第三章固定化生物催化剂反应动力学.ppt

1、各节学时分布,第一节固定化生物催化剂概论：2 第二节外扩散对反应速率的限制效应：3 第三节内扩散对反应速率的限制效应：3 第四节内外扩散同时存在时的限制效应：2 第五节扩散影响下的表观动力学特性：1,第三章固定化生物催化剂反应过程动力学,内容要点,1.了解扩散（传质）对固定化酶反应动力学影响特点 2.掌握内、外扩散存在限制时对一级，零级及M-M等典型动力学的处理方法与计算3.熟悉扩散限制存在时，对固定化酶表观动力学参数和稳定性的影响,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；

2、 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,固定化酶技术的发展,固定化酶,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（Aspergillu

3、s oryzae）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、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

4、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,三、酶固定化后的变化,活性变化（两个概念） 稳定性的变化（稳定性一般增强，半衰期将增加一倍，同时热稳定性比溶液酶提高10倍左右）,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

5、(E3)与被固定化的酶在溶液状态时的总活力之比(E2+E3),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、控制步骤分析,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

6、次变量,丹克莱尔准数,定义式 物理意义 Da1 Da1,三、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=1 n=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

7、,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,第六节扩散影响下的表观动力学特性,一、对反应