第三章固定化酶催化反應(yīng)動力學(xué)1ppt課件

1、 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院O返回返回一固定化酶的運用一固定化酶的運用 漆酶是一種結(jié)合多個銅離子的蛋白質(zhì)，屬于銅藍(lán)氧化酶漆酶是一種結(jié)合多個銅離子的蛋白質(zhì)，屬于銅藍(lán)氧化酶影響：出汁率低；果汁濁，影響：出汁率低；果汁濁，黏度高，易出現(xiàn)沉淀。黏度高，易出現(xiàn)沉淀。緣由緣由:酚類與蛋白質(zhì)生成大分子物質(zhì)酚類與蛋白質(zhì)生成大分子物質(zhì)固定化果膠酶固定化果膠酶方法方法:漆酶漆酶淀粉糖淀粉糖/高果糖漿高果糖漿O返回返回一固定化酶的運用一固定化酶的運用2、燃料工業(yè)生物柴油、燃料工業(yè)生物柴油主要酸堿催化。主要酸堿催化。固定化脂酶固定化脂酶O返回返回一固定化酶的運用一固定化酶的運用3、醫(yī)藥工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)固定化青

2、霉素酰化酶固定化青霉素?；?合成頭孢羥氨芐替代青霉素合成頭孢羥氨芐替代青霉素固定化脂肪酶固定化脂肪酶 合成合成VC棕櫚酸酯棕櫚酸酯固定化酶藥物固定化酶藥物蛋白類口酶口服易分解，固定后有助于堅持活性蛋白類口酶口服易分解，固定后有助于堅持活性O(shè)返回返回二固定化酶與游離酶二固定化酶與游離酶自在酶自在酶 (Free Enzyme) (Free Enzyme)酶直接參與至溶液中，酶本身的空間酶直接參與至溶液中，酶本身的空間構(gòu)造不發(fā)生改動，堅持本人的生物特性構(gòu)造不發(fā)生改動，堅持本人的生物特性固定化酶固定化酶 (Immobilized Enzyme) (Immobilized Enzyme)經(jīng)過物理或化學(xué)

3、的手段，將酶固載在某種基體上。經(jīng)過物理或化學(xué)的手段，將酶固載在某種基體上。O返回返回水溶性酶水溶性酶水不溶性載體水不溶性載體水不溶性酶水不溶性酶固定化酶固定化酶固定化技術(shù)固定化技術(shù)O返回返回1、自在酶反響器優(yōu)點：酶解效率高、運用比較方便，特別是在大批量樣品處置時。缺陷：不能反復(fù)運用、壽命短、產(chǎn)物分別難度大O返回返回易于將酶與底物及產(chǎn)物分別，產(chǎn)物相對容易提純；酶可以反復(fù)利用，運用效率提高，本錢低；大多數(shù)情況下可以提高酶的穩(wěn)定性；可以添加產(chǎn)物的收率，提高產(chǎn)物質(zhì)量；有利于實現(xiàn)管道化、延續(xù)化以及自動化操作，易于與各種分別手段聯(lián)用。 O返回返回但由于固定化酶是經(jīng)過反響而被結(jié)合在載體上，固定化過程中酶的活

4、力難免有一定損失；而底物那么要求是水溶性的，這樣才可以接觸酶而發(fā)生反響；也不適宜于需求輔助因子的反響。O返回返回Covalent bondCross linkageIonic bondInvestmentMicrocapsuleO返回返回吸附法有物理吸附、離子吸附及螯合或金屬結(jié)合法。常用的載體如淀粉、谷蛋白等有機類載體，活性炭、多孔玻璃、常用的載體如淀粉、谷蛋白等有機類載體，活性炭、多孔玻璃、硅膠等無機類載體，大孔型的合成樹脂，陶瓷以及纖維素衍生硅膠等無機類載體，大孔型的合成樹脂，陶瓷以及纖維素衍生物類。陰、陽離子交換劑物類。陰、陽離子交換劑 pH，影響載體和酶的電荷變化,影響酶吸附；離子強度

5、，普通以為鹽阻止吸附；蛋白質(zhì)濃度，蛋白質(zhì)濃度添加，吸附量也添加，直至飽和；溫度，蛋白質(zhì)往往是隨溫度上升而減少吸附；吸附速度，蛋白質(zhì)在固體載體上的吸附速度要比小分子慢得多；載體，對于非多孔性載體，那么顆粒越小吸附力越強。影響酶蛋白在載體上吸附程度的要素影響酶蛋白在載體上吸附程度的要素O返回返回包埋類型可有：網(wǎng)格型、微囊型及脂質(zhì)體液膜型。包埋類型可有：網(wǎng)格型、微囊型及脂質(zhì)體液膜型。包埋法是將游離酶包埋于格子或微膠囊內(nèi)，格子的構(gòu)造可以防包埋法是將游離酶包埋于格子或微膠囊內(nèi)，格子的構(gòu)造可以防止酶滲出到周圍的培育基中，而底物分子仍能滲入格子內(nèi)與酶止酶滲出到周圍的培育基中，而底物分子仍能滲入格子內(nèi)與酶接觸

6、。接觸。O返回返回交聯(lián)法和肽鍵鍵合法交聯(lián)法和肽鍵鍵合法 氨基：賴氨酸的氨基和多肽鏈的末端氨基；氨基：賴氨酸的氨基和多肽鏈的末端氨基；羧基：天冬氨酸的羧基，谷氨酸的羧基和末端羧基；羧基：天冬氨酸的羧基，谷氨酸的羧基和末端羧基；酚基：酪氨酸的酚環(huán)；酚基：酪氨酸的酚環(huán)；巰基：半胱氨酸、蛋氨酸的巰基；巰基：半胱氨酸、蛋氨酸的巰基；羥基：絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸的羥基；羥基：絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸的羥基；咪唑基：組氨酸的咪唑基；咪唑基：組氨酸的咪唑基；吲哚基：色氨酸的吲哚基。吲哚基：色氨酸的吲哚基。O返回返回Synthesis of IMER using glutaraldehyde methodmatr

7、ixOSi(CH2)3NH2OHCCH2CH2CH2CHOmatrixOSi(CH2)3NCH(CH2)3CHOmatrixOSi(CH2)3NCH(CH2)3CHNEnzymeEnzymeNH21.1.戊二醛法戊二醛法Ye, M. L. et al. Electrophoresis, 2019, 25:1319-1326常用的共價鍵合方法常用的共價鍵合方法O返回返回silicaOSi(CH2)3NH2NOCONOOOOOsilicaOSi(CH2)3HNCOONOOEnzymeNH2silicaOSi(CH2)3HNCHNOEnzymeNH2D-GlucosaminesilicaOSi(CH

8、2)3HNCHNOEnzymeOSi(CH2)3HNCHNOD-GlucosamineSynthesis of the IMER using DSC method2、二琥珀酰亞胺碳酸酯法、二琥珀酰亞胺碳酸酯法(DSC) Rawale, S., et al. J. Med. Chem., 2019, 45: 937-43Calleri, E., et al., J. Pharm. Biomed. Anal., 2019,32:715-24常用的共價鍵合方法常用的共價鍵合方法O返回返回常用的共價鍵合方法常用的共價鍵合方法3、-羥胺方式 (-hydroxylamine formation)Matri

9、xOH(CH3O)3SiOCH2CHCH2OMatrixMatrixOSiOCH2CH CH2OOSiOCH2CHHNOHEnzymeNH2EnzymeThe synthesis of the IMER through -hydroxylamine formationMarle I. , et al. J. Chromatogra. 1992, A, 604:185-196 O返回返回4、交聯(lián)法、交聯(lián)法 利用雙功能或多功能試劑在酶分子間或酶與載體間，或酶利用雙功能或多功能試劑在酶分子間或酶與載體間，或酶與惰性蛋白間進(jìn)展交聯(lián)反響，以制備固定化酶的力法。最常與惰性蛋白間進(jìn)展交聯(lián)反響，以制備固定化酶

10、的力法。最常用的交聯(lián)試劑是戊二醛，其他如苯基二異硫氰、雙重氮聯(lián)苯用的交聯(lián)試劑是戊二醛，其他如苯基二異硫氰、雙重氮聯(lián)苯胺胺-2，2二磺酸、二磺酸、1，5二氟二氟2，4二硝苯、己二酰二二硝苯、己二酰二胺甲脂等。胺甲脂等。 用戊二醛交聯(lián)制備固定化酶的反響如下：用戊二醛交聯(lián)制備固定化酶的反響如下：O返回返回O返回返回被固定的微生物細(xì)胞被固定的微生物細(xì)胞所用載體和方法所用載體和方法底物底物產(chǎn)物或產(chǎn)物或用途用途釀酒酵母釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)硅和聚氧乙稀碎片，硅和聚氧乙稀碎片，吸附吸附葡萄糖葡萄糖乙醇乙醇釀酒酵母釀酒酵母魔芋葡甘露糖，共魔芋葡甘露糖，共價價葡萄糖葡萄糖乙

11、醇乙醇釀酒酵母釀酒酵母海藻酸鈣，包埋海藻酸鈣，包埋麥芽汁麥芽汁啤酒啤酒委內(nèi)瑞拉鏈霉菌委內(nèi)瑞拉鏈霉菌(Streptomyces venezuelae)明膠，微囊明膠，微囊葡萄糖葡萄糖果糖果糖固定化酶細(xì)胞的運用實例固定化酶細(xì)胞的運用實例 O返回返回被固定的微生物細(xì)胞被固定的微生物細(xì)胞所用載體和方法所用載體和方法底物底物產(chǎn)物用產(chǎn)物用途途黑曲霉黑曲霉(Aspergilus niger)甲基丙烯酸縮水甘油脂甲基丙烯酸縮水甘油脂聚合物戊二醛交聯(lián)聚合物戊二醛交聯(lián)葡萄糖葡萄糖葡萄糖酸葡萄糖酸芽孢桿菌芽孢桿菌(Bucillus sp.)聚丙烯酰胺，包埋聚丙烯酰胺，包埋蛋白胨等蛋白胨等桿菌肽桿菌肽粘質(zhì)賽氏菌粘質(zhì)賽

12、氏菌(Serratia marcescens)卡拉膠，包埋卡拉膠，包埋明膠，蛋明膠，蛋白胨白胨等等堿性蛋白堿性蛋白酶酶珊瑚諾卡氏菌珊瑚諾卡氏菌(Nocardia corallina)酚醛樹脂，吸附酚醛樹脂，吸附丙烯腈廢丙烯腈廢水水處理廢水處理廢水熒光假單胞菌熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)明膠，包埋明膠，包埋葡萄糖葡萄糖血糖檢測血糖檢測傳感器傳感器固定化酶細(xì)胞的運用實例固定化酶細(xì)胞的運用實例 O返回返回固定化酶細(xì)胞的運用實例固定化酶細(xì)胞的運用實例 被固定的微生物細(xì)胞被固定的微生物細(xì)胞載體和方法載體和方法底物底物產(chǎn)物或用途產(chǎn)物或用途木醋桿菌木醋桿菌(Acetobac

13、tes xylinum)卡拉膠，包埋卡拉膠，包埋乙醇乙醇酒精檢測傳感酒精檢測傳感器器柱孢魚腥藍(lán)細(xì)菌柱孢魚腥藍(lán)細(xì)菌(Anabaena cylindrica)玻璃珠，吸附玻璃珠，吸附光解水光解水H O 鏈魚腥藍(lán)細(xì)菌鏈魚腥藍(lán)細(xì)菌(Anabaena azollae)海藻酸聚賴氨酸，海藻酸聚賴氨酸，微囊微囊N2固固 氮氮蕁麻青霉蕁麻青霉(Penicillium urticae)角叉菜聚糖，包角叉菜聚糖，包埋埋葡萄糖，酵母提取物葡萄糖，酵母提取物棒曲霉素棒曲霉素丙酸細(xì)菌丙酸細(xì)菌(Propionibacterium sp.)光交聯(lián)樹脂，包光交聯(lián)樹脂，包埋埋硫酸鈷、甘氨酸硫酸鈷、甘氨酸 等等B12谷氮酸棒桿菌

14、谷氮酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)聚丙烯酰胺，包聚丙烯酰胺，包埋埋葡萄糖等葡萄糖等L-谷氨酸谷氨酸O返回返回討論幾個問題：討論幾個問題：、糖在水中溶化，不攪拌與攪拌時，異同？、糖在水中溶化，不攪拌與攪拌時，異同？、香味傳播？有風(fēng)無風(fēng)，異同？、香味傳播？有風(fēng)無風(fēng)，異同？、自在酶、固定酶，反響異同？、自在酶、固定酶，反響異同？O返回返回O返回返回酶活力表現(xiàn)率普通降低(Km )EnzymeAgent of immobiliztionsubstrateKm/(mol/L)Creatine kinaseFree EATP6.510-4Aminobenzoic cellul

15、oseATP8.010-4Lactate dehydrogenaseFree ENADH7.810-6Propionyl-glassNADH5.510-5chymotrypsinFree EATEE1.010-3Soluble-aldehyde glucoseATEE1.310-3Ficus proteinaseFree EBAEE2.010-2CMC-70BAEE2.010-2Trypase Free EBAA6.810-3Maleate/ethylideneBAA2.010-4Tab1 M-constant of free E and immobilized EO返回返回?zé)岱€(wěn)定性普遍提高保

16、管期t1/2增1倍;熱穩(wěn)定性比溶液提高10倍以上(空間構(gòu)造鞏固，加熱不易變型)O返回返回二、影響固定化酶動力學(xué)的要素二、影響固定化酶動力學(xué)的要素 酶，三維空間構(gòu)造；固定化，由于酶，三維空間構(gòu)造；固定化，由于E E與載體的相互與載體的相互作用，引起酶活性部位發(fā)生扭曲變形，改動活性部三作用，引起酶活性部位發(fā)生扭曲變形，改動活性部三維構(gòu)造，減弱了結(jié)合力，稱構(gòu)象效應(yīng)。維構(gòu)造，減弱了結(jié)合力，稱構(gòu)象效應(yīng)。 載體的存在使底物分子不易與酶活性部位接觸，載體的存在使底物分子不易與酶活性部位接觸，對酶活性部位呵斥空間妨礙，使酶活下降，稱屏蔽效對酶活性部位呵斥空間妨礙，使酶活下降，稱屏蔽效應(yīng)位阻效應(yīng)應(yīng)位阻效應(yīng)O返回

17、返回二、影響固定化酶動力學(xué)的要素二、影響固定化酶動力學(xué)的要素圖、固定化酶的構(gòu)造改動和屏蔽效應(yīng)圖、固定化酶的構(gòu)造改動和屏蔽效應(yīng)O返回返回二、影響固定化酶動力學(xué)的要素二、影響固定化酶動力學(xué)的要素含固定化酶的多種載體表示圖含固定化酶的多種載體表示圖幾個概念幾個概念構(gòu)成多相體系；構(gòu)成多相體系；微環(huán)境固酶附近微環(huán)境固酶附近主體溶液主體溶液分配效應(yīng)分配效應(yīng)(SP濃度不濃度不同的景象同的景象)O返回返回二、影響固定化酶動力學(xué)的要素二、影響固定化酶動力學(xué)的要素幾個概念幾個概念酶固定酶固定酶濃度不均勻酶濃度不均勻,S均勻均勻S向活性分散向活性分散,反響后反響后P向溶液分散向溶液分散 ；內(nèi)分散固酶內(nèi)外表向微孔內(nèi)酶

18、內(nèi)分散固酶內(nèi)外表向微孔內(nèi)酶活性中心活性中心外分散外分散(溶液主體向固定化酶外表溶液主體向固定化酶外表)反響和分散的關(guān)系反響和分散的關(guān)系內(nèi)分散效應(yīng)和外分散效應(yīng)內(nèi)分散效應(yīng)和外分散效應(yīng)?O返回返回第第2 2節(jié)節(jié) 外分散限制效應(yīng)外分散限制效應(yīng)固定化酶與液相反響物系相接觸的反響過程為固定化酶與液相反響物系相接觸的反響過程為:第一步：底物由液相主體分散到載體的外外表第二步：底物在載體的外外表進(jìn)展反響第三步：產(chǎn)物由外外表分散到液相主體傳質(zhì)過程反響過程O返回返回分散速率分散速率= =濃度差面積單位單位?傳質(zhì)系數(shù)kL 單位液體所具有的傳質(zhì)面積a單位時間單體積單位時間單體積所傳送的物質(zhì)量所傳送的物質(zhì)量mol/(L

19、.s)m2/m3=1/mCso-Csimol/L單位單位?單位單位?單位單位?分散速率分散速率=kL =kL a a (Cso-Csi)(Cso-Csi)O返回返回一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制iSmiSiSCKCrRmax以酶促反響為例，在載體外外表的酶促反響符合M-M方程：式中 RS i載體外外表的底物耗費速率，mol/L s CS i載體外外表的底物濃度mol/LO返回返回底物由液相主體分散到載體外表的分散速率：一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制)(0SiSLSdCCakR式中 RS d底物由液相主體分散到載

20、體外表的分散速率，mol/L s kL液膜的傳質(zhì)系數(shù)，m/s a單位體積的反響物系具有的傳質(zhì)面積，m2/m3=1/m kLa體積傳質(zhì)系數(shù)， kLa= kL a，1/s) CS 0液相主體的底物濃度，mol/LO返回返回iSmiSSiSLaCKCrCCkmax0)(在穩(wěn)定的形狀下有：？一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制反響速度=外分散速度也就是： 當(dāng)外分散速率很快時，而反響速度較慢時，此時無外分散的限制外表濃度近似等于主體濃度：000max0SSmSiSSiSRCKCrRCC Rso=液相主體反響速度，即游離E反響速度,也是無分散影響的最大反響速率(本征反響

21、速率).O返回返回 當(dāng)外分散速率很慢時，外分散為限制步驟，固定化酶外外表上底物濃度趨近于零，此時：一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制dSLaSiSLaiSrCkCCkR00)(rd為在外分散速率很慢時的最大的傳質(zhì)速率。O返回返回iSmiSiSCKCrRmax000max0SSmSiSSiSRCKCrRCC有效速率Rsi、反響最大速率Rso、分散最大速率rd與主體濃度Cso之間的關(guān)系dSLaSiSLaiSrCkCCkR00)(一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制？曲線？曲線？曲線？曲線？曲線？曲線O返回返回一、外分散速率對

22、酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制可分幾個區(qū)？可分幾個區(qū)？Rsrrs0RsiCs0圖3.2 外擴散對酶反應(yīng)影響RsordCsoABC三個區(qū)的特征？三個區(qū)的特征？O返回返回一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制由曲線關(guān)系：由曲線關(guān)系：A A部分，外分散控制部分，外分散控制CsoCso較小時，較小時，RsordRsord；此時；此時 Rsi=rd Rsi=rdC C部分，動力學(xué)控制部分，動力學(xué)控制CsoCso較大時，較大時，Rsord; Rso1時?控制當(dāng)Da1時傳質(zhì)分散限制反響速率限制O返回返回一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散

23、速率對酶催化反響速率的限制例：某酶固定于無微孔的球形載體上，在排除外分散影響的條件下測得其動力學(xué)參數(shù)為rmax=410-5mol/(L s)， Km=210-5mol/L，現(xiàn)將固定化酶顆粒裝入底物濃度為110-5mol/L反響器中，并知在這一操作條件下流體傳質(zhì)系數(shù)為410-1(1/S)，求：底物在固定化酶的外外表的反響速率。O返回返回解：101011041045150maxSLaCkrDa2101102550SmCKK1112101KDaO返回返回179.0111241211141222KCS所以mol/L1079. 1101179. 0650SSiSCCCO返回返回反響速率:s)mol/(L

24、1033. 01079. 11021079. 110456565maxiSmiSiSCKCrR比較當(dāng)未固定化的為促反響速率:s)mol/(L1033. 11011021011045555500max0SmSSCKCrR%8 .2433. 133. 00SiSRRO返回返回0SSiErR率無外擴散影響的反應(yīng)速應(yīng)速率有外擴散影響的實際反00/SmSiSSCKKCCC和反響速率與外分散速率相差不大，求反響速率的方法：反響速率與外分散速率相差不大，求反響速率的方法：一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制2、引入外分散有效因子、引入外分散有效因子EE外分散的有效因子的定

25、義:iSmiSiSCKCrRmax000maxSSmSrCKCrKCKCSSE)1 (O返回返回KCKCSSE)1 (一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制反響速率與外分散速率相差不大，求反響速率的方法：反響速率與外分散速率相差不大，求反響速率的方法：00max0SmSESEiSCKCrrR效率因子法求外分散影響固效率因子法求外分散影響固酶外表反響速率公式酶外表反響速率公式從上式可看出，從上式可看出，E近似于近似于1，Rsi=rso,闡明固酶外表底物濃度與主體的一闡明固酶外表底物濃度與主體的一樣，此時反響未受外分散影響樣，此時反響未受外分散影響2、引入外分散有

26、效因子、引入外分散有效因子從上式可看出，從上式可看出，E1，Rsi10siSrR一級動力學(xué)特性一級動力學(xué)特性2反響動力控制反響動力控制 Da10maxSLaCkrDa KCKCSSE)1 (O返回返回圖3.3 xDa（K）0.11100.11102103Da10-5過渡區(qū)外擴散區(qū)xK=10200.010.020.10.2mSSmCCKKK/00或一、外分散速率對酶催化反響速率的限制一、外分散速率對酶催化反響速率的限制2、引入外分散有效因子法求反響速率的方法、引入外分散有效因子法求反響速率的方法有效因子與有效因子與 Da關(guān)系曲線關(guān)系曲線Da及及知時，可求知時，可求P93O返回返回二、外分散限制及

27、化學(xué)抑制同時存在的動力學(xué)二、外分散限制及化學(xué)抑制同時存在的動力學(xué)1 1、非競爭性化學(xué)抑制、非競爭性化學(xué)抑制2 2、底物抑制、底物抑制O返回返回三、降低外分散效應(yīng)的技術(shù)措施三、降低外分散效應(yīng)的技術(shù)措施式中 De分散系數(shù)，取決于傳質(zhì)物質(zhì)的性質(zhì) y傳質(zhì)阻力臨界膜厚度 1、提高傳質(zhì)系數(shù)的措施yDakkeLLa改動反響液相的流動形狀；改動反響液相的流動形狀； 降低降低y：？：？ 適當(dāng)?shù)臄嚢柽m當(dāng)?shù)臄嚢鐿返回返回2、提高傳質(zhì)速率適當(dāng)提高液相主體的底物濃度CS0可提高傳質(zhì)速率RSd，降低外分散的限制。)(0SiSLaSdCCkR三、降低外分散效應(yīng)的技術(shù)措施三、降低外分散效應(yīng)的技術(shù)措施O返回返回What is

28、inner-diffusion effect?introductionAdsorption by porous mediumImmobilized enzymeinvestHow many methods can be used to prepare IE? Where will the bio-reaction proceed for this two immobilized enzymes?Reaction within the IE(usually called granular) O返回返回When reaction proceed within the granular, the r

29、eaction rate will be influenced by mass transfer process, which including two reciprocal directions, substrate must transfer from liquid phase to the activity site of within the immobilized enzyme, correspondingly the product must transfer from IE to liquid phase. The mass transfer process proceed w

30、ithin the IE granular, so is called inner diffusion effect.F(inner diffusion,ie resistance)=(structure parameters of immobilized enzyme, feature of reaction system )What is inner-diffusion effect?O返回返回一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散1、載體構(gòu)造參數(shù)、載體構(gòu)造參數(shù)1、比外表積、比外表積Sg單位質(zhì)量載體所具有的內(nèi)外表積，比外表積單位質(zhì)量載體所具有的內(nèi)外表積，比外表積S

31、g m2/g(200-300)2、微孔半徑、微孔半徑Sg2Vgr 單位質(zhì)量載體所具有的孔體積，單位質(zhì)量載體所具有的孔體積，Vg m3/gO返回返回(3)(3)空隙率空隙率P : which is ratio of microporocity volume to P : which is ratio of microporocity volume to particle volume. P 1 particle volume. P 1 一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散1、載體構(gòu)造參數(shù)、載體構(gòu)造參數(shù)P= Vg.PP表觀密度表觀密度(4)(4)當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑V= V

32、P45體積相當(dāng)直徑？體積相當(dāng)直徑？外外表積相當(dāng)直徑？外外表積相當(dāng)直徑？比外表積直徑？比外表積直徑？O返回返回一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散1、載體構(gòu)造參數(shù)、載體構(gòu)造參數(shù)(5) Particle density Apparent density P =Real density t =Solids mass/particle volumeSolids mass/solids volumePacking density b = Solids mass/bed volumeBed densityO返回返回一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散

33、2、微孔內(nèi)分散、微孔內(nèi)分散分子分散分子分散diffusion resistance result from molecular collision, independent to micropous diameter.努森分散努森分散diffusion resistance result from collision between molecular and wall of hole, independent to molecular collisionO返回返回一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散一、載體的構(gòu)造參數(shù)與微孔內(nèi)的分散2、微孔內(nèi)分散、微孔內(nèi)分散分子分散分子分散/2r110-2努森分散

34、努森分散/2r10 ：分子運動平均自在程：分子運動平均自在程r：微孔直徑：微孔直徑/2r110-2 /2r10 ?O返回返回二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布酶反響速度與底物濃度是親密相關(guān)的酶反響速度與底物濃度是親密相關(guān)的載體內(nèi)的底物濃度存在著分布不均的問題載體內(nèi)的底物濃度存在著分布不均的問題沿著傳質(zhì)的方向有底物、產(chǎn)物的濃度的分布沿著傳質(zhì)的方向有底物、產(chǎn)物的濃度的分布反響速率因底物濃度的分布而在變化反響速率因底物濃度的分布而在變化v 由于底物在載體內(nèi)的分散作用以及酶的反響由于底物在載體內(nèi)的分散作用以及酶的反響反響速率反響速率/濃度均變化，如何求？濃度均變化，如何求？質(zhì)量衡

35、算質(zhì)量衡算O返回返回二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布推導(dǎo)質(zhì)量衡算方程的假設(shè)條件：推導(dǎo)質(zhì)量衡算方程的假設(shè)條件：載體為多孔的球體或其他幾何形體。載體為多孔的球體或其他幾何形體。 酶在載體內(nèi)是均布的。酶在載體內(nèi)是均布的。載體幾何尺寸上的溫度梯度缺乏以影響酶促反響的速率。載體幾何尺寸上的溫度梯度缺乏以影響酶促反響的速率。固定化酶的催化活力不變。固定化酶的催化活力不變。 僅以分散的方式進(jìn)展傳質(zhì)，在載體內(nèi)沒有反響液相的對流。僅以分散的方式進(jìn)展傳質(zhì)，在載體內(nèi)沒有反響液相的對流。 底物、產(chǎn)物的濃度在分散的方向上變化。底物、產(chǎn)物的濃度在分散的方向上變化。O返回返回分散模型以分散模型以Fi

36、ck定律表述，且分散系數(shù)定律表述，且分散系數(shù)De在載體內(nèi)的恣意位在載體內(nèi)的恣意位置均為常數(shù)。置均為常數(shù)。二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布推導(dǎo)質(zhì)量衡算方程的假設(shè)條件：推導(dǎo)質(zhì)量衡算方程的假設(shè)條件：drdCDNsse式中式中 Nss組分的分散通量組分的分散通量 De分散系數(shù)分散系數(shù) Css組分的濃度組分的濃度 r分散間隔分散間隔 O返回返回的質(zhì)量內(nèi)消耗的質(zhì)量內(nèi)生成的質(zhì)量離開的質(zhì)量進(jìn)入積的質(zhì)量內(nèi)累dVdVdVdVdV二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布1、質(zhì)量衡算方程、質(zhì)量衡算方程在某一微體積元在某一微體積元dV中的反響對恣意組分的質(zhì)量平衡關(guān)系為：中的反響對

37、恣意組分的質(zhì)量平衡關(guān)系為：對底物有：耗的質(zhì)量內(nèi)消的質(zhì)量離開的質(zhì)量進(jìn)入積的質(zhì)量內(nèi)累dVdVdVdVO返回返回R r r 在球形載體中，取一個直徑為在球形載體中，取一個直徑為r，厚度為厚度為r的殼層為反響體系，的殼層為反響體系，二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布1、質(zhì)量衡算方程、質(zhì)量衡算方程 底物在載體內(nèi)的分散和反響處于穩(wěn)定底物在載體內(nèi)的分散和反響處于穩(wěn)定形狀，此時微體積元內(nèi)的底物累積質(zhì)量形狀，此時微體積元內(nèi)的底物累積質(zhì)量為為0。在微體積元內(nèi)的底物質(zhì)量平衡為：。在微體積元內(nèi)的底物質(zhì)量平衡為：SrrSerrrSerrrdrdCDrdrdCDrr22244)(4O返回返回二、微孔

38、內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布1、質(zhì)量衡算方程、質(zhì)量衡算方程當(dāng) 時，有略去dr2項，整理得0rSSeSSerdrrdrdCDrdrdrdCdrddrdCDdrr22244)(4SSSerdrdCrdrCdD222O返回返回SSSerdrdCrdrCdD222二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布1、質(zhì)量衡算方程、質(zhì)量衡算方程方程方程1的解與的解與rs的方式有關(guān)的方式有關(guān)1SmSSCKCrrmax. A.BCO(2-17)O返回返回SSSerdrdCrdrCdD222二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布2、一級動力學(xué)濃度分布、一級動力學(xué)濃度

39、分布eDkR1130/SSSCCCRrr/rs=k1Cs令令無因次半徑無因次半徑 無因次濃度無因次濃度 無因次反響級數(shù)參比量無因次反響級數(shù)參比量類類M-MM-M反響反響ThieleThiele模數(shù)模數(shù)SSSCrdCdrrdCd212292O返回返回SSSCrdCdrrdCd212292二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布2、一級動力學(xué)濃度分布、一級動力學(xué)濃度分布00rdCd，rs時邊境條件邊境條件:SCr; 11sC，r處令令:(2)式式(2)變成變成:21229rddO返回返回21229rdd)3sinh()3sinh(11021RrrRCC，、CCSS得求出積分常數(shù))3

40、sinh()3cosh(1211rCrC二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布2、一級動力學(xué)濃度分布、一級動力學(xué)濃度分布上式通解為上式通解為:)3sinh()3cosh(11211rCrCrCS或O返回返回圖圖 顆粒內(nèi)底物濃度分布顆粒內(nèi)底物濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布2、一級動力學(xué)濃度分布、一級動力學(xué)濃度分布P109由此圖由此圖, ,為什么有些情為什么有些情況下況下, ,顆粒中心無底物顆粒中心無底物? ?0O返回返回SSSrdrdCrdrCd222rDkdrde022二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布3、零級動力學(xué)濃度

41、分布、零級動力學(xué)濃度分布SrC令令:P109O返回返回SSSrdrdCrdrCd222rDkdrde022二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布3、零級動力學(xué)濃度分布、零級動力學(xué)濃度分布SrC令令:P51O返回返回rDkdrde022二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布3、零級動力學(xué)濃度分布、零級動力學(xué)濃度分布213061CrCrDkxaerCCrDkxCes212061積分得：SrC代入：得：O返回返回二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布3、零級動力學(xué)濃度分布、零級動力學(xué)濃度分布邊境條件邊境條件:0, 0drdcrs0,ssccRr)

42、(62200RrDkccess2006RDkccessC2=0詳見P53表3-3O返回返回SSSerdrdCrdrCdD222emmDKrRmax3SSmSSCCrdCdrrdCd19122二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布4、M-M動力學(xué)的濃度分布動力學(xué)的濃度分布SmSSCKCrrmaxmSKC/00/SSSCCCRrr/O返回返回SSmSSCCrdCdrrdCd1912200rSrdCd11rSC二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布二、微孔內(nèi)反響組分的濃度分布4、M-M動力學(xué)的濃度分布動力學(xué)的濃度分布球形載體的中心處球形載體的中心處球形載體的外表處球形載體的外表處 其邊境條件

43、為：其邊境條件為：球形固定化酶顆粒內(nèi)底物球形固定化酶顆粒內(nèi)底物濃度分布與濃度分布與mm及及的關(guān)系的關(guān)系數(shù)值解數(shù)值解O返回返回_22_20_21maxmax1,)(,)(ssssssemsmssesseccdZcdcccDkrLLlZdlckcrdldcDdldldccdldD令.CB那么0, 0, 1, 1_dZcdZcZss(數(shù)值見圖3.6)多孔膜內(nèi)反響組分的濃度分布多孔膜內(nèi)反響組分的濃度分布O返回返回三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率SiSRR率無內(nèi)擴散影響的反應(yīng)速率有內(nèi)擴散影響的反應(yīng)速SimSiSiSCKCRRRmax內(nèi)分散的效率因子內(nèi)分散的效率因子那么在載

44、體內(nèi)的實踐酶促反響速率為那么在載體內(nèi)的實踐酶促反響速率為： Rsi為顆粒內(nèi)底物濃度均為其顆粒外外表處的濃度為顆粒內(nèi)底物濃度均為其顆粒外外表處的濃度Csi時的反時的反響速率響速率,當(dāng)無外分散影響時，當(dāng)無外分散影響時，CSi= CS0，Rsi=Rso,即即 00maxSmSSCKCrRO返回返回三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率如何計算如何計算,與反響方式有關(guān)與反響方式有關(guān). A.BCO1 1一級反響的有效因子一級反響的有效因子 1 1 對一級反響，當(dāng)無外分散效對一級反響，當(dāng)無外分散效應(yīng)時，在一球形載體上的總本征應(yīng)時，在一球形載體上的總本征反響的速率為反響的速率為 0

45、13034SSCkRR式中式中 R R載體直徑載體直徑 k1 k1一級反響速率常數(shù)一級反響速率常數(shù)O返回返回 穩(wěn)定形狀下，其有效的總反響速率應(yīng)等于由外表向內(nèi)部的穩(wěn)定形狀下，其有效的總反響速率應(yīng)等于由外表向內(nèi)部的底物分散速率，載體外表的總分散速率為：底物分散速率，載體外表的總分散速率為：三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率1一級反響的有效因子一級反響的有效因子 1RrSeSdrdCDRR24RrSSedrdCCkDR0113那么RrSdrdCSSSSeCkrdrdCrdrCdD1222如何求解?濃度分布前面推導(dǎo)過O返回返回令：令：無因次半徑無因次半徑 無因次濃度無因次

46、濃度 無因次反響級數(shù)參比量無因次反響級數(shù)參比量一級反響的一級反響的ThieleThiele模數(shù)模數(shù) 三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率1一級反響的有效因子一級反響的有效因子 1eDkR113mSKC/00/SSSCCCRrr/O返回返回其邊境條件為球形載體的中心處00rSrdCd11rSC)3(sh)3(sh11rrCS)3(sh)/3(sh110RrrRCCSS三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率1一級反響的有效因子一級反響的有效因子 1球形載體的外表處解得或O返回返回110131)3(th13RCdrdCSRrS三、由內(nèi)分散的效率因

47、子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率1一級反響的有效因子一級反響的有效因子 1一級反響的有效因子一級反響的有效因子1 1的解析式為：的解析式為：11101131)3(th113RrSSedrdCCkDRO返回返回三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率2零級動力學(xué)的有效因子零級動力學(xué)的有效因子 0對零級反響，當(dāng)無外分散效應(yīng)時，在一球形載體上的總本對零級反響，當(dāng)無外分散效應(yīng)時，在一球形載體上的總本征反響的速率為：征反響的速率為：03034kRRS式中式中 k0零級反響速率常數(shù)，對酶促反零級反響速率常數(shù)，對酶促反響響max0rk 10此時O返回返回假設(shè)內(nèi)分散的影響使

48、得底物在載體的假設(shè)內(nèi)分散的影響使得底物在載體的RC處有處有:0CRrSC033)(34kRRRCS3030330134)(34RRkRkRRCC三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率2零級動力學(xué)的有效因子零級動力學(xué)的有效因子 0那么在球形載體內(nèi)的實踐反響速率為：那么在球形載體內(nèi)的實踐反響速率為：那么零級動力學(xué)有效因子那么零級動力學(xué)有效因子 0O返回返回3030330134)(34RRkRkRRCC三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率2零級動力學(xué)的有效因子零級動力學(xué)的有效因子 0?RRC如何求如何求?一種方法一種方法,經(jīng)過求濃度分布經(jīng)過求濃度

49、分布:0222krdrdCrdrCdDSSSe1622200RrRDkCCeSSO返回返回1622200RrRDkCCeSS0CRrSC20061RkDCRReSC三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率2零級動力學(xué)的有效因子零級動力學(xué)的有效因子 0由求出一種方法一種方法,經(jīng)過求濃度分布經(jīng)過求濃度分布:232000611RkDCeSO返回返回三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率2零級動力學(xué)的有效因子零級動力學(xué)的有效因子 0第二種方法第二種方法, ,由由0 0求求0 :0 :00023SeCDkR3034cos21110令零級反響的Thiele模數(shù)留意在這里，000.57700.577，132arccos20其中詳見P53表3-4O返回返回三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率三、由內(nèi)分散的效率因子求反響速率3M-M動力學(xué)的有效因子動力學(xué)的有