固定化酶催化反應(yīng)過(guò)程

第1頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、水溶性酶應(yīng)用過(guò)程中的一些不足酶的穩(wěn)定性較差：除了某些耐高溫的酶(如α-淀粉酶、Taq酶等)及可以耐受較低的pH條件(胃蛋白酶等)以外，大多數(shù)的酶在高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和重金屬離子等外界因素影響下，都容易變性失活。酶的一次性使用：酶一般都是在溶液中與底物反應(yīng)，這樣酶在反應(yīng)系統(tǒng)中，與底物和產(chǎn)物混在一起，反應(yīng)結(jié)束后，即使酶仍有很高的活力，也難于回收利用。這種一次性使用酶的方式，不僅使生產(chǎn)成本提高，而且難于連續(xù)化生產(chǎn)。產(chǎn)物的分離純化較困難：酶反應(yīng)后成為雜質(zhì)與產(chǎn)物混在一起，無(wú)疑給產(chǎn)物的進(jìn)一步的分離純化帶來(lái)一定的困難。固定化酶、概述:第2頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通過(guò)物理或化學(xué)的方法使溶液酶轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢ǖ目臻g內(nèi)其運(yùn)動(dòng)受到約束（完全或局部）的一種不溶于水，但仍具活性的酶。它以固相狀態(tài)作用于底物進(jìn)行催化反應(yīng)。水溶性酶水不溶性載體水不溶性酶（固定化酶）固定化技術(shù)2、固定化酶（固相酶或水不溶酶）：第3頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、固定化酶的研究歷史固定化酶的研究從50年代開(kāi)始，1953年德國(guó)的Grubhofer和Schleith采用聚氨基苯乙烯樹(shù)脂為載體與羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等結(jié)合，制成固定化酶。60年代后期，固定化技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。1969年，日本的千煙一郎首次在工業(yè)上生產(chǎn)應(yīng)用固定化氨基酰化酶從DL-氨基酸連續(xù)生產(chǎn)L-氨基酸，實(shí)現(xiàn)了酶應(yīng)用史上的一大變革。在1971年召開(kāi)的第一次國(guó)際酶工程學(xué)術(shù)會(huì)議上，確定固定化酶的統(tǒng)一英文名稱(chēng)為Immobilizedenzyme。第4頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn):(1)

在催化反應(yīng)以后，固定化酶容易從反應(yīng)系統(tǒng) 中分離出來(lái)，可以反復(fù)使用，固定化后的酶 大多數(shù)情況下其穩(wěn)定性增加.(2)

產(chǎn)物不受污染,容易精制;(3)固定化酶有一定的形狀和機(jī)械強(qiáng)度，可以裝 填在反應(yīng)器中長(zhǎng)期使用，便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù) 化和自動(dòng)化。缺點(diǎn)：

(1)存在擴(kuò)散限制。適于催化小分子物質(zhì)。

(2)酶活性下降。4、固定化酶的優(yōu)缺點(diǎn)：第5頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用: 5、固定化酶應(yīng)用:泵儲(chǔ)罐反應(yīng)產(chǎn)物離心機(jī)消旋反應(yīng)器固定化酶柱子晶體L-AlaL-AlaA-D-AlaA-L-AlaA-D-Ala固定化氨基酸?；干a(chǎn)L-氨基酸;乙酰-DL—AlaL—Ala+乙酸 乙酰-D—Ala第6頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)高果糖漿---世界上生產(chǎn)規(guī)模最大，應(yīng)用最為成功的一種固定化酶.第7頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化酶在生化制藥中的應(yīng)用:固定化的青霉素酰化酶生產(chǎn)制造各種半合成的青霉素和頭孢霉素;固定化谷氨酸脫羧酶可以生產(chǎn)γ-氨基丁酸,制成了CO2電極,可用于測(cè)定谷氨酸的含量。固定化酶在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用:固定化纖溶酶治療血栓,用固定化脲酶和微膠囊活性炭組成人工腎等第8頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化酶在分析檢測(cè)和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

(生物傳感器是由生物活性物質(zhì)與換能器組成的分析系統(tǒng),可以簡(jiǎn)便、快速地測(cè)定各種特異性很強(qiáng)的物質(zhì))第9頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅魇瞧渲袘?yīng)用最為廣泛的一種,將葡萄糖氧化酶、過(guò)氧化氫酶和一種顯色劑一起固定在試紙上,只要將該試紙浸入被檢尿樣中幾秒鐘就可以馬上檢測(cè)出尿樣的葡萄糖是否超標(biāo),從而斷定該婦女是有血糖、尿糖還是妊娠。生化分析中最常用的H電極也絕大多數(shù)是固定化酶產(chǎn)品:固定化青霉素酶電極重組海洛因酯酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)違禁藥品用聚丙烯酰胺凝膠包埋細(xì)菌電極可快速測(cè)定污水中的BOD。第10頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 ——載體結(jié)合法、交聯(lián)法、包埋法.1）載體結(jié)合法：將酶結(jié)合于水不溶性載體的一種固定化方法。物理吸附法離子結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法結(jié)合的形式6、固定化酶的制備方法:第11頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子結(jié)合法：酶通過(guò)離子鍵結(jié)合于具有離子交換基的水不溶性載體的固定化方法。載體:多糖類(lèi)離子交換劑和合成高分子離子交換樹(shù)脂。DEAE纖維素、GM纖維素等。特點(diǎn):操作簡(jiǎn)單，條件溫和，酶活回收率較高,受緩沖液種類(lèi)或pH的影響，易從載體上脫落。物理吸附法：酶被物理吸附(氫鍵,疏水鍵)于不溶性載體的一種固定化方法。載體:活性炭、多孔玻璃、氧化鋁、硅膠、淀粉、合成樹(shù)脂等。特點(diǎn):酶活性中心不易被破壞，酶結(jié)構(gòu)變化少，酶與載體相互作用力弱，酶易脫落。第12頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月共價(jià)結(jié)合法：酶以共價(jià)鍵結(jié)合于載體的固定化方法，是載體結(jié)合法中應(yīng)用最多的一種。將載體有關(guān)基團(tuán)活化，與酶有關(guān)基團(tuán)發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)；或在載體上接一個(gè)雙功能試劑，然后將酶偶聯(lián)上去?？膳c載體結(jié)合的酶的功能團(tuán)有氨基、羧基、羥基、酚基等。代表性的方法有重氮法、溴化氰法等。特點(diǎn):反應(yīng)條件比較苛刻，操作復(fù)雜，并引起酶高級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，破壞了部分活性中心，酶活回收率為30％左右。第13頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用雙功能或多功能試劑使酶與酶之間交聯(lián)的固定化方法。它是利用共價(jià)鍵固定酶的，它不使用載體。交聯(lián)劑:形成希夫堿的戊二醛、形成肽鍵的異氰酸酯、發(fā)生重氮偶合反應(yīng)的雙重氮聯(lián)苯胺等。特點(diǎn):結(jié)合牢固，可以長(zhǎng)時(shí)間使用,反應(yīng)條件較激烈、酶活回收率低,顆粒較小,使用不便。2）交聯(lián)法：第14頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可將交聯(lián)法與吸附法或包埋法聯(lián)合使用，以取長(zhǎng)補(bǔ)短。第15頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月——網(wǎng)格型和微囊型兩種。將酶包埋在高分子凝膠細(xì)微網(wǎng)格中的稱(chēng)為網(wǎng)格型；將酶包埋在高分子半透膜中的稱(chēng)為微囊型。特點(diǎn):酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)改變少，酶活回收率較高，包埋法只適合作用于小分子底物和產(chǎn)物的酶，因?yàn)橹挥行》肿硬趴梢酝ㄟ^(guò)高分子凝膠的網(wǎng)格進(jìn)行擴(kuò)散。適于網(wǎng)格型的高分子化合物有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、淀粉、明膠、海藻酸等。

3）包埋法第16頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微囊型特點(diǎn):固定化酶顆粒一般為直徑是幾微米到幾百微米的球狀體，比網(wǎng)格型顆粒小得多,有利于底物和產(chǎn)物擴(kuò)散;半透膜能阻止蛋白質(zhì)分子滲漏和進(jìn)入，注入體內(nèi)既可避免引起免疫過(guò)敏反應(yīng)，也可使酶免遭蛋白水解酶的降解，具有較大的醫(yī)學(xué)價(jià)值.但反應(yīng)條件要求高，制備成本也高。制備方法:界面沉淀法、界面聚合法、二級(jí)乳化法和脂質(zhì)體包埋法等.第17頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月脂質(zhì)體包埋：這是一種采用表面活性劑和磷脂酰膽堿等物質(zhì)，形成液膜來(lái)包埋酶的方法。脂質(zhì)體是指具有脂雙層結(jié)構(gòu)和一定包囊空間的微球體,

具有一定的機(jī)械性能，能定向?qū)⒚傅缺话飻y帶到體內(nèi)特定部位，然后將被包裹物質(zhì)釋放。因此，其在藥物應(yīng)用方面受到重視。第18頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化方法吸附法包埋法共價(jià)結(jié)合法交聯(lián)法物理吸附法離子吸附法制備難易易易較難難較難結(jié)合程度弱中等強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)活力回收高，酶易流失高高低中等再生可能可能不能不能不能費(fèi)用低低低高中等底物專(zhuān)一性不變不變不變可變可變第20頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)展方向:將酶固定在生物膜或超濾膜上,制造出來(lái)的生物膜反應(yīng)器;固定化細(xì)胞技術(shù)注:通過(guò)不同方法制得的固定化酶，必須制成不同型式的組件裝在反應(yīng)器中進(jìn)行酶催化反應(yīng)，例如制成顆粒狀、膜狀、管狀(中空纖維)。第21頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月酶的固定化，不僅使酶的活性發(fā)生了變化，而且由于固定化酶使反應(yīng)體系變?yōu)槎嘞囿w系，例如液一固體系,氣-液-固等，因此研究需結(jié)合以下兩個(gè)方面:考慮酶催化反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)規(guī)律;研究反應(yīng)物的質(zhì)量傳遞規(guī)律，及其對(duì)酶催化反應(yīng)過(guò)程的影響。固定化酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)本質(zhì)宏觀動(dòng)力學(xué)方程:同時(shí)包括物質(zhì)傳質(zhì)速率和催化反應(yīng)速率的動(dòng)力學(xué)方程。是設(shè)計(jì)固定化酶催化反應(yīng)器和確定其操作條件的理論基礎(chǔ)。第22頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溶液酶→固定化酶，其性質(zhì)將會(huì)發(fā)生很大的變化。這種變化因酶的種類(lèi)、所催化的反應(yīng)、所用的載體和采用的固定化方法的不同而不同。3．1固定化酶催化的動(dòng)力學(xué)特征

一、酶的固定化對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性的影響(1)活性的變化。固定化時(shí)，部分酶未被固定而殘留在溶液中，造成了酶的部分損失；同時(shí)由于各種原因也會(huì)造成已被固定化的酶的活性有所下降。固定化酶的動(dòng)力學(xué)仍服從M—M方程，可通過(guò)米氏常數(shù)K反映酶在固定化前后活性的變化。第23頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月某些游離酶和固定化酶的米氏常數(shù)酶固定化試劑底物Km/(mol/L)肌酸激酶無(wú)對(duì)氨苯基纖維素ATPATP6.5×10-48.0×10-4乳酸脫氫酶無(wú)丙酰-玻璃NADHNADH7.8×10-65.5×10-5-糜蛋白酶無(wú)可溶性醛葡聚糖ATEEATEE1.0×10-31.3×10-3無(wú)花果蛋白酶無(wú)CM-纖維-70BAEEBAEE2×10-22×10-2胰蛋白酶無(wú)馬來(lái)酸/1,2-亞乙基BAABAA6.8×10-32×10-4ATP-三磷酸腺苷;NADH-煙酰胺腺嘌呤二核苷酸;ATEE-N-乙酰-L-酪氨酸乙酯;BAEE-N-苯酰精氨酸乙酯;BAA-苯酰精氨酰胺大多數(shù)酶在固定化后，其Km值增加，表示催化反應(yīng)活性將下降。也有少數(shù)酶固定化后活性無(wú)變化，甚至有所增大。第24頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月評(píng)價(jià)活性變化的兩種指標(biāo)：酶活力表現(xiàn)率和酶活力收率。酶活力表現(xiàn)率：實(shí)際測(cè)定的固定化酶的總活力與被固定化了的酶在溶液狀態(tài)時(shí)的總活力之比。酶活力收率：實(shí)際的固定化酶的總活力與固定化時(shí)所用的全部游離酶的活力之比?；盍Ρ憩F(xiàn)率=固定化酶總活力/(加入酶的總活力-上清液中未偶聯(lián)酶活力)×100%活力收率=固定化酶總活力/加入酶的總活力×100%第25頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半衰期:在連續(xù)測(cè)定條件下，固定化酶(細(xì)胞)的活力下降為最初活力一半所經(jīng)歷的連續(xù)工作時(shí)間，以t1/2表示。理論推測(cè)酶固定化后，其半衰期將增加一倍。熱穩(wěn)定性:也有所提高，要比溶液酶提高10多倍。這是因?yàn)槊腹潭ɑ?，酶的空間結(jié)構(gòu)變得更為堅(jiān)固，加熱時(shí)不易變形，增加了酶的熱穩(wěn)定性。酶被固定化后，其穩(wěn)定性有所增加，保存和使用時(shí)的穩(wěn)定性均有提高。(2)穩(wěn)定性的變化:第26頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)象效應(yīng)：酶在固定化過(guò)程中，由于酶和載體的相互作用，引起了酶的活性部位發(fā)生某種扭曲變形，改變了酶活性部位的三維結(jié)構(gòu)，減弱了酶與底物的結(jié)合能力的現(xiàn)象。屏蔽效應(yīng)（位阻效應(yīng)）：載體的存在使酶分子的活性基團(tuán)不易與底物相接觸，從而對(duì)酶的活性部位造成了空間障礙，使酶的活性下降。如在葡聚糖凝膠上共價(jià)交聯(lián)胰蛋白酶的活性低于結(jié)合在瓊脂糖的活性，原因是葡聚糖凝膠的空間屏障大于瓊脂糖。

二、固定化酶動(dòng)力學(xué)的影響因素

(1)空間效應(yīng):酶的活性部位和變構(gòu)部位的性質(zhì)取決于酶分子的三維空間結(jié)構(gòu)。

第27頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)固定化酶處在反應(yīng)體系的主體溶液中時(shí)，反應(yīng)體系成為固液非均相體系。由于固定化酶的親水性、疏水性及靜電作用等引起固定酶載體內(nèi)部底物或產(chǎn)物濃度與溶液主體濃度不同的現(xiàn)象→分配效應(yīng)。造成了底物濃度在兩個(gè)環(huán)境中的不同，必然使酶的催化反應(yīng)速率有所不同。

分配效應(yīng)一般采用液固界面內(nèi)外側(cè)的底物濃度之比（分配系數(shù)）來(lái)定量表示。(2)分配效應(yīng)第28頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月界面內(nèi)側(cè)的底物濃度為Csg，界面外側(cè)的底物濃度為Csi,則分配系數(shù)K為：K=Csg／CsiCso—液相主體的濃度，Csi——外擴(kuò)散造成的界面外側(cè)濃度。Csg—由分配效應(yīng)造成的微環(huán)境的底物濃度。第29頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜電效應(yīng)的影響表現(xiàn)在對(duì)Km值的影響。通常酶可能被固定在帶電荷的酶膜上或載體上。底物在溶液中也會(huì)離子化，這樣在固定載體上的電荷和移動(dòng)的離子之間，常會(huì)發(fā)生靜電交互作用，產(chǎn)生分配效應(yīng)。使底物或產(chǎn)物濃度之間出現(xiàn)不均勻分布。根據(jù)Boltzman分配定律，分配系數(shù)K為Z--底物分子所帶電荷；F--法拉第常數(shù)；U--靜電電勢(shì)。當(dāng)載體與底物所帶電荷相反時(shí)，即Z為正、U為負(fù)時(shí)，K大于1;當(dāng)兩者帶有相同電荷時(shí)，則K小于1。第30頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)固定化酶催化反應(yīng)，其底物濃度應(yīng)取在固定化酶內(nèi)外表面附近的微環(huán)境的數(shù)值，根據(jù)米氏方程，當(dāng)Z及U為異號(hào)，K'm小于Km；反之，則K'm大于Km

；當(dāng)任何一方電荷為零時(shí)，Km不變。當(dāng)載體與底物帶不同電荷時(shí)，Km值減小，反應(yīng)速率增大；帶有相同電荷時(shí)Km值增大，反應(yīng)速率減小。其根源在于使微環(huán)境與主體溶液之間的濃度出現(xiàn)了差異。第31頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)擴(kuò)散效應(yīng)：固定化酶對(duì)底物進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，底物必須從主體溶液傳遞到固定化酶內(nèi)部的催化活性中心處，反應(yīng)得到的產(chǎn)物必須從酶的催化活性中心傳遞到主體溶液中。物質(zhì)的傳遞過(guò)程有分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散。擴(kuò)散過(guò)程的速率在某些情況下可能會(huì)對(duì)反應(yīng)速率產(chǎn)生限制作用，由于生物物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散速率相當(dāng)緩慢，而酶的催化活性又很高時(shí)，這種擴(kuò)散限制效應(yīng)會(huì)相當(dāng)明顯。

第32頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散限制效應(yīng)有外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)。外擴(kuò)散：底物從液相主體向固定化酶的外表面的一種擴(kuò)散,或是產(chǎn)物從固定化酶的外表面向液相主體中的擴(kuò)散。外擴(kuò)散是發(fā)生在催化反應(yīng)之前或之后。由于外擴(kuò)散阻力的存在，使底物或產(chǎn)物在液相主體和固定化酶外表面之間存在著濃度梯度。內(nèi)擴(kuò)散：指對(duì)有微孔載體的固定化酶，底物從固定化酶外表面擴(kuò)散到微孔內(nèi)部的酶催化中心處，或是產(chǎn)物沿相反途徑的擴(kuò)散。對(duì)底物來(lái)講，內(nèi)擴(kuò)散限制與酶催化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。第33頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于擴(kuò)散限制效應(yīng)的存在，底物濃度從液相主體到固定化酶外表面，再到內(nèi)表面是依次降低，而產(chǎn)物濃度分布則相反。第34頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分配效應(yīng)造成的結(jié)果是使微觀環(huán)境與宏觀環(huán)境之間的底物濃度出現(xiàn)了差別，因而影響了酶催化的反應(yīng)速率。如果在上述本征動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，僅考慮由于這種分配效應(yīng)而造成的濃度差異對(duì)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的影響，所建立的動(dòng)力學(xué)稱(chēng)為固有動(dòng)力學(xué)。動(dòng)力學(xué)方程仍然服從M—M方程形式，僅對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)予以修正?？臻g效應(yīng)難以定量描述，它與固定化的方法、載體的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、底物分子大小和形狀等因素有關(guān)。這屬于酶工程的范圍?？臻g效應(yīng)的影響可通過(guò)校正動(dòng)力學(xué)參數(shù)rmax和Km來(lái)體現(xiàn)的。在此基礎(chǔ)上建立起的動(dòng)力學(xué)方程→本征動(dòng)力學(xué)。本征動(dòng)力學(xué)是指酶的真實(shí)動(dòng)力學(xué)行為，包括溶液酶和固定化酶在內(nèi)。固定化酶的本征動(dòng)力學(xué)與溶液酶的本征動(dòng)力學(xué)是有差別的。第35頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散效應(yīng):固定化酶受到擴(kuò)散限制時(shí)所觀察到的速率統(tǒng)稱(chēng)為有效反應(yīng)速率（宏觀反應(yīng)速率）。由于生化物質(zhì)在溶液內(nèi)和固定化酶微孔內(nèi)的擴(kuò)散速率是比較慢的，因而擴(kuò)散阻力是影響固定化酶催化活力的主要因素。并且所建立的宏觀動(dòng)力學(xué)方程也不完全服從M—M方程形式。

第36頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因此對(duì)一個(gè)非均相(液一固)體系所建立的宏觀動(dòng)力學(xué)方程不僅包括酶的催化反應(yīng)速率，而且還包括了傳質(zhì)速率。這是固定化酶催化反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)的最主要特征。對(duì)固定化酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，要考慮固定化酶本身的活性變化和底物等物質(zhì)的傳質(zhì)速率的影響，而傳質(zhì)速率又與底物等物質(zhì)的性質(zhì)和操作條件以及載體的的性質(zhì)等因素有關(guān)。第37頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．2外擴(kuò)散限制效應(yīng)固定化酶與液相反應(yīng)物系相接觸時(shí)，反應(yīng)過(guò)程包括三步：①底物從液相主體擴(kuò)散到固定化酶的外表面；②底物在固定化酶的外表面上進(jìn)行反應(yīng)；③產(chǎn)物從酶外表面擴(kuò)散進(jìn)入液相主體。三步是一串聯(lián)過(guò)程。任意一步的速率發(fā)生變化，都影響到整個(gè)過(guò)程的速率。第38頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)非帶電的固定化酶，其外表面上的反應(yīng)速率符合M—M方程形式，即Rsi—底物在固定化酶外表面上的消耗速率（宏觀反應(yīng)速率），mol／(L·S)；Csi——底物在固定化酶外表面上的濃度，mol／L。3.2.1外擴(kuò)散速率對(duì)酶催化反應(yīng)速率的限制第39頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月底物由液相主體擴(kuò)散到固定化酶外表面的速率Rsd表示為kL——液膜傳質(zhì)系數(shù)，m／s；a——單位體積的物系中所具有的傳質(zhì)表面積;kLa——體積傳質(zhì)系數(shù)，s-1；Cso—底物在液相主體中的濃度，mol／L。定態(tài)條件下，應(yīng)存在Rsi=Rsd，第40頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月該式表示了在定態(tài)條件下，外擴(kuò)散傳質(zhì)速率等于在固定化酶外表面上底物的反應(yīng)速率。當(dāng)外擴(kuò)散傳質(zhì)速率很快，而固定化酶外表面反應(yīng)速率相對(duì)較慢，并成為該反應(yīng)過(guò)程速率的控制步驟時(shí)，則酶的外表面上底物濃度應(yīng)為液相主體溶液的濃度Cs。此時(shí)的反應(yīng)速率應(yīng)為第41頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月存在有Cso=Csi。因此上式為沒(méi)有外擴(kuò)散傳質(zhì)速率影響的本征反應(yīng)速率，或稱(chēng)為在此條件下可能達(dá)到的最大反應(yīng)速率rso。當(dāng)外擴(kuò)散傳質(zhì)速率很慢，而酶表面上的反應(yīng)速率很快，此時(shí)外擴(kuò)散速率成為反應(yīng)的控制步驟。固定化酶外表面上底物濃度趨于零?！鶵si=kLaCso=rd第42頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Rso~Cso----非線性Rd~Cso----線性當(dāng)Cso值較低時(shí)，rso>rd，為外擴(kuò)散控制，→Rsi=rd當(dāng)Cso值較高時(shí)，rso<rd，為動(dòng)力學(xué)控制，→Rsi=rso第43頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)Cso處于中間范圍，稱(chēng)為過(guò)渡區(qū)，反應(yīng)速率與擴(kuò)散速率相差不大。要求取有外擴(kuò)散影響下的反應(yīng)速率，即宏觀反應(yīng)速率Rsi,可采用兩種方法求出。(1)由Csi值確定Rsi。定義上式表示為第44頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月——無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)，常稱(chēng)Damkohler(丹克萊爾)準(zhǔn)數(shù)。求解可得當(dāng)a>0，括號(hào)內(nèi)取“+’’號(hào)；當(dāng)a<0，則應(yīng)取“一’’號(hào)。求出Csi值，再求出宏觀反應(yīng)速率Rsi值。

第45頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Da是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群。其物理意義為：當(dāng)Da<<l時(shí)，酶催化最大反應(yīng)速率要低于底物的擴(kuò)散速率。此時(shí)為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制。當(dāng)Da>>l時(shí)，則底物最大擴(kuò)散速率要低于酶催化底物的反應(yīng)速率，此時(shí)該反應(yīng)過(guò)程為傳質(zhì)擴(kuò)散控制。底物在固定化酶外表面處的濃度應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足傳質(zhì)速率方程式和反應(yīng)速率方程式，因此可通過(guò)作圖法求出Csi值和相應(yīng)的速率值。第46頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖中曲線1為底物S的反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)曲線；直線2為傳質(zhì)速率方程；直線斜率為kLa；直線與曲線交點(diǎn)為方程的解，對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)值為其表面底物濃度Csi，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值為所求的表面反應(yīng)速率Rsi。第47頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果是帶電的固定化酶放在電離了的底物溶液中，則表示外擴(kuò)散速率影響的宏觀速率應(yīng)為λ-與靜電分布有關(guān)的參數(shù)，M-修正系數(shù)第48頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）外擴(kuò)散有效因子ηE，求RSi值。

ηE的定義為：用無(wú)因次形式得：有外擴(kuò)散影響時(shí)的實(shí)際反應(yīng)速率為：第49頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)時(shí)，Rsi≈rso，表明固定化酶外表面處底物濃度與液相主體濃度相同，反應(yīng)沒(méi)有受到外擴(kuò)散傳質(zhì)速率的限制影響；當(dāng)時(shí)，則表明由于外擴(kuò)散傳質(zhì)速率較慢，已在某種程程度上限制了反應(yīng)速率；當(dāng)時(shí)，則宏觀反應(yīng)速率實(shí)際上由外擴(kuò)散傳質(zhì)速率所控制。當(dāng)反應(yīng)過(guò)程為外擴(kuò)散控制時(shí)，Da>>l，有：

第50頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月此時(shí)反應(yīng)宏觀速率可表示為：Rsi=kLaCs0——一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)當(dāng)反應(yīng)過(guò)程為動(dòng)力學(xué)控制時(shí)，Da<<1，有：Rsi=rso為了使盡可能增大到1，應(yīng)控制操作條件使Da值盡可能小，即提高kLa值。一個(gè)有效的方法是提高液體流速。在消除了外擴(kuò)散的影響時(shí)所測(cè)得的宏觀反應(yīng)速率實(shí)際上反映了本征反應(yīng)速率。

第51頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月引入無(wú)因次底物液相主體濃度為

不同β值下，與Da的關(guān)系表示如圖

當(dāng)Da和β已知，可確定但需要已知其本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)rmax和Km，而這些參數(shù)又是不受外擴(kuò)散影響的反應(yīng)中求得的第52頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月引入可觀察的丹克萊爾準(zhǔn)數(shù)

式中沒(méi)有反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)。用來(lái)求值要比用Da更為方便。知故第53頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在不同β值下，與作圖。用該圖很容易由值確定值。第54頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)過(guò)程速率的影響還可從E—H圖看到

當(dāng)Da值較小時(shí)，為動(dòng)力學(xué)控制，該關(guān)系表示為一直線；隨著Da值的增大，外擴(kuò)散影響程度在增加，關(guān)系曲線明顯偏離直線。通過(guò)該圖可檢驗(yàn)外擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)的限制程度。第55頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)任意n級(jí)反應(yīng)A—R，本征速率方程為

n=1

第56頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．3內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)對(duì)包埋或吸附于多孔性載體中的固定化酶，其催化反應(yīng)發(fā)生的主要部位是在顆粒的內(nèi)部。內(nèi)擴(kuò)散的阻力主要是微孔內(nèi)的阻力。阻力的大小與固定化酶顆粒內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)、反應(yīng)物系的性質(zhì)等因素有關(guān)。3.3.1載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微孔內(nèi)的擴(kuò)散研究?jī)?nèi)擴(kuò)散對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響時(shí)，常將均勻分布著酶的多孔球形顆粒為研究模型。先研究顆粒載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體在載體微孔內(nèi)的擴(kuò)散。第57頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）載體結(jié)構(gòu)參數(shù)①比表面積Sg：?jiǎn)挝毁|(zhì)量載體所具有的內(nèi)表面積，m2/g。Sg=200~300m2/g。②微孔半徑：多孔載體的內(nèi)表面積與微孔孔徑大小有關(guān)?？讖接?、比表面積愈大。如用Vg表示單位質(zhì)量載體所具有的孔體積，則平均微孔半徑為：③孔隙率:載體顆粒內(nèi)孔隙所占有的體積與該顆粒體積之比值。值恒小于1表觀密度:表示了單位顆粒體積中所含有固體的質(zhì)量。第58頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月④顆粒當(dāng)量直徑體積相當(dāng)直徑dv:與顆粒體積相等的球體直徑來(lái)表示外表面積相當(dāng)直徑ds:與顆粒的比表面積相等的球體直徑來(lái)表示假定某任一形狀的固定化酶顆粒，其體積為Vp，外表面積為Ap，各當(dāng)量直徑分別為形狀系數(shù)（球形度）：與顆粒體積相同的球體的外表面積As與顆粒的外表面積Ap之比值——表示了任意顆粒的外形與球形相接近的程度。第59頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑤顆粒密度顆粒表觀密度顆粒真密度顆粒堆密度

第60頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)液體在微孔內(nèi)的擴(kuò)散：

當(dāng)微孔內(nèi)流動(dòng)時(shí)，則某一組分的擴(kuò)散可以認(rèn)為是以濃度差為推動(dòng)力而進(jìn)行的。對(duì)于氣相分子在微孔內(nèi)的擴(kuò)散，則由于微孔半徑r與分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程λ的相對(duì)大小不同，微孔內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)理可分為兩種：分子擴(kuò)散（正常擴(kuò)散）：擴(kuò)散的阻力來(lái)自于分子之間的碰撞，擴(kuò)散速率主要受到分子之間相互碰撞的影響，與微孔直徑的大小無(wú)關(guān)。努森(Knudson)擴(kuò)散：其擴(kuò)散過(guò)程的阻力主要是分子與孔壁之間的碰撞，而分子之間的碰撞影響較小。它常發(fā)生在微孔直徑較小的情況。第61頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)時(shí)，→分子擴(kuò)散；當(dāng)時(shí)，→努森擴(kuò)散。介于之間屬于兩種擴(kuò)散機(jī)理并存。液體在微孔內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)理一般為分子擴(kuò)散。其擴(kuò)散速率由分子擴(kuò)散系數(shù)決定。微孔內(nèi)液體分子的擴(kuò)散速率，可用Fick定律描述：

Ns—組分S的擴(kuò)散通量，z—沿?cái)U(kuò)散方向的距離，De—有效擴(kuò)散系數(shù)第62頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化酶顆粒內(nèi)部的微孔是彎彎曲曲的，微孔的大小也不均勻，微孔彼此之間可能封閉，也可能連通。因此與在主體溶液中進(jìn)行的分子擴(kuò)散相比，擴(kuò)散阻力明顯增大，其擴(kuò)散系數(shù)要比分子擴(kuò)散系數(shù)小。

對(duì)于常用固定化酶凝膠，De／D大約為0.5~0.8。但對(duì)于微膠囊固定化酶，由于顆粒內(nèi)亦為液相，因此De≈D。第63頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第64頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2

微孔內(nèi)反應(yīng)組分的濃度分布在微孔內(nèi)，由于內(nèi)擴(kuò)散阻力的存在，反應(yīng)組分在微孔內(nèi)的濃度分布不均勻。底物在固定化酶顆粒的外表面處濃度最高而在顆粒中心處濃度最低，形成濃度分布，而反應(yīng)產(chǎn)物的濃度分布則與之相反。由于在微孔內(nèi)擴(kuò)散與反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，因而沿著微孔方向，底物的濃度及反應(yīng)速率同時(shí)在下降。要描述濃度及反應(yīng)速率的變化規(guī)律，必須建立包括擴(kuò)散與反應(yīng)在內(nèi)的質(zhì)量衡算方程式。

第65頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)球形固定化酶(1)質(zhì)量衡算方程：普遍而完整的質(zhì)量衡算方程應(yīng)表示為[流入系統(tǒng)的質(zhì)量]一[離開(kāi)系統(tǒng)的質(zhì)量]+[系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的質(zhì)量]一[系統(tǒng)內(nèi)消耗的質(zhì)量]=[系統(tǒng)內(nèi)累積的質(zhì)量]第66頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)球形顆粒，常用一殼層進(jìn)行質(zhì)量衡算，如圖所示。球形顆粒半徑為R，在距球心為r處取一殼層，其厚度為Δr。底物通過(guò)微孔由外向內(nèi)擴(kuò)散，并通過(guò)此殼層。底物在(r+Δr)處擴(kuò)散進(jìn)入，在r處離開(kāi)，并在殼層內(nèi)發(fā)生酶催化反應(yīng)而消耗底物。第67頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月推導(dǎo)質(zhì)量衡算方程時(shí)的七點(diǎn)假設(shè)：①固定化酶顆粒是等溫的。一般情況下，固定化酶顆粒內(nèi)的溫度梯度是可以忽略的，以簡(jiǎn)化了模型。②傳質(zhì)機(jī)理為擴(kuò)散效應(yīng)。一般假定顆粒對(duì)流體是不能滲透的，微孔內(nèi)流體的對(duì)流流動(dòng)也是可以忽略的。這個(gè)假設(shè)對(duì)很多固定化酶是正確的。③擴(kuò)散效可用費(fèi)克定律描述。有效擴(kuò)散系數(shù)為一常數(shù)。De不依位置的不同而變化。④顆粒是均勻的，不僅其活性分布均勻，載體也是均勻的。第68頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑤底物分配系數(shù)是1。對(duì)大部分底物和固定化酶，該假設(shè)也是正確的。⑥固定化酶顆粒處于穩(wěn)態(tài)之下，即催化活性無(wú)變化⑦底物和產(chǎn)物的濃度僅沿r方向而變化。[流入系統(tǒng)的質(zhì)量]一[離開(kāi)系統(tǒng)的質(zhì)量]+[系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的質(zhì)量]一[系統(tǒng)內(nèi)消耗的質(zhì)量]=[系統(tǒng)內(nèi)累積的質(zhì)量]第69頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)微分定義得：要得到具體結(jié)果，上述方程的解法與動(dòng)力學(xué)rs的形式有關(guān)。（2）一級(jí)動(dòng)力學(xué)的濃度分布。引入，，令則該方程式變?yōu)?/p>

第70頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月邊界條件：處，，處，。求濃度分布為該方程通解：根據(jù)邊界條件求出積分常數(shù)

C1和C2。

C1=0

第71頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙曲正弦函數(shù)

第72頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月右圖表示了不同φ值時(shí)的關(guān)系曲線，即濃度分布圖。對(duì)M—M反應(yīng)，當(dāng)Cs<<Km時(shí)，可做一級(jí)反應(yīng)處理，此時(shí)

第73頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)φ1值較小時(shí)，φ1≤1，擴(kuò)散速率要明顯快于反應(yīng)速率，因此底物可以擴(kuò)散進(jìn)入顆粒中心，并且使底物濃度沿r方向的分布是平坦的。當(dāng)φ1值較大時(shí)，例如φ1≥5，擴(kuò)散速率要明顯慢于反應(yīng)速率，大部分底物在接近顆粒外表面處消耗掉。如當(dāng)φ1=5時(shí)，在≤0．6處，底物濃度接近于零。第74頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(3)零級(jí)動(dòng)力學(xué)的濃度分布對(duì)零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，可得：

(Cs>0)對(duì)M—M反應(yīng)，當(dāng)Cs>>Km時(shí)，可做零級(jí)反應(yīng)處理，此時(shí)k0=rmax。對(duì)零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)速率與底物濃度高低無(wú)關(guān)，僅與k0有關(guān)。第75頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果由于內(nèi)擴(kuò)散阻力較大,造成了固定化酶顆粒內(nèi)部在球心O到某一位置Rc處之間無(wú)底物存在，即Cs=0，這對(duì)固定化酶催化能力產(chǎn)生影響。解方程得到邊界條件：處，Cs=Cs0，

處，第76頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方程的解當(dāng)Cs>0時(shí)才是正確的。通過(guò)上式可求出Cs=0時(shí)的臨界半徑Rc值。當(dāng)Cs=0時(shí)，

第77頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Rc→臨界半徑，在r<Rc處無(wú)底物存在，也無(wú)反應(yīng)發(fā)生。在0<r<Rc處，催化劑并未得到利用。為了節(jié)省固定化酶，其顆粒大小應(yīng)做成保證在球心處，即r=0處，正好Cs=0，此時(shí)求得半徑稱(chēng)為最大顆粒半徑Rmax：只要顆粒半徑R≤Rmax，就可保證顆粒內(nèi)Cs>0。第78頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)M—M動(dòng)力學(xué)的濃度分布對(duì)M—M反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，可得：無(wú)因次參數(shù):

第79頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月邊界條件為外表面處中心處該方程描述了球形固定化酶微孔內(nèi)底物濃度與擴(kuò)散距離的關(guān)系。只能用數(shù)值法求解。得到如圖所示的關(guān)系曲線。對(duì)同一位置處，隨著φm值的增加，底物濃度在減少;表明著內(nèi)擴(kuò)散阻力的增大，底物濃度下降；

第80頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)同φm值，當(dāng)，1,當(dāng)，為最低值,即愈往顆粒內(nèi)部，底物濃度愈小。

當(dāng)擴(kuò)散速率較快時(shí),Cs可以到達(dá)顆粒中心處，此時(shí)Rc=0；當(dāng)擴(kuò)散速率較慢時(shí),底物在還未達(dá)到顆粒的中心處已反應(yīng)掉，在r<Rc處，Cs=0,此時(shí)Rc>0。第81頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同固定化酶動(dòng)力學(xué)的濃度分布公式第82頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3內(nèi)擴(kuò)散有效因子在球形固定化酶內(nèi)底物濃度的分布反映了內(nèi)擴(kuò)散阻力對(duì)濃度分布的影響，為求出內(nèi)擴(kuò)散阻力對(duì)反應(yīng)速率的影響，要能定量地算出考慮內(nèi)擴(kuò)散影響時(shí)的有效反應(yīng)速率。引入內(nèi)擴(kuò)散有效因子η概念如果不存在外擴(kuò)散影響，則Csi=Cs0，表面濃度等于液相主體濃度，即Rsi=Rso。第83頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有內(nèi)擴(kuò)散影響時(shí)的反應(yīng)速率：在無(wú)外擴(kuò)散影響時(shí)，可表示為(1)一級(jí)動(dòng)力學(xué)的有效因子：當(dāng)無(wú)內(nèi)外擴(kuò)散影響存在時(shí)，一球形固定化酶總的本征反應(yīng)速率可表示為：

第84頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)球形固定化酶顆粒，在穩(wěn)態(tài)條件下，顆粒內(nèi)實(shí)際有效反應(yīng)速率應(yīng)等于從顆粒外表面向微孔內(nèi)的擴(kuò)散速率。第85頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月又知：

則有得——球形固定化酶催化一級(jí)不可逆反應(yīng)的有效因子第86頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同形狀固定化酶的η1~1關(guān)系曲線隨著梯勒模數(shù)1的增加，有效因子η1下降，說(shuō)明內(nèi)擴(kuò)散對(duì)速率的限制效應(yīng)增大；當(dāng)1<0.4時(shí)，η1≈1，動(dòng)力學(xué)控制；當(dāng)1>3時(shí)，

，內(nèi)擴(kuò)散控制;當(dāng)0.4<1<3時(shí)，為過(guò)渡區(qū)。第87頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化酶的幾何形狀的不同，對(duì)其η1與1

的關(guān)系的影響實(shí)際上是不大的，圖上三條曲線幾乎重合。特別是當(dāng)1值較小或較大時(shí)更為明顯。在計(jì)算不同幾何形狀固定化酶催化一級(jí)不可逆反應(yīng)的有效因子時(shí)，先分別求出不同形狀時(shí)的梯勒模數(shù)值，再求出不同形狀固定化酶的有效因子，這樣做不會(huì)帶來(lái)大的誤差。第88頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)零級(jí)動(dòng)力學(xué)的有效因子。根據(jù)零級(jí)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，只要在整個(gè)球形固定化酶顆粒內(nèi)有底物存在，而不管其濃度高低，都存在有：如果由于內(nèi)擴(kuò)散限制的影響，使得底物在顆粒某一位置Rc處，Cs=0，反應(yīng)速率也為零。球形顆粒的無(wú)活性區(qū)第89頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月此時(shí)，該球形顆粒實(shí)際反應(yīng)速率應(yīng)為：Thiele模數(shù)來(lái)求值。對(duì)球形固定化酶

第90頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)0<0≤0.577時(shí)，顆粒內(nèi)Cs>0，0=1；當(dāng)0>0.577時(shí)，0與0有下述關(guān)系：第91頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月隨著0的增大，0下降。圖表示了對(duì)零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的0與0

關(guān)系曲線。

第92頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同動(dòng)力學(xué)與幾何形狀時(shí)η~關(guān)系式第93頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于M—M反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)非線性的特點(diǎn),不能求得顆粒內(nèi)濃度分布的解析解，也不能求得有效因子的解析解。一般采用數(shù)值解方法。

圖為對(duì)片狀固定化酶催化劑進(jìn)行M—M反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)與的關(guān)系曲線，的定義見(jiàn)表3-4。該曲線通過(guò)數(shù)值解而得到。(3)M—M動(dòng)力學(xué)的有效因子。第94頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月M值介于0和1之間，準(zhǔn)確的結(jié)果取決于β值。當(dāng)β=∞→零級(jí)動(dòng)力學(xué)；當(dāng)β=0→一級(jí)動(dòng)力學(xué)。當(dāng)β值處于上述兩種情況之間,則需要用數(shù)值解來(lái)求其M值。如果已經(jīng)有了m一m的曲線圖，則可利用公式直接求出m值，再利用有關(guān)圖，就可求出M值。第95頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月也可用近似公式求其M值。對(duì)膜狀固定化酶，a=b=1；對(duì)球形固定化酶，a=2.6，b=0.8。第96頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

梯勒模數(shù)是一個(gè)重要無(wú)因次模型參數(shù)。其物理意義為：值愈大，表示內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)速率相對(duì)于反應(yīng)速率較慢，內(nèi)擴(kuò)散阻力對(duì)反應(yīng)速率的限制程度就大。值的大小來(lái)判斷內(nèi)擴(kuò)散阻力對(duì)酶催化反應(yīng)的影響程度。(4)梯勒模數(shù)(Thielemodulus)的計(jì)算第97頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)任何反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和任何形狀的固定化酶，普遍化的梯勒模數(shù)Vp-固定化酶顆粒體積，Ap-固定化酶顆粒外表面積rsi|Csi—Cs=Csi時(shí)的反應(yīng)速率；Cseq——平衡時(shí)底物濃度，對(duì)不可逆反應(yīng)Cseq=0。不同動(dòng)力學(xué)和不同形狀的固定化酶催化反應(yīng)的梯勒模數(shù)計(jì)算公式，具體見(jiàn)表第98頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月m的定義第99頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論:①顆粒大小(或厚度)→特性尺寸。該值愈大、值也愈大，則值下降。為了減少內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)，應(yīng)盡可能采用小顆粒固定化酶。②微孔孔徑大小:若能增大De值，可使減小，值增大,內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)減輕。提高De值的重要手段是增大微孔孔徑，以減少底物或產(chǎn)物在微孔內(nèi)的擴(kuò)散阻力。從減小內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)角度考慮，固定化酶宜采用小粒度大孔徑。第100頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③當(dāng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)k0、k1和rmax值增加時(shí),值增大，→值下降。由于動(dòng)力學(xué)參數(shù)值的增大，使內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)的影響程度相對(duì)加大。需要指出:在值公式中所有采用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)為本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)，這些參數(shù)的數(shù)值必須是在無(wú)內(nèi)外擴(kuò)散影響下所測(cè)得的值。所用濃度表示為顆粒外表面濃度Csi，這是在有外擴(kuò)散時(shí)的濃度，若不考慮外擴(kuò)散影響，則可用Cs。(液相主體濃度)表示。包括β值、可用Cso／Km表示。第101頁(yè)，課件共119頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在確定有效因子所有方法中，都需要預(yù)先已知其反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為此必須在已消除內(nèi)外擴(kuò)散影響的前提條件下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)才能求得、給動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了麻煩。引入表觀梯勒模數(shù)方法表觀梯勒模數(shù)的定義式為：在無(wú)外擴(kuò)散影響下，Csi可用Cso表示。Rs為內(nèi)擴(kuò)散影響