第三章 固定化生物催化劑反應(yīng)過程動力學(xué)

第三章固定化生物催化劑反應(yīng)過程動力學(xué)第1頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章

固定化生物催化劑

反應(yīng)過程動力學(xué)第2頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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(yīng)動力學(xué)的因素

第3頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月均相酶反應(yīng)系統(tǒng)的缺點酶隨產(chǎn)物排出，無法重復(fù)使用；增加產(chǎn)物純化難度；不穩(wěn)定，易變性失活

第4頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月一、什么是固定化酶？

通過物理或化學(xué)的方法使溶液酶結(jié)合在不溶于水的載體上，或被限制在有限空間內(nèi)，能與反應(yīng)液分離，保留在反應(yīng)器內(nèi)或能夠被回收并反復(fù)利用，不溶于水但仍具有酶活力的酶

第5頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月固定化酶的優(yōu)點容易從反應(yīng)體系中分離可以重復(fù)使用機械強度和穩(wěn)定性增加便于連續(xù)化、自動化生產(chǎn)第6頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月固定化技術(shù)的發(fā)展固定化酶固定化細(xì)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(xué)家開始了固定化酶的研究工作。首例工業(yè)化應(yīng)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?；腹潭ê笥糜诓鸱趾铣傻耐庀鼶L-氨基酸，得到相應(yīng)的旋光性的對映體。

第7頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月二、酶的固定化方法

載體結(jié)合法交聯(lián)法包埋法第8頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月1、載體結(jié)合法物理吸附法共價鍵法離子鍵法第9頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月1）物理吸附法活性炭、硅膠、硅藻土、陶瓷。酶活收率高結(jié)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10頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月2）共價鍵法利用氨基、羥基、胍基、咪唑基等反應(yīng)活性高的未結(jié)合基團。易失活、酶活收率低結(jié)合牢固第11頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jié)合力弱，易脫離第12頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月2、交聯(lián)法酶與具有兩個或兩個以上官能團的試劑反應(yīng)戊二醛第13頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月特點不需要載體反應(yīng)劇烈，酶活收率低結(jié)合牢固第14頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月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(nèi)聚丙烯酰胺凝膠、海藻酸鈣、瓊脂。第15頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月特點包埋法只適合于底物和產(chǎn)物均為小分子物質(zhì)的酶的固定化酶活收率高制備成本高第16頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月概念：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17頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月概念：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18頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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19頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月四、影響固定化酶動力學(xué)的因素

酶結(jié)構(gòu)的改變位阻效應(yīng)分配效應(yīng)擴散效應(yīng)第20頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月1、酶結(jié)構(gòu)的改變

第21頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月2、位阻效應(yīng)

立體障礙與底物分子的大小、形狀及性質(zhì)有關(guān)。

第22頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月3、分配效應(yīng)分配系數(shù)K=Csg/Csi第23頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月4、擴散效應(yīng)

外擴散內(nèi)擴散第24頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月研究方法建立包括傳質(zhì)速率和酶的催化反應(yīng)速率在內(nèi)的反應(yīng)速率方程外擴散內(nèi)擴散內(nèi)外擴散同時存在第25頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)

外擴散對反應(yīng)速率的限制效應(yīng)第26頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月一、外擴散傳質(zhì)速率研究對象的簡化理論模型第27頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月Fick定律第28頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月二、宏觀反應(yīng)速率的求解外表面擴散速率（Fick定律）外表面反應(yīng)速率第29頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月動力學(xué)控制外擴散控制第30頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月求取過程引入無因次變量第31頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月丹克萊爾準(zhǔn)數(shù)★定義式物理意義Da>>1Da<<1第32頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月三、外擴散有效因子動力學(xué)控制外擴散控制消除外擴散的方法第33頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月對任意n級反應(yīng)的有效因子n=1n=2第34頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月四、外擴散限制與化學(xué)抑制同時存在非競爭性抑制底物抑制第35頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月1、非競爭性抑制第36頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月負(fù)協(xié)同效應(yīng)第37頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月2、底物抑制第38頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)態(tài)操作點非穩(wěn)態(tài)操作點第39頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)

擴散對反應(yīng)速率的

限制效應(yīng)問題的引出內(nèi)擴散過程的特點第40頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月一、載體的結(jié)構(gòu)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41頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒真實密度顆粒表觀密度顆粒堆積密度第42頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月微孔內(nèi)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43頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月二、微孔內(nèi)的濃度分布

（球狀固定化酶）簡化假設(shè)載體和酶均勻分布等溫、等De不考慮酶的失活擴散傳質(zhì)濃度是半徑的函數(shù)第44頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

第45頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月解與rs有關(guān)第46頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月1、M-M方程第47頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月無解析解，只有數(shù)值解第48頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月2、一級反應(yīng)第49頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月方程的解第50頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月常數(shù)的求解第51頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒內(nèi)底物濃度分布函數(shù)第52頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月3、零級反應(yīng)第53頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月臨界半徑Rc最大顆粒半徑Rmax第54頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月三、微孔內(nèi)的濃度分布

（膜狀固定化酶）第55頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月理論模型（單面擴散）第56頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入－輸出＝消耗第57頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月1、米氏方程第58頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月2、一級反應(yīng)第59頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月3、零級反應(yīng)臨界厚度最大厚度第60頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月梯勒模數(shù)Φ定義式物理意義動力學(xué)控制內(nèi)擴散控制第61頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月四、內(nèi)擴散有效因子第62頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月1、球形固定化酶

第63頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月一級反應(yīng)第64頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第65頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月零級反應(yīng)第66頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月2、膜狀固定化酶

單面擴散

雙面擴散第67頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月五、影響內(nèi)擴散效應(yīng)的因素一級反應(yīng)的梯勒模數(shù)通式第68頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)內(nèi)外擴散同時存在時的限制效應(yīng)一級不可逆反應(yīng)第69頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月一、總有效因子實際反應(yīng)速率/本征反應(yīng)速率第70頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月總有效因子的推導(dǎo)傳質(zhì)速率＝以外表面底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率第71頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月以外表面底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率＝以主體溶液底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率第72頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月引入Biot準(zhǔn)數(shù)第73頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

生物膜和菌絲團的擴散反應(yīng)模型第74頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月1、生物膜的擴散反應(yīng)模型生物膜的厚度第75頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月生物膜擴散-反應(yīng)模型假設(shè)生物膜內(nèi)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(nèi)細(xì)胞相同第76頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月2、菌絲團的擴散反應(yīng)模型絲狀菌第77頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)外傳遞速率的影響第78頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)

擴散影響下的表觀動力學(xué)特性第79頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月一、對反應(yīng)速率與濃度關(guān)系的影響第80頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月二、對反應(yīng)級數(shù)的影響任意n級反應(yīng)第81頁，課件共87頁，創(chuàng)作于2023年2月第82頁，課件