生化工程第七章固定化酶和細胞演示文稿

生化工程第七章固定化酶和細胞演示文稿當前1頁，總共43頁。（優(yōu)選）生化工程第七章固定化酶和細胞當前2頁，總共43頁。2、微環(huán)境效應—分配效應

固定化酶處于主體溶液中，形成非均相反應系統(tǒng)。在固定化酶附近的環(huán)境稱為微環(huán)境，而主體溶液則稱為大環(huán)境。由于載體和底物的疏水性、親水性以及靜電作用，使微環(huán)境與大環(huán)境有不同的性質(zhì)，從而形成底物和各種效應物的不均勻分布，這種效應稱為分配效應。當前3頁，總共43頁。3、擴散阻力

用固定化酶進行反應時，底物必須從主體溶液傳遞到固定化酶內(nèi)部的催化部位。反應后，產(chǎn)物又沿著相反路線從酶的催化部位傳遞到主體溶液。這些傳遞過程包括被動分子擴散和對流擴散，傳遞過程中存在著一個擴散速率限制問題。這種擴散限制效應在擴散效率很低時，而酶的催化活力又相當高時特別顯著。當前4頁，總共43頁。底物從反應液移向載體表面（外擴散）底物從載體表面移向酶活性中心（內(nèi)擴散）酶反應產(chǎn)物由反應位點移向載體表面（內(nèi)擴散）產(chǎn)物移到反應液中（外擴散）總的反應速度取決于最慢的步驟3、擴散阻力當前5頁，總共43頁。3、擴散阻力限速步驟有可能是外擴散、內(nèi)擴散或酶反應。存在的擴散效應會使固定化酶、固定化細胞的動力學行為偏離其液態(tài)下的動力學行為。當前6頁，總共43頁。4、外擴散限制的分析及對酶反應動力學的影響

外擴散發(fā)生在固定化酶周圍的處于停滯狀態(tài)的液膜層。由于存在外擴散阻力，底物將在固定化酶周圍形成濃度梯度。滯流層的厚度在一定限度內(nèi)，它受固定化酶界面周圍溶液的相對速度的影響。外擴散限制隨反應體系攪拌速度的增加而減少。當前7頁，總共43頁。4、外擴散限制的分析及對酶反應動力學的影響存在外擴散限制的固定化酶反應動力學方程為：

V=Vm=K·E，E為固定化酶濃度Km(app)：表觀米氏常數(shù)在操作上使流體的湍動程度大，能改變或消除外擴散的影響。Vm·SS+Km(app)當前8頁，總共43頁。5、內(nèi)擴散限制的分析以及對酶反應動力學的影響

內(nèi)擴散阻力發(fā)生在多孔性固定化酶載體的內(nèi)部，它是底物傳遞到固定化酶內(nèi)部時的一種擴散限制效應。當前9頁，總共43頁。5、內(nèi)擴散限制的分析以及對酶反應動力學的影響

在微環(huán)境內(nèi)底物的消耗和產(chǎn)物的積累程度，也常和這些物質(zhì)的分子量大小有關(guān)。

當前10頁，總共43頁。5、內(nèi)擴散限制的分析以及對酶反應動力學的影響

大分子物質(zhì)在多孔介質(zhì)中擴散時，其擴散系數(shù)較小，以致在微環(huán)境中形成嚴重的底物枯竭和產(chǎn)物的大量積累，這會嚴重影響酶促反應速度。

當前11頁，總共43頁。5、內(nèi)擴散限制的分析以及對酶反應動力學的影響

內(nèi)擴散限制對酶促反應動力學的影響，比外擴散更為突出，因為外擴散限制可以通過攪拌來基本消除，而內(nèi)擴散限制無法消除。在固定化酶、固定化細胞的內(nèi)部，不存在流體流動，其傳質(zhì)完全依賴于分子被動擴散作用。定義η為有效系數(shù)：η==V有V無有微孔內(nèi)擴散效應下的反應速度無微孔內(nèi)擴散效應的反應速度當前12頁，總共43頁。5、內(nèi)擴散限制的分析以及對酶反應動力學的影響固定化酶、細胞的反應速度：

V=ηVm·Sa/(Km+Sa)Sa：載體表面底物濃度η是與內(nèi)擴散系數(shù)Φ有關(guān)的因子Φ=R√Vm/Km·Deη∝1/ΦR為固定化顆粒半徑當前13頁，總共43頁。8.4均相酶反應器

1、影響均相酶反應速度的因素，通常有下列三方面：（1）濃度因素:酶濃度底物濃度產(chǎn)物濃度濃度因素是所有影響因素中最基本的因素；是均相酶反應動力學的主要內(nèi)容。當前14頁，總共43頁。（2）外部反應環(huán)境因素是指反應環(huán)境中的溫度、壓力、pH以及溶劑的介電常數(shù)、離子強度等。（3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素

是指底物和酶的結(jié)構(gòu)。當前15頁，總共43頁。2、酶反應器的設(shè)計原理及操作參數(shù)

為了設(shè)計酶反應器以及確定反應操作條件，首先必須了解：反應速度特性以及溫度、pH等因素的影響，建立反應速率方程式；反應器的形式和反應器內(nèi)流體流動狀態(tài)以及傳熱特點；產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。當前16頁，總共43頁。2、酶反應器的設(shè)計原理及操作參數(shù)通常，物料平衡、熱量平衡、反應速率和流動特性等各關(guān)系式都可同時應用于反應器設(shè)計。參與反應的各組分均服從于質(zhì)量守恒定律，這是設(shè)計的出發(fā)點。當前17頁，總共43頁。表示反應器性能的重要操作參數(shù)：

空間時間、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)率；當有副反應發(fā)生時，選擇率也是重要的參數(shù)。①空間時間（簡稱空時，spacetime）表示反應物在連續(xù)操作反應器內(nèi)停留的時間。空時的倒數(shù)

稱為空速(spacevelocity)。

當前18頁，總共43頁。PFR:CSTR:：反應器容積(L)；

q：加入反應器的底物溶液體積流量。

當前19頁，總共43頁。②轉(zhuǎn)化率x，又稱為反應率。表示加入反應器中底物的轉(zhuǎn)化率。間歇操作:

S0:初始底物濃度；St:經(jīng)反應時間t后的底物濃度

連續(xù)操作:Sin:流入反應器溶液中的底物濃度Sout:流出反應器溶液中的底物濃度當前20頁，總共43頁。③生產(chǎn)率Pr（生產(chǎn)能力productivity）

指反應器單位體積單位時間內(nèi)的產(chǎn)物生成量。間歇式反應器：Pr=pt/t,連續(xù)式反應器：Pr=pout/t.當前21頁，總共43頁。式中asp代表1摩爾底物能生成目的產(chǎn)物P的理論量（摩爾），其數(shù)值取決于反應的計量式。④選擇率Ssp(selectivity)當反應過程中有副反應發(fā)生，除生成目的產(chǎn)物外，還生成其它產(chǎn)物時，通常使用選擇率這個概念。Ssp是指實際轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物量與全部底物可生成產(chǎn)物的理論量之比。當前22頁，總共43頁。3、理想的均相酶反應器的動力學

對三種最基本的反應器型式進行討論。間歇攪拌罐（BSTR）活塞流反應器（PFR）全混流反應器（CSTR）當前23頁，總共43頁。當前24頁，總共43頁。（1）PFR的操作特性方程物料在PFR反應器中的停留時間dlFFS0

S

dV=Adll=0l=LSS+dS以底物S進行物料衡算：流入量=流出量+反應量+積累量FSF（S+dS）-rsdV0當前25頁，總共43頁。流入量=流出量+反應量+積累量FSF（S+dS）-rsdV0-FdS=-rsdV=-rsAdlτ=-∫

dS-rs-rs=將米氏方程代入當前26頁，總共43頁。這是BSTR和PFR的酶反應動力學操作方程式。

在邊界條件：

L=0，S=S0；l=L，s=S，積分：

得：當前27頁，總共43頁。（2）CSTR的操作特性方程

穩(wěn)態(tài)時，對于底物S進行整個反應器的物料衡算：流入量=流出量+反應量+積累量

FS0FSt

-rsV0FFS0

St

整理：-rs=將米氏方程代入當前28頁，總共43頁。整理：CSTR操作特性方程為：當前29頁，總共43頁。在工程上要求，在最短的操作時間內(nèi)，用最少量的（固定化）酶，達到最大的產(chǎn)物生成量、最高的底物轉(zhuǎn)化率，以使生產(chǎn)成本最低。(這些條件稱之為反應器效率。)下面比較CSTR和PFR的反應器效率當前30頁，總共43頁。（3）PFR和CSTR反應器的生產(chǎn)時間比較為了方便比較，把操作方程改寫為：……CSTR

……PFR

當前31頁，總共43頁。PFR和CSTR的生產(chǎn)時間比較x應在80﹪以上。達同樣的轉(zhuǎn)化率，F(xiàn)值差別很大。而且越小，差別越顯著。

結(jié)論：PFR的停留時間小于CSTR的停留時間當前32頁，總共43頁。…PFR

（4）PFR和CSTR反應器的用酶量比較

…CSTR

當前33頁，總共43頁。轉(zhuǎn)化率x愈高，

Km/S0

越小，用酶量的差別越大。反應器體積一定，達到相同轉(zhuǎn)化率時，ECSTR/EPFR

與轉(zhuǎn)化率的比較在給定的反應體系下，反應器中的裝酶量為定值，達一定x下反應器所需酶量愈少，反應器的反應容量能力也就愈大?？梢奝FR的生產(chǎn)能力比CSTR的大。

當前34頁，總共43頁。8.5固定化酶、固定化細胞反應器及動力學當前35頁，總共43頁。當前36頁，總共43頁。當前37頁，總共43頁。當前38頁，總共43頁。2、固定化酶、細胞反應器動力學固定化酶、固定化細胞反應器的動力學行為與理想酶反應器動力學不同。其主要原因是：（1）反應器中流體是非理想流動（2）固定化酶、固定化細胞反應中存在著擴散效應。

當前39頁，總共43頁。（1）非理想反應器

PFR和CSTR是理想反應器的兩個極端，實際的反應器物料流動狀態(tài)介于平推流和全混流之間。偏離理想流動的原因是返混。實際應用中，對于接近PFR的反應器，用擴散模型來描述；對于接近STR型反應器，可將其視為多極STR串聯(lián)起來的反應器處理。

CSTRPFR當前40頁，總共43頁。（2）擴散效應

盡管動力學方程要求其中的參數(shù)應與過程發(fā)生的機制聯(lián)系在一起，然而如果將固定化顆粒粒度、孔徑等等都代入動力學方程，復雜程度會太大，所以從實用簡單的角度出發(fā)，用表觀米代常數(shù)Km(app)、表觀最大速率Vmax(app)代替Km和Vm、或以有效系數(shù)乘之，就可如對待理想酶反應一樣進行解析，這樣即簡潔又有用。

V=ηVm·Sa/(Km+Sa)，V=Vm·SS+Km(app)當前41頁