版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
生化工程第三章固定化酶反应动力学第1页,课件共36页,创作于2023年2月ImmobilizedEnzymeSystemsDefinitionTherestrictionofenzymemobilityinafixedspaceisknownasenzymeimmobilization.Ingeneral,immobilizedenzymesareenzymesthatareattachedto,orentrappedwithin,amacro-scopicsupportmatrixsothattheresultingcatalystcanbereused.TwooppositeconceptImmobilizedenzymeFreeenzyme第2页,课件共36页,创作于2023年2月§3.1AdvantagesofImmobilizedEnzymesAdvantages:Enzymereutilization:catalystreuse;Eliminationofenzymerecoveryandpurificationprocesses:productpurity,whileeffluenthandlingproblems
;Provideabetterenvironmentforenzymeactivity;Disadvantages:Increasethediffusionresistance,sodecreasesthereactionrate.第3页,课件共36页,创作于2023年2月§3.2ApplicationsofImmobilizedEnzymesImmobilizedenzymeareemployedinmanyfields.Analyticaldevices:Forexample:inimmobilizedenzymeelectrodesforthedetectionofvariouschemicalsubstances.Ascatalystinindustrialprocesses:Among2000typesofenzymesfound,only50~60havebeenappliedinindustry,mostofwhichareextracellularenzymes.第4页,课件共36页,创作于2023年2月§3.3MethodsofImmobilizationImmobilizedSolubleEnzymesMembrane-EntrappedBetweenMacroscopicMembranesMicro-EncapsulatedCovalently-BoundToSupportToEnzymeEntrappedBoundAdsorbed(PhysicalorIonic)Matrix-Entrapped第5页,课件共36页,创作于2023年2月Entrapment:Thephysicalenclosureofenzymesinasmallspace.Ploymericmaterials:Ca-alginate,agar,ĸ-carrageenin, polyacrylamide,collagen;Solidmatrices:activatedcarbon,porousceramic, diatomaceousearth.MatrixentrapmentMatricesusedforenzymeimmobilizationareusually:Whenimmobilizedinapolymermatrix,enzymesolutionismixedwithpolymersolutionbeforepolymerizationtakesplace.第6页,课件共36页,创作于2023年2月MembraneentrapmentMembrane:nylon,cellulose,polysulfone,polyacrylate.
Inallcases,asemi-permeablemembrane isusedtoretainhigh-MWcompounds(enzyme)whileallowingsmall-MWcompounds(substratesorproducts)accesstotheenzyme.Inthistechnique,microscopichollowspheresareformed.Thespherescontaintheenzymesolution,whilethesphereisenclosedwithaporousmembrane.Microencapsulation:aspecialformofmem-braneentrapment.第7页,课件共36页,创作于2023年2月Problems:Leakageofenzymesintosolution:Considerablediffusionalresistanceemerges:Reducingtheparticlesizeofthematricesand/orcapsules;Reductionofenzymeactivityandstability:Alittledifficulttohandle.Lackofcontrolofthemicroenvironment:Altertheunfavorablemicroenvironmentalconditions;ReducingtheMWcutoffofmembranesortheporesizeofsolidmatrices;第8页,课件共36页,创作于2023年2月Bound:Inorganicmaterials:alumina,silica,porousglass, ceramics,diatomaceousearth;Organicmaterials:cellulose(CMC,DEAE-cellulose), starch,activatedcarbon,ion- exchangeresin(Amberlite, Sephadex,Dowex).AdsorptionAphysicalattachmentofenzymeonthesurfacesofsupportparticlesbyweakphysicalforces:vanderWaals.Supportmaterials:第9页,课件共36页,创作于2023年2月Desorptionisquitcommonbecausethebindingforcesaresoweek,especiallyinthepresenceofstronghydrodynamicforces.Advantages:Normally,activesiteisnotaffected,nearlyallactivityisretainedafterimmobilization.Disadvantages:第10页,课件共36页,创作于2023年2月CovalentBindingItistheretentionofenzymesonsupportsurfacesbycovalentbondformation,viacertainfunctionalgroups,suchasamino,carboxyl,hydroxyl,and–SHgroup.Thefunctionalgroupsmustnotbetheactivesites.Cross-LinkingTheenzymemoleculescanalsocross-linkwitheachother.Butthismaycausesignificantchangesintheactivesiteofenzymes,andalsoseverediffusionlimitationsmayresult.第11页,课件共36页,创作于2023年2月SUMMARYThemostsuitablesupportmaterialandimmobilizationmethodvarydependingontheenzymeandparticularapplication.Thenhowtoselectsupportmaterials?Bindingcapacity,whichisafunctionofchargedensity,functionalgroups,porosity,andhydrophobicity;Stabilityandretentionoftheenzymeactivity,whichisafunctionoffunctionalgroupsonsupportmaterialandmicroenvironmentalconditions.第12页,课件共36页,创作于2023年2月Howtoselectmethodofimmobilization?第13页,课件共36页,创作于2023年2月CharacteristicCarrierBindingMethodsCross-linkingMethodEntrappingMethodPhysicaladsorptionIonicBindingCovalentBindingPreparationEasyEasyDifficultDifficultDifficultEnzymeActivityLowHighHighModerateHighSubstrateSpecificityUnchangeableUnchangeableChangeableChangeableUnchangeableBindingForceWeakModerateStrongStrongStrongRegenerationPossiblePossibleImpossibleImpossibleImpossibleGeneralApplicationLowModerateModerateLowHighCostofImmobilizationLowLowHighModerateLowTable:ComparisonoftheCharacteristicsofDifferentMethodsofEnzymeImmobilization第14页,课件共36页,创作于2023年2月§3.4ImmobilizedEnzymeKineticsBioreactorkineticsIntrinsickinetics(本征反应动力学)Masstransferofsubstrateandproduct第15页,课件共36页,创作于2023年2月IllustrationofMassTransportandChemicalReactionInteractionsinaSymmetricSlabofImmobilizedEnzyme.PHENOMENAPARAMETERSBulkFluidStagnantFilmorBoundaryLayerImmobilizedEnzymeSlabSurfaceofimmobilizedenzymeBulksolutionMasstransfercoefficient(kS,kP)Effectivediffusioncoefficient(DES,DEP)CONCENTRATIONPROFILECatalystthickness2LSubstratediffusionintopermeablecatalyst第16页,课件共36页,创作于2023年2月3.4.1DiffusionEffectsinSurface-BoundEnzymesonNonporousSupportMaterialsNon-porousSolidSupportFilmthicknessThefluxmass-transferrateJS
(mol/L·s)ofthesubstratefromthebulkfluidtotheinterface,Atsteadystate,thesubstratecannotaccumulateatthecatalystinterface,DefinetheDamkohlernumber:[Ss][Sb]bulksubstrateconcentration[SS]substrateconcentrationatsurfaceLiquidvolumetrictransfercoefficient第17页,课件共36页,创作于2023年2月Discussions:WhenDa»1,thesystemisstronglymasstransferlimited,Thesystembehaveasapseudo-firstorder.WhenDa«1,thesystemisreactionlimited,SbJSorvJSvR第18页,课件共36页,创作于2023年2月WhenDa≈1,wedefinethefollowingdimensionlessvariables,then,fromeq.Wecaneasilysolveout,第19页,课件共36页,创作于2023年2月Formoregeneralcases,namely,thediffusionresistanceandthereactionratearecomparable,analyticalsolutioncannoteasilybesolvedout,soweonlyhavetoturntosolvedgraphicallyorfindnumericalsolutions.Atlast,withthesubstrateconcentrationatsurface(SS),wecansolveoutthemacroscopicreactionratebymass-transferequationorintrinsickineticequation(本征动力学方程).第20页,课件共36页,创作于2023年2月SSJSorvvSlope=kLaJSSolutionforSbGraphicalsolutionforreactionrateforenzymeimmobilizedonanonporouscatalyst第21页,课件共36页,创作于2023年2月例3-1某酶固定在无微孔球形基质上,其本征动力学参数为Vmax=4X10-5mol/(LS),Km=2X10-5mol/L.[Sb]=1X10-5mol/L,kLa=0.4s-1,求[SS]和底物在固定化酶外表面上的反应速率?解题思路:这是一个外扩散限制下的固定化酶动力学问题,当体系达到平衡时,外扩散速率与球体表面上的本征反应速率一致,因此,将已知条件代入得:变换为一元二次方程后求解得:[SS]=0.18x10-5mol/L所以vsurface=kLax([Sb]-[SS])=0.4x(1-0.18)x10-5 =0.328x10-5mol/(Ls)第22页,课件共36页,创作于2023年2月3.4.2DiffusionEffectsinEnzymesimmobilizedinAPorousMatrixTheenzymesareimmobilizedinapermeablecatalyticpellet.Thesubstratediffusesthroughthetortuouspathwayamongporesandreactswithenzymeimmobilizedonporesurface.Bulkandsurfaceconcentrationarethesame,assumingenzymeisimmobilizedwithapelletthathasapproximatelysphericalshape.第23页,课件共36页,创作于2023年2月(I).ConcentrationdistributioninAPorousMatrixrr+ΔrRFick’smassdiffusionlawWhere,JSismassdiffusionrateofsubstrate, DeiseffectivediffusivityofsubstratewithintheporousmatrixMassdiffusion第24页,课件共36页,创作于2023年2月MassBalancefor
TheShellAccumulationinsidethevolumeAmountenterthevolumeAmountexitthevolumeConsumedinsidethevolume=--AtsteadystateRearrange,rr+ΔrR第25页,课件共36页,创作于2023年2月TakelimitasΔr→0Also,fortheM-Mmodel,Rearrange,第26页,课件共36页,创作于2023年2月Withboundaryconditions:LetwhereφiscalledThielemodulus.Thenthepreviousdifferentialequationcanbewrittenaswithdimensionlessboundaryconditions:第27页,课件共36页,创作于2023年2月Solutions:Thereactionrateisnotaffectedbythesubstrateconcentration:Let,Integrationgives,whereC1andC2areintegrationconstants.Zero-orderreactionrate,when第28页,课件共36页,创作于2023年2月WhenS=0,wecangetthecriticalradius,Namely,Withtheboundaryconditionswecansolveout,第29页,课件共36页,创作于2023年2月First-orderreactionrate,whenwhereφ1iscalledThielemodulus.第30页,课件共36页,创作于2023年2月(II).ThielemodulusForaspherical
porousmatrix,first-orderreactionrate,DefinitionofThielemodulusIt’sameasureoftheextentofinternaldiffusionresistancesThielemoduluscalculation第31页,课件共36页,创作于2023年2月Wheninternaldiffusionlimitstheenzymaticreactionrate,therateconstantandvaluesarenottrueintrinsicrateconstants,butapparentones.Toobtaintrue
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 2025年全球体育报告重塑体育格局及赞助策略的关键因素(英文)
- 湖南地理教编试题及答案
- 泉州纺织服装职业学院《品牌管理》2025-2026学年期末试卷
- 闽江学院《冷链物流》2025-2026学年期末试卷
- 福建商学院《管理信息系统》2025-2026学年期末试卷
- 井冈山大学《旅游消费者行为学》2025-2026学年期末试卷
- 扎兰屯职业学院《电子商务运营》2025-2026学年期末试卷
- 长春工业大学人文信息学院《工程力学》2025-2026学年期末试卷
- 安徽冶金科技职业学院《音乐教学导论》2025-2026学年期末试卷
- 九江学院《比较思想政治教育》2025-2026学年期末试卷
- 互联网医疗创新创业路演
- 2025年社区工作者招聘真题试卷+参考答案
- 劳动合同法视角下灵活就业人员权益保护
- 不合格标本讲解
- 清理网箱应急预案
- 2025年大学《休闲体育》专业题库- 享受体育带来的快乐
- 天津2025年天津市面向昌都籍未就业少数民族高校毕业生招聘事业单位人员笔试历年参考题库附带答案详解
- 私有云存储的设计与实现
- 交警拖车安全培训内容课件
- 2025年注册安全工程师考试《安全生产事故案例分析》真题及答案
- 2025年中级消防设施操作员证考试题库及答案(1000题)
评论
0/150
提交评论