生物反應(yīng)工程原理第二章

生物反應(yīng)工程原理第二章第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六一般的多底物酶促反應(yīng)可表示為：這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六反應(yīng)機(jī)制：關(guān)鍵問題：底物A、B哪個(gè)先和酶結(jié)合？任何一個(gè)都有可能先與酶結(jié)合（隨機(jī)機(jī)制）

A先與酶結(jié)合或B先與酶結(jié)合兩底物同時(shí)與酶結(jié)合（可能性極?。┑?頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六隨機(jī)機(jī)制（分支機(jī)制）EEBEAEABEPQEPEQE第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六（不形成三元復(fù)合物）反應(yīng)模型EAE＋A－A－P＋P＋B－BEQ－Q＋QEEG

（EG：修飾過的酶）第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六簡(jiǎn)單機(jī)制EEAEAB＋A－A＋B－BEPQ－Q＋QEPE－P＋P第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六雙底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)機(jī)理：第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六解之，得式中：第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2.3固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.3.1固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

2.3.1.1酶的固定化技術(shù)定義酶的固定化技術(shù)是將水溶性的酶分子通過一定的方式，如靜電吸附，共價(jià)鍵等與載體如角叉菜膠、離子交換樹脂等材料制成固相酶的技術(shù)。細(xì)胞的固定化技術(shù):為省去從微生物（或動(dòng)、植物）中提取酶的操作，確保酶的穩(wěn)定性，采用直接固定化微生物細(xì)胞、動(dòng)植物細(xì)胞、組織技術(shù)。第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

物理吸附法載體結(jié)合法離子結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法交聯(lián)法格子型包埋法微膠囊2.3.1.2酶和細(xì)胞固定化方法第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六交聯(lián)法EOEEOOOE第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2.3.1.3固定化對(duì)酶性質(zhì)的影響底物專一性的改變穩(wěn)定性增強(qiáng)最適pH值和最適溫度變化動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2.3.1.4影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素

分子構(gòu)象的改變位阻效應(yīng)微擾效應(yīng)分配效應(yīng)（可用Kp定量描述）鏈接擴(kuò)散效應(yīng)

（可定量描述）第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六分配系數(shù)(Kp)鏈接

分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物(或其他物質(zhì))濃度之比。

Kp的測(cè)定：已知底物濃度(CS0

)，體積(V0)的溶液中，放入不含底物的一定體積的載體，并保持適宜條件，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)定載體外溶液的底物濃度(Cs)。第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2.3.2固定化酶促反應(yīng)過程分析2.3.2.1外部擴(kuò)散過程以表面固定化酶為例。CSCSS第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六外擴(kuò)散過程分析外擴(kuò)散速率：

達(dá)到平衡時(shí)，即

酶促反應(yīng)速率：

第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六N,rrmaxNmax0CSSCS(CSS，rout)NmaxN，rrmax0

CSSCS(CSS，rout)第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六Da準(zhǔn)數(shù):當(dāng)時(shí)，過程為外擴(kuò)散控制。當(dāng)時(shí)，過程為反應(yīng)控制。第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六式中:表明C*為Da準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，即第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六(時(shí),)表明為C*的函數(shù)，即第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

可見，Da準(zhǔn)數(shù)是決定效率因子和比濃度C*的唯一參數(shù)，因而是表征傳質(zhì)過程對(duì)反應(yīng)速率影響的基本準(zhǔn)數(shù)。

Da準(zhǔn)數(shù)越小，固定化酶表面濃度越接近于主體濃度CS，越接近于1。Da準(zhǔn)數(shù)越大，固定化酶表面濃度越趨近于零，越小，越趨近于零。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

為提高固定化酶外擴(kuò)散效率,應(yīng)設(shè)法減小Da準(zhǔn)數(shù)。減小Da準(zhǔn)數(shù)的措施：

1、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面積，但由于粒徑減小會(huì)伴隨壓降增加，因此應(yīng)用中綜合考慮，確定合適的粒徑。

2、使固定化酶表面流體處于湍流狀態(tài)以增大。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六2.3.2.2內(nèi)部擴(kuò)散過程具有大量?jī)?nèi)孔的球形固定化酶顆粒Rdrr內(nèi)擴(kuò)散效率因子第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)底物進(jìn)行物料衡算：

流入量－流出量＝反應(yīng)量第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六整理,得兩側(cè)同除

,得第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)反應(yīng)符合米氏方程規(guī)律時(shí)，故,令,,,上式可轉(zhuǎn)化為無因次形式，得第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六邊界條件:,,該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六西勒準(zhǔn)數(shù)()

的物理意義是表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率之比。對(duì)各類反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與固定化酶的形狀，普遍化的的定義式為:第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六引入無因次參數(shù)，則無解析解，只有數(shù)值解。

第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六見教材33頁圖2-10

內(nèi)擴(kuò)散效率因子in

是和的函數(shù)。對(duì)in影響不大，影響in的主要參數(shù)是西勒準(zhǔn)數(shù)。如果，則不隨變化，近似等于1，也就是說沒有內(nèi)部傳質(zhì)阻力，若，則，反應(yīng)為內(nèi)擴(kuò)散所限制。第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六

為提高固定化酶內(nèi)擴(kuò)散效率，應(yīng)設(shè)法減小。減小的措施主要是適當(dāng)降低固定化酶顆粒粒徑。第32頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六外擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程Da準(zhǔn)數(shù)是決定外擴(kuò)散效率的唯一參數(shù)。準(zhǔn)數(shù)是決定內(nèi)擴(kuò)散效率的主要參數(shù)。Da準(zhǔn)數(shù)定義：西勒準(zhǔn)數(shù)定義：外擴(kuò)散效率