第三章 固定化生物催化劑反應過程動力學

第三章固定化生物催化劑反應過程動力學第一頁，共八十七頁，2022年，8月28日第三章

固定化生物催化劑

反應過程動力學第二頁，共八十七頁，2022年，8月28日第一節(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

第三頁，共八十七頁，2022年，8月28日均相酶反應系統(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

第四頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、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

第五頁，共八十七頁，2022年，8月28日固定化酶的優(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、自動化生產第六頁，共八十七頁，2022年，8月28日固定化技術的發(fā)展固定化酶固定化細胞1916年Nelson和Griffin發(fā)現(xiàn)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(xiàn)的，他們將米曲酶（Aspergillusoryzae）的氨基酰化酶固定后用于拆分合成的外消旋DL-氨基酸，得到相應的旋光性的對映體。

第七頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、酶的固定化方法

載體結合法交聯(lián)法包埋法第八頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、載體結合法物理吸附法共價鍵法離子鍵法第九頁，共八十七頁，2022年，8月28日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。第十頁，共八十七頁，2022年，8月28日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第十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日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，易脫離第十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、交聯(lián)法酶與具有兩個或兩個以上官能團的試劑反應戊二醛第十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日特點不需要載體反應劇烈，酶活收率低結合牢固第十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日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。第十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日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第十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日概念：酶活力收率

酶活力收率是指實際測定的固定化酶的活力(E3)與固定化時所用的全部游離酶的活力(E1+E2+E3)之比，包括因未固定化而損失的酶活(E1)第十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日概念：酶的活力表現(xiàn)率

酶的活力表現(xiàn)率是指實際測定的固定化酶活力(E3)與被固定化的酶在溶液狀態(tài)時的總活力之比(E2+E3)第十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日三、酶固定化后的變化

底物專一性的改變pH活性曲線和最適pH的變化穩(wěn)定性的變化第十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日四、影響固定化酶動力學的因素

酶結構的改變位阻效應分配效應擴散效應第二十頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、酶結構的改變

第二十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、位阻效應

立體障礙與底物分子的大小、形狀及性質有關。

第二十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日3、分配效應分配系數(shù)K=Csg/Csi第二十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日4、擴散效應

外擴散內擴散第二十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日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二十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)

外擴散對反應速率的限制效應第二十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、外擴散傳質速率研究對象的簡化理論模型第二十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日Fick定律第二十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、宏觀反應速率的求解外表面擴散速率（Fick定律）外表面反應速率第二十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日動力學控制外擴散控制第三十頁，共八十七頁，2022年，8月28日求取過程引入無因次變量第三十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日丹克萊爾準數(shù)★定義式物理意義Da>>1Da<<1第三十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日三、外擴散有效因子動力學控制外擴散控制消除外擴散的方法第三十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日對任意n級反應的有效因子n=1n=2第三十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日四、外擴散限制與化學抑制同時存在非競爭性抑制底物抑制第三十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、非競爭性抑制第三十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日負協(xié)同效應第三十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、底物抑制第三十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日穩(wěn)態(tài)操作點非穩(wěn)態(tài)操作點第三十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)

擴散對反應速率的

限制效應問題的引出內擴散過程的特點第四十頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、載體的結構參數(shù)外表面積AP、比表面積Sg平均微孔半徑顆粒體積VP、孔隙體積Vg孔隙率第四十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日顆粒真實密度顆粒表觀密度顆粒堆積密度第四十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日微孔內的擴散機理以濃度差為推動力Knudson擴散分子擴散（Fick定律）有效分子擴散系數(shù)De第四十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、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(shù)第四十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

第四十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日解與rs有關第四十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、M-M方程第四十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日無解析解，只有數(shù)值解第四十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、一級反應第四十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日方程的解第五十頁，共八十七頁，2022年，8月28日常數(shù)的求解第五十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日顆粒內底物濃度分布函數(shù)第五十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日3、零級反應第五十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日臨界半徑Rc最大顆粒半徑Rmax第五十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日三、微孔內的濃度分布

（膜狀固定化酶）第五十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日理論模型（單面擴散）第五十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日輸入－輸出＝消耗第五十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、米氏方程第五十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、一級反應第五十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日3、零級反應臨界厚度最大厚度第六十頁，共八十七頁，2022年，8月28日梯勒模數(shù)Φ定義式物理意義動力學控制內擴散控制第六十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日四、內擴散有效因子第六十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、球形固定化酶

第六十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日一級反應第六十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日第六十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日零級反應第六十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、膜狀固定化酶

單面擴散

雙面擴散第六十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日五、影響內擴散效應的因素一級反應的梯勒模數(shù)通式第六十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)內外擴散同時存在時的限制效應一級不可逆反應第六十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、總有效因子實際反應速率/本征反應速率第七十頁，共八十七頁，2022年，8月28日總有效因子的推導傳質速率＝以外表面底物濃度為基準的反應速率第七十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日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第七十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日引入Biot準數(shù)第七十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日第五節(jié)

生物膜和菌絲團的擴散反應模型第七十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、生物膜的擴散反應模型生物膜的厚度第七十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日生物膜擴散-反應模型假設生物膜內為單一菌種單一限制性底物生物膜擬穩(wěn)態(tài)薄的平板生物膜生物膜內細胞相同第七十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、菌絲團的擴散反應模型絲狀菌第七十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日內外傳遞速率的影響第七十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第六節(jié)

擴散影響下的表觀動力學特性第七十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、對反應速率與濃度關系的影響第八十頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、對反應級數(shù)的影響任意n級反應第八十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日第八十二頁，共八十七