固定化生物催化剂反应过程动力学.ppt

生物反应工程,戚以政王炳武北京化工大学生命科学与技术学院,第三章固定化生物催化剂反应过程动力学,第一节固定化生物催化剂概论,酶固定化的意义酶固定化的方法影响固定化酶反应动力学的因素,均相酶反应系统的缺点,酶随产物排出，无法重复使用；增加产物纯化难度；不稳定，易变性失活,一、什么是固定化酶？,通过物理或化学的方法使溶液酶结合在不溶于水的载体上，或被限制在有限空间内，能与反应液分离，保留在反应器内或能够被回收并反复利用，不溶于水但仍具有酶活力的酶,固定化酶的优点,容易从反应体系中分离可以重复使用机械强度和稳定性增加便于连续化、自动化生产,固定化技术的发展,固定化酶固定化细胞,1916年Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被骨炭粉末吸附并在吸附状态下仍具有催化活性，后来科学家开始了固定化酶的研究工作。首例工业化应用固定化酶是1969年由Chibata及其同事在日本TanakeSciyaku公司实现的，他们将米曲酶（Aspergillusoryzae）的氨基酰化酶固定后用于拆分合成的外消旋DL-氨基酸，得到相应的旋光性的对映体。,二、酶的固定化方法,载体结合法交联法包埋法,1、载体结合法,物理吸附法共价键法离子键法,1）物理吸附法,活性炭、硅胶、硅藻土、陶瓷。酶活收率高结合力弱，易脱落简便易行,操作流程：将酶溶液溶解于缓冲液中，加入载体，振荡或者搅拌一定时间后，抽滤、洗涤、冷冻干燥，得到固定化酶。,2）共价键法,利用氨基、羟基、胍基、咪唑基等反应活性高的未结合基团。易失活、酶活收率低结合牢固,3）离子键法,离子静电引力离子交换树脂操作简单酶活收率高结合力弱，易脱离,2、交联法,酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反应戊二醛,特点不需要载体反应剧烈，酶活收率低结合牢固,3、包埋法,将酶包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内聚丙烯酰胺凝胶、海藻酸钙、琼脂。,特点包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的酶的固定化酶活收率高制备成本高,概念：酶活力收率,酶活力收率是指实际测定的固定化酶的活力(E3)与固定化时所用的全部游离酶的活力(E1+E2+E3)之比，包括因未固定化而损失的酶活(E1),概念：酶的活力表现率,酶的活力表现率是指实际测定的固定化酶活力(E3)与被固定化的酶在溶液状态时的总活力之比(E2+E3),三、酶固定化后的变化,底物专一性的改变pH活性曲线和最适pH的变化稳定性的变化,四、影响固定化酶动力学的因素,酶结构的改变位阻效应分配效应扩散效应,1、酶结构的改变,2、位阻效应,立体障碍与底物分子的大小、形状及性质有关。,3、分配效应,分配系数K=Csg/Csi,4、扩散效应,外扩散内扩散,研究方法,建立包括传质速率和酶的催化反应速率在内的反应速率方程外扩散内扩散内外扩散同时存在,第二节外扩散对反应速率的限制效应,一、外扩散传质速率,研究对象的简化理论模型,Fick定律,二、宏观反应速率的求解,外表面扩散速率（Fick定律）外表面反应速率,动力学控制外扩散控制,求取过程,引入无因次变量,丹克莱尔准数,定义式物理意义Da1Da1,三、外扩散有效因子,动力学控制外扩散控制,消除外扩散的方法,对任意n级反应的有效因子,n=1n=2,四、外扩散限制与化学抑制同时存在,非竞争性抑制底物抑制,1、非竞争性抑制,负协同效应,2、底物抑制,稳态操作点非稳态操作点,第三节扩散对反应速率的限制效应,问题的引出内扩散过程的特点,一、载体的结构参数,外表面积AP、比表面积Sg平均微孔半径颗粒体积VP、孔隙体积Vg孔隙率,颗粒真实密度颗粒表观密度颗粒堆积密度,微孔内的扩散机理,以浓度差为推动力Knudson扩散分子扩散（Fick定律）有效分子扩散系数De,二、微孔内的浓度分布（球状固定化酶）,简化假设载体和酶均匀分布等温、等De不考虑酶的失活扩散传质浓度是半径的函数,S流入速率S流出速率S消耗速率,解与rs有关,1、M-M方程,无解析解，只有数值解,2、一级反应,方程的解,常数的求解,颗粒内底物浓度分布函数,3、零级反应,临界半径Rc最大颗粒半径Rmax,三、微孔内的浓度分布（膜状固定化酶）,理论模型（单面扩散）,输入输出消耗,1、米氏方程,2、一级反应,3、零级反应,临界厚度最大厚度,梯勒模数,定义式物理意义动力学控制内扩散控制,四、内扩散有效因子,1、球形固定化酶,一级反应,零级反应,2、膜状固定化酶,单面扩散双面扩散,五、影响内扩散效应的因素,一级反应的梯勒模数通式,第四节内外扩散同时存在时的限制效应,一级不可逆反应,一、总有效因子,实际反应速率/本征反应速率,总有效因子的推导,传质速率以外表面底物浓度为基准的反应速率,以外表面底物浓度为基准的反应速率以主体溶液底物浓度为基准的反应速率,引入Biot准数,第五节生物膜和菌丝团的扩散反应模型,1、生物膜的扩散反应模型,生物膜的厚度,生物膜扩散-反应模型假设生物膜内为单一菌种单一限制性底物生物膜拟稳态薄的平板生物膜生物膜内细胞相同,2、菌丝团的扩散反应模型,丝状菌,内外传递速率的影响,第六节扩散影响下的表观动力学特性,一、对反应速率与浓度关