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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哪個先和酶結(jié)合?任何一個都有可能先與酶結(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)動力學(xué)2.3.1固定化酶促反應(yīng)動力學(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、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,測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,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,過程為外擴(kuò)散控制。當(dāng)時,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,)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)散過程具有大量內(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,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。對各類反應(yīng)動力學(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
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