第二章酶促反應(yīng)動力學(xué)

1、第一章第一章 酶促反應(yīng)動力學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)魏春魏春課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容 第一章第一章 酶促反應(yīng)動力學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)(4)酶促反應(yīng)動力學(xué)特點；酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)；米氏方程；競爭性抑制酶促反應(yīng)酶促反應(yīng)動力學(xué)特點；酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)；米氏方程；競爭性抑制酶促反應(yīng)動力學(xué)；非競爭性抑制酶促反應(yīng)動力學(xué)；產(chǎn)物抑制酶促反應(yīng)動力學(xué)；底物抑制動力學(xué)；非競爭性抑制酶促反應(yīng)動力學(xué)；產(chǎn)物抑制酶促反應(yīng)動力學(xué)；底物抑制酶促反應(yīng)動力學(xué)；多底物酶促反應(yīng)動力學(xué)；酶的失活動力學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)；多底物酶促反應(yīng)動力學(xué)；酶的失活動力學(xué) 第二章第二章 微生物反應(yīng)動力學(xué)微生物反應(yīng)動力學(xué)(6)影響微生物生長和代謝的各種因素影響微生物生長和

2、代謝的各種因素, 微生物反應(yīng)過程計量學(xué)微生物反應(yīng)過程計量學(xué), 得率系數(shù)，比生得率系數(shù)，比生長速率概念及計算長速率概念及計算, 微生物生長的非結(jié)構(gòu)模型，基質(zhì)消耗動力學(xué)微生物生長的非結(jié)構(gòu)模型，基質(zhì)消耗動力學(xué),產(chǎn)物合成動力產(chǎn)物合成動力學(xué)學(xué) 第三章第三章 微生物反應(yīng)器操作微生物反應(yīng)器操作(5)微生物反應(yīng)器操作的分類及比較微生物反應(yīng)器操作的分類及比較分批式操作：生長曲線及狀態(tài)方程式分批式操作：生長曲線及狀態(tài)方程式流加式操作：流加操作的分類、指數(shù)流加數(shù)學(xué)模型流加式操作：流加操作的分類、指數(shù)流加數(shù)學(xué)模型連續(xù)式操作：連續(xù)操作存在的問題及應(yīng)用連續(xù)式操作：連續(xù)操作存在的問題及應(yīng)用 第四章第四章 動植物細(xì)胞培養(yǎng)動力

3、學(xué)動植物細(xì)胞培養(yǎng)動力學(xué)(2)動植物細(xì)胞培養(yǎng)的特性，植物細(xì)胞培養(yǎng)及反應(yīng)動力學(xué)，動物細(xì)胞培養(yǎng)及反動植物細(xì)胞培養(yǎng)的特性，植物細(xì)胞培養(yǎng)及反應(yīng)動力學(xué)，動物細(xì)胞培養(yǎng)及反應(yīng)動力學(xué)應(yīng)動力學(xué) 第五章第五章 生物反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程生物反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程(4)流體流變學(xué)特性流體流變學(xué)特性, 發(fā)酵液的流變學(xué)特性發(fā)酵液的流變學(xué)特性, 氧傳遞理論，體積溶氧系數(shù)的測定氧傳遞理論，體積溶氧系數(shù)的測定, 影響影響kLa的因素及其提高措施的因素及其提高措施 第六章第六章 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器(3)生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)，常見的生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)，常見的生物反應(yīng)器, 生物反應(yīng)器放大的目的與方法生物反應(yīng)器放大的目的與方法 第七

4、章第七章 生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的拓展生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的拓展(6)超臨界生物反應(yīng)，雙液相生物反應(yīng)、代謝工程、系統(tǒng)生物學(xué)等生物應(yīng)工程超臨界生物反應(yīng)，雙液相生物反應(yīng)、代謝工程、系統(tǒng)生物學(xué)等生物應(yīng)工程領(lǐng)域的拓展介紹領(lǐng)域的拓展介紹 引言：堿性果膠酸裂解酶活力測定引言：堿性果膠酸裂解酶活力測定 取適量稀釋一定倍數(shù)的粗酶液和取適量稀釋一定倍數(shù)的粗酶液和2 ml 1% (w/w)果膠溶液果膠溶液(pH 9.6)分別置于兩個試管中，于分別置于兩個試管中，于55水浴預(yù)熱水浴預(yù)熱5 min，然后吸取，然后吸取1 ml粗粗酶液加入到果膠溶液中，并使它們充分混勻，準(zhǔn)確反應(yīng)酶液加入到果膠溶液中，并使它們充分混勻，準(zhǔn)確反應(yīng)10

5、 min。取上述反應(yīng)混合物取上述反應(yīng)混合物1 ml 加入加入9 ml 0.01 mol/l HCl終止反應(yīng)，在終止反應(yīng)，在235 nm處測定吸光值，以滅過酶活的酶液作為空白對照。處測定吸光值，以滅過酶活的酶液作為空白對照。 一個標(biāo)準(zhǔn)酶活單位定義為：每分鐘使果膠裂解產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)酶活單位定義為：每分鐘使果膠裂解產(chǎn)生1mol的不飽的不飽和聚半乳糖醛酸所需的酶量。和聚半乳糖醛酸所需的酶量。不飽和聚半乳糖醛酸在不飽和聚半乳糖醛酸在235nm處的處的摩爾吸光系數(shù)為摩爾吸光系數(shù)為4600Lmol-1cm-1。 U =（A/4600）10610-3310（1/10）n = An(30/46) 式中：式中：U-

6、酶液的酶活力，酶液的酶活力， U/mL A OD值值 n 酶液稀釋倍數(shù)酶液稀釋倍數(shù)2.1 酶促反應(yīng)動力學(xué)的特點酶促反應(yīng)動力學(xué)的特點2.1.1 酶的基本概念酶的基本概念2.1.2 酶的穩(wěn)定性及應(yīng)用特點酶的穩(wěn)定性及應(yīng)用特點 酶是以酶是以活力活力、而、而不是以質(zhì)量不是以質(zhì)量購銷的。購銷的。 酶有不同的質(zhì)量等級：工業(yè)用酶、食品用酶、醫(yī)藥酶有不同的質(zhì)量等級：工業(yè)用酶、食品用酶、醫(yī)藥用酶。酶的實際應(yīng)用中應(yīng)注意，沒有必要使用比工藝用酶。酶的實際應(yīng)用中應(yīng)注意，沒有必要使用比工藝條件所需純度更高的酶。條件所需純度更高的酶。 經(jīng)典酶學(xué)研究中，酶反應(yīng)速率的測定是在反應(yīng)經(jīng)典酶學(xué)研究中，酶反應(yīng)速率的測定是在反應(yīng)的初始短

7、時間內(nèi)進行的，并且酶濃度、底物濃度較的初始短時間內(nèi)進行的，并且酶濃度、底物濃度較低，且為水溶液，酶學(xué)研究的目的是探討酶促反應(yīng)低，且為水溶液，酶學(xué)研究的目的是探討酶促反應(yīng)的機制。的機制。 工業(yè)上，為保證酶促反應(yīng)高效率完成，常需要工業(yè)上，為保證酶促反應(yīng)高效率完成，常需要使用高濃度的酶制劑和底物，且反應(yīng)要持續(xù)較長時使用高濃度的酶制劑和底物，且反應(yīng)要持續(xù)較長時間，反應(yīng)體系多為非均相體系，有時反應(yīng)是在有機間，反應(yīng)體系多為非均相體系，有時反應(yīng)是在有機溶劑中進行。溶劑中進行。2.2 均相酶促反應(yīng)動力學(xué)均相酶促反應(yīng)動力學(xué)2.2.1 酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)可采用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動力學(xué)

8、可采用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動力學(xué)方程。方程。一步簡單反應(yīng)1kAM 1AAAdCrk Cdt 1MMAAdCrrk Cdt（1）對（對（1）式從）式從0-t（CA0到到CA）進行積分可得）進行積分可得tkAAeCC102.2 均相酶促反應(yīng)動力學(xué)均相酶促反應(yīng)動力學(xué)2.2.1 酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)可采用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動力學(xué)方程。可采用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動力學(xué)方程。對酶促反應(yīng)對酶促反應(yīng) ，有：，有： 式中，式中， k：酶促反應(yīng)速率常數(shù)；：酶促反應(yīng)速率常數(shù)； r：酶促反應(yīng)速率；：酶促反應(yīng)速率； rA：以底物：以底物A的消耗速率表示的酶促反應(yīng)速率；的消

9、耗速率表示的酶促反應(yīng)速率； rP：以產(chǎn)物：以產(chǎn)物P的生成速率表示的酶促反應(yīng)速率的生成速率表示的酶促反應(yīng)速率(P指指C或或D)。DCBA dtdCrAA BAPACkCrrr dtdCrPP C CA A不斷減少，為使不斷減少，為使r rA A恒為正，所以式前恒為正，所以式前要加負(fù)號要加負(fù)號 對連鎖的酶促反應(yīng)，對連鎖的酶促反應(yīng)，PMAkk21AACkdtdC1MAMCkCkdtdC21 MPCkdtdC2 2.2.2 單底物酶促反應(yīng)動力學(xué)2.2.2.1 米氏方程 根據(jù)酶底物中間復(fù)合物假說，對單底物酶促反應(yīng) ，其反應(yīng)機制可表示為：PS PEESSEkkk 211快速平衡法推導(dǎo)動力學(xué)方程：快速平衡法

10、推導(dǎo)動力學(xué)方程：幾點假設(shè)：（1）CSCE，中間復(fù)合物ES的形成不會降低CS。（2）不考慮產(chǎn)物P的可逆反應(yīng)。（3） 為快速平衡， 為整個反應(yīng)的限速階段，因此ES分解成產(chǎn)物不足以破壞這個平衡。ESSE PEES ESCkr2 11kkKCCCSESSE ESEECCC 0解之，得解之，得SSSECKCCkr 0202maxECkr SSSCKCrr max令令則則根據(jù)假設(shè)建立動力學(xué)方程根據(jù)假設(shè)建立動力學(xué)方程110ESESESdCk C Ck Cdt穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動力學(xué)方程：穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動力學(xué)方程：幾點假設(shè)：幾點假設(shè)：（1）CSCE，中間復(fù)合物，中間復(fù)合物ES的形成不會降的形成不會降低低CS。（2）不考慮

11、這個可逆反應(yīng)。）不考慮這個可逆反應(yīng)。（3）CSCE中間復(fù)合物中間復(fù)合物ES一經(jīng)分解，產(chǎn)生一經(jīng)分解，產(chǎn)生的游離酶立即與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物的游離酶立即與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物ES濃度保持衡定，即濃度保持衡定，即 。0 dtdCESESCkr2 ESEECCC 0解之，得解之，得02maxECkr 令令則則0211 ESESSEESCkCkCCkdtdCSSECkkkCCkr 12102121kkkKm SmSCKCrr max根據(jù)以上假設(shè)，可建立如下方程組根據(jù)以上假設(shè)，可建立如下方程組米氏方程米氏方程 rrmaxrmax/2KmCSSmSCKCrr max圖圖2 21 1 酶濃度一定時底物濃度

12、對反應(yīng)速率的影響酶濃度一定時底物濃度對反應(yīng)速率的影響對米氏方程的討論： 當(dāng)CSKm時，屬零級反應(yīng)。 當(dāng)CSKm時，。Km在數(shù)量上等于反應(yīng)速度達到最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度。SmCKrrmax maxrr 2maxrr 引言：堿性果膠酸裂解酶活力測定引言：堿性果膠酸裂解酶活力測定 取適量稀釋一定倍數(shù)的粗酶液和取適量稀釋一定倍數(shù)的粗酶液和2 ml 1% (w/w)果膠溶液果膠溶液(pH 9.6)分別置于兩個試管中，于分別置于兩個試管中，于55水浴預(yù)熱水浴預(yù)熱5 min，然后吸取，然后吸取1 ml粗粗酶液加入到果膠溶液中，并使它們充分混勻，準(zhǔn)確反應(yīng)酶液加入到果膠溶液中，并使它們充分混勻，準(zhǔn)確反應(yīng)1

13、0 min。取上述反應(yīng)混合物取上述反應(yīng)混合物1 ml 加入加入9 ml 0.01 mol/l HCl終止反應(yīng)，在終止反應(yīng)，在235 nm處測定吸光值，以滅過酶活的酶液作為空白對照。處測定吸光值，以滅過酶活的酶液作為空白對照。 一個標(biāo)準(zhǔn)酶活單位定義為：每分鐘使果膠裂解產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)酶活單位定義為：每分鐘使果膠裂解產(chǎn)生1mol的不飽的不飽和聚半乳糖醛酸所需的酶量。和聚半乳糖醛酸所需的酶量。不飽和聚半乳糖醛酸在不飽和聚半乳糖醛酸在235nm處的處的摩爾吸光系數(shù)為摩爾吸光系數(shù)為4600Lmol-1cm-16。 U =（A/4600）10610-3310（1/10）n = An(30/46) 式中：式中：

14、U-酶液的酶活力，酶液的酶活力， U/mL A OD值值 n 酶液稀釋倍數(shù)酶液稀釋倍數(shù)雙倒數(shù)法(Linewear Burk): 對米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)，得 ,以 作圖，得一直線，直線斜率為 ，截距為 ,根據(jù)直線斜率和截距可計算出Km和rmax。 SmCrKrr111maxmax SCr11max1rmaxrKmSmSCKCrr max1Km1rmax1r斜率Km/rmax1CS圖22 雙倒數(shù)法求解Km和rmax 習(xí)題習(xí)題將底物1 g/L和酶0.001 mol/L加入到酶反應(yīng)器中，經(jīng)反應(yīng)，底物轉(zhuǎn)化率為90%時，反應(yīng)時間是多少？已知反應(yīng)速率方程為SmSCKCrr max11003SSers2.2.2

15、.2 抑制劑對酶促反應(yīng)速率的影響 失活作用: 使酶蛋白變性而引起酶活力喪失的作用 抑制作用:使酶活力下降，但并不引起酶蛋白變性的作用 不可逆抑制 競爭性抑制 可逆抑制 非競爭性抑制 反競爭性抑制 競爭性抑制競爭性抑制 非競爭性抑制非競爭性抑制EISESI 競爭性抑制：抑制劑與底物競爭，從而阻止底物與酶的結(jié)合。因酶的活性中心不能同時與抑制劑(I)作用，又與底物(S)作用。競爭性抑制劑具有與底物相類似的結(jié)構(gòu)，與酶形成可逆的EI復(fù)合物，但EI不能分解成產(chǎn)物P。 非競爭性抑制：酶可以同時與底物及抑制劑結(jié)合，兩者沒有競爭作用。但是ESI復(fù)合體不能進一步分解為產(chǎn)物，因此酶活性降低。競爭性抑制反應(yīng)機理：競爭

16、性抑制反應(yīng)機理：PEESSEkkk 211EIIEIK IEIIEKCCC ESCkr2 SESSEKkkCCC 11EIESEECCCC 0快速平衡法推導(dǎo)動力學(xué)方程：快速平衡法推導(dǎo)動力學(xué)方程： SIISSCKCKCrr)/1 (max02maxECkr11kkKS解之，得解之，得，式中式中: :采用穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動力學(xué)方程：采用穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動力學(xué)方程：ESCkr2 0211 ESESSEESCkCkCCkdtdC0 EIiIEiEICkCCkdtdCEIESEECCCC 0解之，得解之，得SIImSCKCKCrr )/1(max02maxECkr 121kkkKm 式中式中:非競爭性抑制反應(yīng)機理非

17、競爭性抑制反應(yīng)機理PEESSEkkk 211EIIEIK ESIIESIK 快速平衡法推導(dǎo)動力學(xué)方程快速平衡法推導(dǎo)動力學(xué)方程ESCkr2 SESSEKkkCCC 11IEIIEKCCC IESIIESKCCC EIESEECCCC 0 )(/1(maxSSIISCKKCCrr 02maxECkr 11kkKS 解之，得解之，得式中式中: :穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動力學(xué)方程：穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動力學(xué)方程：ESCkr2 0211 IESiESIiESESSEESCCkCkCkCkCCkdtdC0 EIiIEiEICkCCkdtdC0 ESIiIESiESICkCCkdtdCESIEIESEECCCCC 0解之，得解之

18、，得式中式中: :)(/1(maxSmIISCKKCCrr 02maxECkr 121kkkKm 競爭性抑制競爭性抑制 非競爭性抑制非競爭性抑制SIImSCKCKCrr )/1(max)(/1(maxSmIISCKKCCrr )/1(IImmKCKK SmSCKCrr maxIIKCrr/1maxmax SmSCKCrr max令可變形為可變形為: : 可變形為可變形為: : 令mmKKmaxmaxrr 競爭性抑制競爭性抑制 非競爭性抑制非競爭性抑制1r1CS1rmax-1Km-1Km1r1CS1rmax-1KmCI = 0CI 1rmaxCI = 0CI 產(chǎn)物抑制：酶促反應(yīng)中，有時隨產(chǎn)物濃度

19、提產(chǎn)物抑制：酶促反應(yīng)中，有時隨產(chǎn)物濃度提高，產(chǎn)物與酶形成復(fù)合物，阻礙了底物與酶高，產(chǎn)物與酶形成復(fù)合物，阻礙了底物與酶的結(jié)合，從而降低了酶促反應(yīng)的速度。的結(jié)合，從而降低了酶促反應(yīng)的速度。EPPEESSEPKkkk211反應(yīng)機理： ESCkr2 SESSEKkkCCC 11PEPPEKCCC EPESEECCCC 0快速平衡法推導(dǎo)動力學(xué)方程快速平衡法推導(dǎo)動力學(xué)方程: :解之解之, ,得得SPPSSCKCKCrr )/1(max02maxECkr 11kkKS 式中式中: :ESCkr2 EPESEECCCC 0穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動力學(xué)方程穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動力學(xué)方程: :0211 ESESSEESCkCkCCkd

20、tdC0 EPpPEpEPCkCCkdtdC解之解之, ,得得SPPmSCKCKCrr )/1(max02maxECkr 121kkkKm 式中式中: :可見可見, ,產(chǎn)物抑制屬于競爭性抵制產(chǎn)物抑制屬于競爭性抵制底物抑制：對于某些酶促反應(yīng)，當(dāng)?shù)孜餄獾孜镆种疲簩τ谀承┟复俜磻?yīng)，當(dāng)?shù)孜餄舛容^高時，反應(yīng)速率呈下降趨勢，稱為底度較高時，反應(yīng)速率呈下降趨勢，稱為底物抑制。物抑制。CSC CS Sr底物抑制反應(yīng)機理：底物抑制反應(yīng)機理：PEESSEkkk 211ESSSESSSK 快速平衡法推導(dǎo)動學(xué)方程：快速平衡法推導(dǎo)動學(xué)方程：ESCkr2 SESSEKkkCCC 11SSESSSESKCCC ESSESE

21、ECCCC 0解之解之, ,得得)/1(maxSSSSSSKCCKCrr 02maxECkr 11kkKS 式中式中: :2.2.3 2.2.3 多底物酶促反應(yīng)動力學(xué)多底物酶促反應(yīng)動力學(xué)一般的多底物酶促反應(yīng)可表示為：一般的多底物酶促反應(yīng)可表示為： RQPCBA這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況QPBA 反應(yīng)機制：反應(yīng)機制：關(guān)鍵問題：底物關(guān)鍵問題：底物A A、B B哪個先和酶結(jié)合？哪個先和酶結(jié)合？ u 任何一個都有可能先與酶結(jié)合任何一個都有可能先與酶結(jié)合 （隨機機制）（隨機機制）u A A先與酶結(jié)合或先與酶結(jié)合或B B先與酶結(jié)合先與酶結(jié)合 u 兩底物同時與酶結(jié)合兩底物同時與酶結(jié)

22、合 （可能性極?。赡苄詷O小）隨機機制（分支機制）隨機機制（分支機制）EEBEAEABEPQEPEQE（不形成三元復(fù)合物）反應(yīng)模型（不形成三元復(fù)合物）反應(yīng)模型EAEAAPPBBEQQQEEG （ EG：修飾過的酶：修飾過的酶 ）簡單機制簡單機制EEAEABAABBEPQQQEPEPP雙底物酶促反應(yīng)動力學(xué)雙底物酶促反應(yīng)動力學(xué) 反應(yīng)機理：反應(yīng)機理：EAAEPEEABAEB B B AKAKBKBK2kEABCkr2 AEAAEKCCC AEABAEBKCCCBEBBEKCCC BEABBEAKCCC EABEBEAEEOCCCCC EABEBEAEEOCCCCC 解之，得解之，得)(maxBBA

23、ABACKCKCCrr 式中：式中：EOCkr2max 2.3 固定化酶促反應(yīng)動力學(xué) 2.3.1 2.3.1 固定化酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)固定化酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 2.3.1.1 2.3.1.1 酶的固定化技術(shù)定義酶的固定化技術(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，共價鍵等與載體如角叉菜膠、離子交換樹脂等材料制成固吸附，共價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)。相酶的技術(shù)。 細(xì)胞的固定化技術(shù)細(xì)胞的固定化技術(shù): : 為省去從微生物（或動、植物）中提取為省去從微生物（或動、植物）中提取酶的操作，確保酶

24、的穩(wěn)定性，采用直接固定化微生物細(xì)胞、動植酶的操作，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)。物細(xì)胞、組織技術(shù)。 物理吸附法物理吸附法 載體結(jié)合法載體結(jié)合法 離子結(jié)合法離子結(jié)合法 共價結(jié)合法共價結(jié)合法 交聯(lián)法交聯(lián)法 格子型格子型 包埋法包埋法 微膠囊微膠囊2.3.1.2 2.3.1.2 酶和細(xì)胞固定化方法酶和細(xì)胞固定化方法 交聯(lián)法交聯(lián)法EOEEOOOE2.3.1.3 2.3.1.3 固定化對酶性質(zhì)的影響固定化對酶性質(zhì)的影響 底物專一性的改變底物專一性的改變 穩(wěn)定性增強穩(wěn)定性增強 最適最適pHpH值和最適溫度變化值和最適溫度變化 動力學(xué)參數(shù)的變化動力學(xué)參數(shù)的變化 2.3.1.

25、4 2.3.1.4 影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素 分子構(gòu)象的改變分子構(gòu)象的改變 位阻效應(yīng)位阻效應(yīng) 微擾效應(yīng)微擾效應(yīng) 分配效應(yīng)分配效應(yīng) （可用（可用KpKp 定量描述定量描述）鏈接 擴散效應(yīng)擴散效應(yīng) （可定量描述）（可定量描述）分配系數(shù)分配系數(shù) ( (KpKp) )鏈接 分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物( (或其他物質(zhì)或其他物質(zhì)) )濃度之比。濃度之比。 KpKp的測定：的測定： 已知底物濃度已知底物濃度( (C CS0S0 ) )，體積，體積(V(V0 0) )的溶液中，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)放入不含底物的一定體積的載

26、體，并保持適宜條件，當(dāng)達到平衡時，測定載體外溶液的底物濃度達到平衡時，測定載體外溶液的底物濃度(Cs)(Cs)。2.3.2 2.3.2 固定化酶促反應(yīng)過程分析固定化酶促反應(yīng)過程分析2.3.2.1 2.3.2.1 外部擴散過程外部擴散過程 以表面固定化酶為例。以表面固定化酶為例。SSmSSoutCKCrr maxCSCSSooutoutrr SmSoCKCrr max外擴散過程分析外擴散過程分析SSmSSoutCKCrr maxoutrN )(maxSSSLSSmSSCCakCKCr 外擴散速率：外擴散速率： 達到平衡時，達到平衡時，即即 )(SSSLCCakN 酶促反應(yīng)速率：酶促反應(yīng)速率： S

27、LaCkN maxN, rrmaxNmax 0 CSS CS(CSS，rout)NmaxN，rrmax0 CSS CS(CSS，rout)maxmaxNr 0, 0outSSC maxmaxNr 1,outSSSCC Da準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) :maxmaxNrDa 當(dāng)當(dāng) 時，時， 過程為外擴散控制。過程為外擴散控制。 當(dāng)當(dāng) 時，時， 過程為反應(yīng)控制。過程為反應(yīng)控制。1 Da1 Da0, 0outSSC 1,outSSSCC 式中式中:)(maxSSSLSSmSSCCakCKCr *maxmaxmax)(1(CCKCaCkrNrDaSL SmSSSCKKCCC ,*表明表明C*為為Da準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，即準(zhǔn)數(shù)的

28、函數(shù)，即 )(*DafC ( 時時, )*maxmaxCKCCKCCKCrCKCrrrSSmSSSmSSSmSSooutout mSKC maxrro 表明表明為為C*的函數(shù)，即的函數(shù)，即 out *)(Cgout 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。out out out 為提高固定化酶外擴散效率為提高固定化酶外擴散效率,應(yīng)設(shè)法減小應(yīng)設(shè)法減小Da準(zhǔn)數(shù)。減小準(zhǔn)數(shù)。減小Da準(zhǔn)數(shù)的措施：準(zhǔn)數(shù)的措施： 1、降低

29、固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面、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)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。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、使固定化酶表面流體處于湍流狀態(tài)以增大大 。Lk2.3.2.2 內(nèi)部擴散過程內(nèi)部擴散過程 具有大量內(nèi)孔的球形固定化酶顆粒Rdrroininrr 內(nèi)擴散效率因子內(nèi)擴散效率因子穩(wěn)定狀態(tài)下，對底物進行物料衡算：穩(wěn)定狀態(tài)下，對底物進行物料衡算： drrrdrdCDerdrdCDedrrSrSrdrrSr22244)(4 流入量流出量反應(yīng)量流入量流出量反應(yīng)量整理

30、整理, ,得得drrrdrdCDerdrdCDedrrdrrSrSrdrrSr222244)(24 drrrdrdCrdrDedrdCdrdCDerSdrrSrrSrdrrSr22484 Dedrr24 兩側(cè)同除兩側(cè)同除 , ,得得DerdrdCrdrCdSSrSr 222當(dāng)反應(yīng)符合米氏方程規(guī)律時，當(dāng)反應(yīng)符合米氏方程規(guī)律時，SrmSrSCKCrr max)(2max22SrmrSSrSrCKDeCrdrdCrdrCd 故故, ,令令 , , , , , ,SSSrXCCC Rrl mSSKC mDeKrR9max22 上式可轉(zhuǎn)化為無因次形式，得上式可轉(zhuǎn)化為無因次形式，得 XXXXccdldcl

31、dlcd 192222邊界條件邊界條件: :0 l0 dldcX1 l1 Xc, , ,該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。西勒西勒準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)( ) 的物理意義是表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴散速率之的物理意義是表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴散速率之比。對各類反應(yīng)動力學(xué)與固定化酶的形狀，普遍比。對各類反應(yīng)動力學(xué)與固定化酶的形狀，普遍化的化的 的定義式為的定義式為 :21,2 SSeqSCCssPPdCsDerrAVSSmSSRrSrSSmSSRrSroininCKCrdrdCDeRCKCrRdrdCDeRrr maxmax323344 引入無因次參數(shù)，則引入無因次參數(shù)，則 113

32、21lXindldcin 無解析解，只有數(shù)值解。無解析解，只有數(shù)值解。 見教材見教材33頁圖頁圖2-10 內(nèi)擴散效率因子內(nèi)擴散效率因子 in 是是 和和 的函數(shù)。的函數(shù)。 對對 in影響不大，影響影響不大，影響 in的主要參數(shù)是的主要參數(shù)是西勒準(zhǔn)數(shù)西勒準(zhǔn)數(shù) 。如果。如果 ，則，則 不隨不隨 變化，近似等于變化，近似等于1，也就是說沒有內(nèi)部，也就是說沒有內(nèi)部傳質(zhì)阻力，若傳質(zhì)阻力，若 ，則，則 ，反，反應(yīng)為內(nèi)擴散所限制。應(yīng)為內(nèi)擴散所限制。3 .0 3 .01inin 為提高固定化酶內(nèi)擴散效率，應(yīng)為提高固定化酶內(nèi)擴散效率，應(yīng)設(shè)法減小設(shè)法減小 。 減小減小 的措施主要是適當(dāng)降低固定的措施主要是適當(dāng)降低固定化酶顆粒粒徑?；割w粒粒徑。外擴散過程外擴散過程內(nèi)擴散過程內(nèi)擴散過程 Da準(zhǔn)數(shù)是決定外擴散準(zhǔn)數(shù)是決定外擴散 效率的唯一參數(shù)。效率的唯一參數(shù)。 準(zhǔn)數(shù)是決定內(nèi)擴散效準(zhǔn)數(shù)是決定內(nèi)擴散效率的主要參數(shù)。率的主要參數(shù)。 Da準(zhǔn)數(shù)定義：準(zhǔn)數(shù)定義： 西勒準(zhǔn)數(shù)定義：西勒準(zhǔn)數(shù)定義： 外擴散效率因