а. размер и конфигурацию предприятия
в. принадлежность земель
с. цену на будущую продукцию
д. гидрогеологические качества площадки
е. условия получения энергии, тепла, газа
3.В задании на проектирование не надо указывать:
а. мощность и номенклатуру
в. требования по защите окружающей среды
с. наименование и адрес строительной организации
д. генерального проектировщика
е. сокращение затрат на строительство
4.Проект – это:
а. техническая возможность строительства
в. совокупность расчетных и графических материалов
проектной мощности и специализации предприятия
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]