第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学

第三章固定化生物催化剂反应过程动力学第1页，共87页，2023年，2月20日，星期三第三章

固定化生物催化剂

反应过程动力学第2页，共87页，2023年，2月20日，星期三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

第3页，共87页，2023年，2月20日，星期三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

第4页，共87页，2023年，2月20日，星期三一、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

第5页，共87页，2023年，2月20日，星期三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、自动化生产第6页，共87页，2023年，2月20日，星期三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。

第7页，共87页，2023年，2月20日，星期三二、酶的固定化方法

载体结合法交联法包埋法第8页，共87页，2023年，2月20日，星期三1、载体结合法物理吸附法共价键法离子键法第9页，共87页，2023年，2月20日，星期三1）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。第10页，共87页，2023年，2月20日，星期三2）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第11页，共87页，2023年，2月20日，星期三3）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，易脱离第12页，共87页，2023年，2月20日，星期三2、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第13页，共87页，2023年，2月20日，星期三特点不需要载体反应剧烈，酶活收率低结合牢固第14页，共87页，2023年，2月20日，星期三3、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。第15页，共87页，2023年，2月20日，星期三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第16页，共87页，2023年，2月20日，星期三概念：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)第17页，共87页，2023年，2月20日，星期三概念：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)第18页，共87页，2023年，2月20日，星期三三、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第19页，共87页，2023年，2月20日，星期三四、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第20页，共87页，2023年，2月20日，星期三1、酶结构的改变

第21页，共87页，2023年，2月20日，星期三2、位阻效应

立体障碍与底物分子的大小、形状及性质有关。

第22页，共87页，2023年，2月20日，星期三3、分配效应分配系数K=Csg/Csi第23页，共87页，2023年，2月20日，星期三4、扩散效应

外扩散内扩散第24页，共87页，2023年，2月20日，星期三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25页，共87页，2023年，2月20日，星期三第二节

外扩散对反应速率的限制效应第26页，共87页，2023年，2月20日，星期三一、外扩散传质速率研究对象的简化理论模型第27页，共87页，2023年，2月20日，星期三Fick定律第28页，共87页，2023年，2月20日，星期三二、宏观反应速率的求解外表面扩散速率（Fick定律）外表面反应速率第29页，共87页，2023年，2月20日，星期三动力学控制外扩散控制第30页，共87页，2023年，2月20日，星期三求取过程引入无因次变量第31页，共87页，2023年，2月20日，星期三丹克莱尔准数★定义式物理意义Da>>1Da<<1第32页，共87页，2023年，2月20日，星期三三、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第33页，共87页，2023年，2月20日，星期三对任意n级反应的有效因子n=1n=2第34页，共87页，2023年，2月20日，星期三四、外扩散限制与化学抑制同时存在非竞争性抑制底物抑制第35页，共87页，2023年，2月20日，星期三1、非竞争性抑制第36页，共87页，2023年，2月20日，星期三负协同效应第37页，共87页，2023年，2月20日，星期三2、底物抑制第38页，共87页，2023年，2月20日，星期三稳态操作点非稳态操作点第39页，共87页，2023年，2月20日，星期三第三节

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第40页，共87页，2023年，2月20日，星期三一、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孔隙率第41页，共87页，2023年，2月20日，星期三颗粒真实密度颗粒表观密度颗粒堆积密度第42页，共87页，2023年，2月20日，星期三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第43页，共87页，2023年，2月20日，星期三二、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第44页，共87页，2023年，2月20日，星期三S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

第45页，共87页，2023年，2月20日，星期三解与rs有关第46页，共87页，2023年，2月20日，星期三1、M-M方程第47页，共87页，2023年，2月20日，星期三无解析解，只有数值解第48页，共87页，2023年，2月20日，星期三2、一级反应第49页，共87页，2023年，2月20日，星期三方程的解第50页，共87页，2023年，2月20日，星期三常数的求解第51页，共87页，2023年，2月20日，星期三颗粒内底物浓度分布函数第52页，共87页，2023年，2月20日，星期三3、零级反应第53页，共87页，2023年，2月20日，星期三临界半径Rc最大颗粒半径Rmax第54页，共87页，2023年，2月20日，星期三三、微孔内的浓度分布

（膜状固定化酶）第55页，共87页，2023年，2月20日，星期三理论模型（单面扩散）第56页，共87页，2023年，2月20日，星期三输入－输出＝消耗第57页，共87页，2023年，2月20日，星期三1、米氏方程第58页，共87页，2023年，2月20日，星期三2、一级反应第59页，共87页，2023年，2月20日，星期三3、零级反应临界厚度最大厚度第60页，共87页，2023年，2月20日，星期三梯勒模数Φ定义式物理意义动力学控制内扩散控制第61页，共87页，2023年，2月20日，星期三四、内扩散有效因子第62页，共87页，2023年，2月20日，星期三1、球形固定化酶

第63页，共87页，2023年，2月20日，星期三一级反应第64页，共87页，2023年，2月20日，星期三第65页，共87页，2023年，2月20日，星期三零级反应第66页，共87页，2023年，2月20日，星期三2、膜状固定化酶

单面扩散

双面扩散第67页，共87页，2023年，2月20日，星期三五、影响内扩散效应的因素一级反应的梯勒模数通式第68页，共87页，2023年，2月20日，星期三第四节内外扩散同时存在时的限制效应一级不可逆反应第69页，共87页，2023年，2月20日，星期三一、总有效因子实际反应速率/本征反应速率第70页，共87页，2023年，2月20日，星期三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第71页，共87页，2023年，2月20日，星期三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第72页，共87页，2023年，2月20日，星期三引入Biot准数第73页，共87页，2023年，2月20日，星期三第五节

生物膜和菌丝团的扩散反应模型第74页，共87页，2023年，2月20日，星期三1、生物膜的扩散反应模型生物膜的厚度第75页，共87页，2023年，2月20日，星期三生物膜扩散-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第76页，共87页，2023年，2月20日，星期三2、菌丝团的扩散反应模型丝状菌第77页，共87页，2023年，2月20日，星期三内外传递速率的影响第78页，共87页，2023年，2月20日，星期三第六节

扩散影响下的表观动力学特性第79页，共87页，2023年，2月20日，星期三一、对反应速率与浓度关系的影响第80页，共87页，2023年，2月20日，星期三二、对反应级数的影响任意n级反应第81页，共87页，2023年，2月20日，星期三第82页，共87页，20