第5章 動力學相關問題三(固定化動力學)

第5章

動力學相關問題（三）固定化動力學第一節(jié)固定化生物催化劑概論

酶固定化的意義酶固定化的方法影響固定化酶反應動力學的因素

均相酶反應系統(tǒng)的缺點酶隨產物排出，無法重復使用；增加產物純化難度；不穩(wěn)定，易變性失活

一、什么是固定化酶？通過物理或化學的方法使溶液酶結合在不溶于水的載體上，或被限制在有限空間內，能與反應液分離，保留在反應器內或能夠被回收并反復利用，不溶于水但仍具有酶活力的酶固定化酶的優(yōu)點容易從反應體系中分離可以重復使用機械強度和穩(wěn)定性增加便于連續(xù)化、自動化生產固定化技術的發(fā)展固定化酶固定化細胞1916年Nelson和Griffin發(fā)現酵母蔗糖酶能被骨炭粉末吸附并在吸附狀態(tài)下仍具有催化活性，后來科學家開始了固定化酶的研究工作。首例工業(yè)化應用固定化酶是1969年由Chibata及其同事在日本TanakeSciyaku公司實現的，他們將米曲酶（Aspergillusoryzae）的氨基?；腹潭ê笥糜诓鸱趾铣傻耐庀鼶L-氨基酸，得到相應的旋光性的對映體。

二酶的固定化方法1.酶的固定化（immobilizationofenzyme)把原來游離的水溶性酶，設法限制或固定于某局部的空間或固體載體上。優(yōu)點：不溶于水，易于與產物分離；可反復使用；可連續(xù)化生產；穩(wěn)定性好。缺點： 固定化過程中往往會引起酶的失活。固定化方法1.載體結合法物理吸附法共價鍵法離子鍵法1）物理吸附法活性炭、硅膠、硅藻土、陶瓷。酶活收率高結合力弱，易脫落簡便易行操作流程：將酶溶液溶解于緩沖液中，加入載體，振蕩或者攪拌一定時間后，抽濾、洗滌、冷凍干燥，得到固定化酶。2）共價鍵法利用氨基、羥基、胍基、咪唑基等反應活性高的未結合基團。易失活、酶活收率低結合牢固3）離子鍵法離子靜電引力離子交換樹脂操作簡單酶活收率高結合力弱，易脫離2.交聯法酶與具有兩個或兩個以上官能團的試劑反應戊二醛特點不需要載體反應劇烈，酶活收率低結合牢固3.包埋法將酶包埋在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內聚丙烯酰胺凝膠、海藻酸鈣、瓊脂。特點包埋法只適合于底物和產物均為小分子物質的酶的固定化酶活收率高制備成本高固定化方法比較固定化酶的應用固定化酶的性質：游離的酶固定化后會引起的酶性質的改變

一般認為其原因可能有下列幾種：分子構象的改變和屏蔽效應微環(huán)境的影響(溫度、pH….)

底物在載體和溶液間存在著分配效應擴散效應1.酶構象改變和位阻效應2.分配效應分配系數K=Csg/Csi3.擴散效應外擴散內擴散研究方法建立包括傳質速率和酶的催化反應速率在內的反應速率方程外擴散內擴散內外擴散同時存在第二節(jié)

外擴散對反應速率的限制效應一、外擴散傳質速率研究對象的簡化理論模型Fick定律二、宏觀反應速率的求解外表面擴散速率（Fick定律）外表面反應速率動力學控制外擴散控制求取過程若則：引入無量綱：定義：Damkohler（丹克萊爾）準數（a）丹克萊爾準數的物理意義物理意義：Da>>1

擴散速率大大小于反應速率，過程為外擴散速率控制有csi≈0；Da<<1

反應速率大大小于擴散速率，過程為反應速率控制有csi＝cs0;三、外擴散有效因子當ηE＜1，表示擴散阻力在一定程度上限制了反應本征速率；當ηE＜＜1，表示擴散阻力在完全控制了反應本征速率；即外擴散控制ηE與Da的關系令由定義可得：（b）ηE與Da的關系當Da>>1，外擴散控制，（b）由（a）（b)可得：當Da<<1，反應動力學控制，表觀動力學參數有擴散限制的表觀反應速率為：Hornby等Schuler等Kobayashi等上式看出：Km*包含了本征動力學參數rmax和Km和傳質系數KLa，并且存在Km*＞Km的關系。消除外擴散影響有擴散限制的表觀反應速率為：KL的計算比較困難，常用經驗關聯式來確定：如(Ranz-Marshall)：若要減少外擴散阻力，主要途徑是提高流體流速，進而提高傳質系數KL,以增加外擴散傳質速率和顆粒外表面的底物濃度。第三節(jié)

擴散對反應速率的

限制效應內擴散過程的特點一、載體的結構參數外表面積AP、比表面積Sp平均微孔直徑r顆粒體積VP、孔隙體積Vg孔隙率微孔內的擴散機理流體擴散時，其在微孔內收到的擴散阻力來自于兩方面：1.來自于分子間的擴散（Fick定律）2.另一種來自于分子與孔壁間的碰撞，稱為努森（Knudson）擴散對液體主要為分子擴散：有效擴散系數擴散系數曲節(jié)因子（微孔內實際距離與最短距離之比）顆?？紫堵饰蛔枰蜃樱ㄎ⒖變茸畲笈c最小截面積之比）分子運動的平均自由程微孔直徑微孔內的擴散有效擴散系數擴散系數曲節(jié)因子表示內部的微孔是曲折的顆?？紫堵饰蛔枰蜃颖硎疚⒖椎慕孛娣e是變化的對固定化酶凝膠，De/D≈0.5－0.8；對微膠囊固定化酶，由于膠囊內為液相，則：De＝D;對于固定化細胞，De＝f（φc，Dc）De0De值可通過試驗方法進行確定，提高De值的主要方法是增加顆粒孔隙率和微孔半徑。二、微孔內的濃度分布

（球狀固定化酶）簡化假設載體和酶均勻分布等溫、等De不考慮酶的失活擴散傳質濃度是半徑的函數S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

邊界條件：r＝R，cs=csir=0,dcs/dr=01.M-M方程引入：無解析解，只有數值解邊界條件：同一處，隨著φ值增加，底物濃度在減少；當時，當時，為最低值。（c）（c）內擴散有效因子球形固定化酶

梯勒（Thiele）模數Φ定義式物理意義:φ值的大小反映了以固定化顆粒外表面濃度為基準的反應速率與其內擴散速率的相對大小。Φ值越大，表示內擴散相對于反應速率慢，內擴散阻力和對反應速率的限制程度越大，有效因子η越??；反之，φ越小，內擴散阻力對反應速率的限制程度越小，有效因子η則越大。（c）影響內擴散大小的因素顆粒粒度當固定化顆粒粒度增大，則φ值增加，η值下降；反之，η值增加，φ值下降。這表明：減少固定化顆粒尺寸有助于改善顆粒內的擴散狀況。對大型工業(yè)反應器，采用小顆粒的固定化催化劑，雖能減少內擴散阻力，但會導致流體通過床層的壓力降增大，會帶來不利影響。實際生產中，允許存在一定程度的內擴散限制。顆粒活性當單位體積固定化顆粒負載的生物催化劑活性很高時，表示底物的反應速率會很大，此時擴散速率的限制效應會明顯增大。實際生產中，允許存在一定程度的內擴散限制。影響內擴散大小的因素顆粒孔隙率和孔徑因微孔內的擴散系數De與顆粒的孔隙率和孔徑均成正比，因此，孔隙率較高或微孔孔徑較大的固定化生物催化劑進行催化時，φ值減小，η值增大。反應溫度當提高反應溫度，反應速率和擴散速率均有所提高。但由于反應活化能遠高于擴散活化能，將導致反應速率增加較快，擴散速率增加較慢，致使內擴散速率對反應速率的限制程度增加，φ值增大，η值減少。但對生物反應，反應溫度一般不高，這種限制效應不明顯。表觀梯勒（Thiele）模數Φ（Weisz’s模數）定義式RS為存在內擴散實測的表觀反應速率；CSi為顆粒外表面濃度，無外擴散時Csi=CS0對M-M反應：球形顆粒為例：表觀梯勒（Thiele）模數Φ（Weisz’s模數）對于值，存在以下規(guī)律：當內擴散影響明顯Weisz’s判據第四節(jié)內外擴散同時存在時的限制效應當兩種阻力同時存在并同時影響反應過程的速率，為例描述擴散因素對反應過程的總體影響，提出了總有效因子，也稱綜合有效因子?？傆行б蜃拥耐茖髻|速率＝以外表面底物濃度為基準的反應速率以外表面底物濃度為基準的反應速率＝以主體溶液底物濃度為基準的反應速率當無內擴散影響時：當無外擴散影響時：（d）引入Biot準數當Bi∞外擴散阻力忽略當Bi0內擴散阻力忽略（d）倒數形式：第五節(jié)

擴散影響下的表觀動力學特性一、對反應速率與濃度關系的影響二、對反應級數的影響任意n級反應