Bài giảng Kỹ thuật phản ứng sinh học: Chương 1 - Bùi Hồng Quân

Bài giảng Kỹ thuật phản ứng sinh học: Chương 1 Cơ sở hóa sinh của các phản ứng sinh học, cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản; Các phản ứng sinh hóa; Các chuyển hóa hóa sinh trong tế bào vi sinh vật. Mời các bạn cùng tham khảo!

BIOREACTION ENGINEERING KỸ THUẬT PHẢN ỨNG SINH HỌC

Lecturer: Bui Hong Quan

W: http://buihongquan.com (Or google Bui Hong Quan for more information)

HP: 0917035038 | Personal Email: buihongquan@gbd.edu.vn Course email: ktpush@gbd.edu.vn or ktpush@foodtech.edu.vn

http://buihongquan.com

 1.1 Các khái niê ̣m cơ bản

 1.2 Các phản ứng sinh hóa

 1.3 Các chuyển hóa hóa sinh trong tế bào vi sinh va ̣t

Chương 2 Động học phản ứng enzyme

 2.1 Các khái niê ̣m cơ bản

 2.2 Xúc tác sinh học

 2.3 Phương trình Michelis Menten

 2.4 Đo ̣ng học phản ứng enzyme

KỸ THUÂ ̣T PHẨN ỨNG SINH HỌC

Chương 3 Động học phản ứng tạo sinh khối

 3.1 Các khái niê ̣m cơ bản

 3.2 Quá trình tạo sinh khói vi sinh va ̣t

 3.3 Kỹ thua ̣t nuo i cáy thêo mể

 3.4 Kỹ thua ̣t nuo i cáy thêo mể có bỏ sung cơ chát

 3.5 Phương trình Monod và Đo ̣ng học tạo sinh khói vi sinh va ̣t

Chương 4 Thiết kế bể phản ứng theo mẻ, bể phản ứng theo mẻ có bổ sung cơ chất, bể phản ứng liên tục

 4.1 Khái niê ̣m cơ bản

 4.2 Các dạng thiết bị phản ứng sinh học

 4.3 Các tho ng só trong các thiết bị phản ứng

 4.4 Quy trình thiết kế bể phản ứng sinh học

 4.5 Đánh giá hê ̣ thóng bể phản ứng sinh học

 5.1 Khái niê ̣m cơ bản

 5.2 Tính toán quá trình truyền khói khí lỏng

Chương 6 Nâng cấp các phản ứng sinh học

 6.1 Khái niê ̣m cơ bản

 6.2 Nguyê n tác na ng cáp phản ứng sinh học

 6.3 Kỹ thua ̣t na ng cáp phản ứng sinh học

sinh hóa học cụ thể

• Tính toán đo ̣ng học phản ứng enzyme Bài ta ̣p 1,2

Bài thực hành Thi giữa kỳ

• Tính toán ca n bàng đo ̣ng học phản ứng tạo sinh

khói

Bài ta ̣p 3,4 Bài thực hành Thi giữa kỳ

• Thiết kế mo ̣t só phản ứng sinh học cơ bản Bài ta ̣p 5,6, 7

Bài thực hành Thi cuói kỳ

• Giải thích và tính toán quá trình chuyển khí

trong mo i trường lê n mên lỏng

Bài ta ̣p 8,9, 10

• Tính toán được na ng quy mo phản ứng sinh học

qua nhiều cá p

Bài ta ̣p 11, 12 Thi cuói kỳ

Các em lo học cho tốt, Thầy già rồi không có ai dạy môn này cho các em đâu!

http://buihongquan.com

sinh học

 1.1 Các khái niê ̣m cơ bản

 1.2 Các phản ứng sinh hóa

 1.3 Các chuyển hóa hóa sinh trong tế bào vi sinh va ̣t

 Metabolism is the sum of the chemical reactions in an organism

 Catabolism is the energy-releasing processes

 Anabolism is the energy-using processes

anabolism

Figure 5.1

 A metabolic pathway is a sequence of enzymatically catalyzed chemical reactions in a cell

 Metabolic pathways are determined by enzymes

 Enzymes are encoded by genes

 The collision theory states that chemical reactions can occur when atoms, ions, and molecules collide

 Activation energy is needed to disrupt electronic configurations

 Reaction rate is the frequency of collisions with enough energy to bring about a reaction

 Reaction rate can be increased by enzymes or by increasing temperature or pressure

Figure 5.2

 Biological catalysts

 Specific for a chemical reaction; not used up in that reaction

 Apoenzyme: protein

 Cofactor: Non-protein component

 Coenzyme: Organic cofactor

 Holoenzyme: Apoenzyme + cofactor

Figure 5.3

 NAD+: Nicotinamide adenine dinucleotide

 NADP+

 FAD: Flavin Adenine Dinucleotide

 Coenzyme A

Figure 5.4

 Oxidoreductase Oxidation-reduction reactions

 Transferase Transfer functional groups

 Hydrolase Hydrolysis

 Lyase Removal of atoms without

hydrolysis

 Isomerase Rearrangement of atoms

 Ligase Joining of molecules, uses ATP

 Enzymes can be denatured by temperature and pH

Figure 5.6

 Temperature

Figure 5.5a

Figure 5.5b

 Substrate concentration

Figure 5.5c

Figure 5.7a, b

12/23/2018 Bioreaction engineering 24

Figure 5.7a, c

 Feedback inhibition

Figure 5.8

 Reduction is the gain of electrons

 Redox reaction is an oxidation reaction paired with a reduction reaction

Figure 5.9

 In biological systems, the electrons are often associated with hydrogen atoms Biological oxidations are often dehydrogenations

Figure 5.10

 ATP is generated by the phosphorylation of ADP

 Substrate-level phosphorylation is the transfer of a

high-energy PO4- to ADP

 Energy released from the transfer of electrons (oxidation) of one compound to another (reduction)

is used to generate ATP by chemiosmosis

 Light causes chlorophyll to give up electrons Energy released from the transfer of electrons (oxidation) of chlorophyll through a system of carrier molecules is used to generate ATP

12/23/2018 Bioreaction engineering 33

 The breakdown of carbohydrates to release energy

 Glycolysis

 Krebs cycle

 Electron transport chain

and NADH

 2 ATPs are used

 Glucose is split to form

2 Glucose-3-phosphate

Glucose 6-phosphate

Fructose 6-phosphate

Fructose 1,6-diphosphate

Dihydroxyacetone phosphate (DHAP)

Glyceraldehyde 3-phosphate (GP)

 Glucose + 2 ATP + 2 ADP + 2 PO4– + 2 NAD+ 

2 pyruvic acid + 4 ATP + 2 NADH + 2H+

 Pentose phosphate pathway:

 Uses pentoses and NADPH

 Operates with glycolysis

 Entner-Doudoroff pathway:

 Produces NADPH and ATP

 Does not involve glycolysis

 Pseudomonas, Rhizobium, Agrobacterium

 Oxidation of molecules liberates electrons for an electron transport chain

 ATP generated by oxidative phosphorylation

 Pyruvic acid (from

glycolysis) is oxidized

and decarboyxlated

Figure 5.13.1

 Oxidation of acetyl CoA produces NADH and FADH2

Figure 5.13.2

 A series of carrier molecules that are, in turn, oxidized and reduced as electrons are passed down the chain

 Energy released can be used to produce ATP by chemiosmosis

Figure 5.14

Figure 5.15

Figure 5.16.2

 Aerobic respiration: The final electron acceptor in the electron transport chain is molecular oxygen (O2)

 Anaerobic respiration: The final electron acceptor

in the electron transport chain is not O2 Yields less energy than aerobic respiration because only part

of the Krebs cycles operations under anaerobic conditions

Electron acceptor Products

12/23/2018 Bioreaction engineering 49

Pathway Eukaryote Prokaryote

Krebs cycle Mitochondrial matrix Cytoplasm

ETC Mitochondrial inner membrane Plasma membrane

Pathway ATP produced produced NADH FADH 2

aerobic respiration

 36 ATPs are produced in eukaryotes

Pathway By substrate- level

phosphorylation

By oxidative phosphorylation From

NADH FADH From

 Does not require oxygen

 Does not use the Krebs cycle or ETC

 Uses an organic molecule as the final electron acceptor

12/23/2018 Bioreaction engineering 54

 Lactic acid fermentation Produces lactic acid

 Homolactic fermentation Produces lactic acid only

 Heterolactic fermentation Produces lactic acid and other compounds

12/23/2018 Bioreaction engineering 56

12/23/2018 Bioreaction engineering 57

12/23/2018 Bioreaction engineering 58

Protein Extracellular proteases Amino acids

Krebs cycle

Deamination, decarboxylation, dehydrogenation

Organic acid

12/23/2018 Bioreaction engineering 60

12/23/2018 Bioreaction engineering 61

 Photo: Conversion of light energy into chemical energy (ATP)

 Light-dependent (light) reactions

 Synthesis: Fixing carbon into organic molecules

 Light-independent (dark) reaction, Calvin-Benson cycle

12/23/2018 Bioreaction engineering 63

12/23/2018 Bioreaction engineering 64

12/23/2018 Bioreaction engineering 65

12/23/2018 Bioreaction engineering 66

generate electrons for

a chemiosmotic proton

pump

 Use energy from chemicals

 Chemoautotroph, Thiobacillus ferroxidans

 Energy used in the Calvin-Benson cycle to fix CO2

Phototrophs

 Use light energy

 Photoautotrophs use energy in the Calvin-Benson cycle to fix

CO2

 Photoheterotrophs use energy

Chlorophyll

Chlorophyll oxidized

ETC

ADP + P ATP

Nutritional type Energy source Carbon source Example

Photoautotroph Light CO2 Oxygenic:

Cyanobacteria plants Anoxygenic: Green, purple bacteria

Photoheterotroph Light Organic

compounds Green, purple nonsulfur bacteria

Chemoautotroph Chemical CO Iron-oxidizing

bacteria

Chemoheterotroph Chemical Organic

compounds Fermentative bacteria Animals, protozoa,

fungi, bacteria

 Polysaccharide Biosynthesis

Figure 5.28

Figure 5.29

 Amino Acid and Protein Biosynthesis

Figure 5.30a

Figure 5.30b

anabolic functions

Figure 5.32.1

Figure 5.32.2

12/23/2018 Bioreaction engineering 79

Chương 2 Động học phản ứng enzyme

 2.1 Các khái niê ̣m cơ bản

 2.2 Xúc tác sinh học

 2.3 Phương trình Michelis Menten

 2.4 Đo ̣ng học phản ứng enzyme