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)第一頁，共八十七頁，2022年，8月28日第三章

固定化生物催化劑

反應(yīng)過程動力學(xué)第二頁，共八十七頁，2022年，8月28日第一節(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

第三頁，共八十七頁，2022年，8月28日均相酶反應(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

第四頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、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

第五頁，共八十七頁，2022年，8月28日固定化酶的優(yōu)點容易從反應(yīng)體系中分離可以重復(fù)使用機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性增加便于連續(xù)化、自動化生產(chǎn)第六頁，共八十七頁，2022年，8月28日固定化技術(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。

第七頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、酶的固定化方法

載體結(jié)合法交聯(lián)法包埋法第八頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、載體結(jié)合法物理吸附法共價鍵法離子鍵法第九頁，共八十七頁，2022年，8月28日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。第十頁，共八十七頁，2022年，8月28日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(tuán)。易失活、酶活收率低結(jié)合牢固第十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日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，易脫離第十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、交聯(lián)法酶與具有兩個或兩個以上官能團(tuán)的試劑反應(yīng)戊二醛第十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日特點不需要載體反應(yīng)劇烈，酶活收率低結(jié)合牢固第十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日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。第十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日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十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日概念：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)第十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日概念：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)第十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日三、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)定性的變化第十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日四、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(kuò)散效應(yīng)第二十頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、酶結(jié)構(gòu)的改變

第二十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日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)。

第二十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日3、分配效應(yīng)分配系數(shù)K=Csg/Csi第二十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日4、擴(kuò)散效應(yīng)

外擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散第二十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日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(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散內(nèi)外擴(kuò)散同時存在第二十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)

外擴(kuò)散對反應(yīng)速率的限制效應(yīng)第二十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、外擴(kuò)散傳質(zhì)速率研究對象的簡化理論模型第二十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日Fick定律第二十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、宏觀反應(yīng)速率的求解外表面擴(kuò)散速率（Fick定律）外表面反應(yīng)速率第二十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日動力學(xué)控制外擴(kuò)散控制第三十頁，共八十七頁，2022年，8月28日求取過程引入無因次變量第三十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日丹克萊爾準(zhǔn)數(shù)★定義式物理意義Da>>1Da<<1第三十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日三、外擴(kuò)散有效因子動力學(xué)控制外擴(kuò)散控制消除外擴(kuò)散的方法第三十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日對任意n級反應(yīng)的有效因子n=1n=2第三十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日四、外擴(kuò)散限制與化學(xué)抑制同時存在非競爭性抑制底物抑制第三十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、非競爭性抑制第三十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日負(fù)協(xié)同效應(yīng)第三十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、底物抑制第三十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日穩(wěn)態(tài)操作點非穩(wěn)態(tài)操作點第三十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)

擴(kuò)散對反應(yīng)速率的

限制效應(yīng)問題的引出內(nèi)擴(kuò)散過程的特點第四十頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、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孔隙率第四十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日顆粒真實密度顆粒表觀密度顆粒堆積密度第四十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日微孔內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)理以濃度差為推動力Knudson擴(kuò)散分子擴(kuò)散（Fick定律）有效分子擴(kuò)散系數(shù)De第四十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、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(kuò)散傳質(zhì)濃度是半徑的函數(shù)第四十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

第四十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日解與rs有關(guān)第四十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、M-M方程第四十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日無解析解，只有數(shù)值解第四十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、一級反應(yīng)第四十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日方程的解第五十頁，共八十七頁，2022年，8月28日常數(shù)的求解第五十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日顆粒內(nèi)底物濃度分布函數(shù)第五十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日3、零級反應(yīng)第五十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日臨界半徑Rc最大顆粒半徑Rmax第五十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日三、微孔內(nèi)的濃度分布

（膜狀固定化酶）第五十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日理論模型（單面擴(kuò)散）第五十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日輸入－輸出＝消耗第五十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、米氏方程第五十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、一級反應(yīng)第五十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日3、零級反應(yīng)臨界厚度最大厚度第六十頁，共八十七頁，2022年，8月28日梯勒模數(shù)Φ定義式物理意義動力學(xué)控制內(nèi)擴(kuò)散控制第六十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日四、內(nèi)擴(kuò)散有效因子第六十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、球形固定化酶

第六十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日一級反應(yīng)第六十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日第六十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日零級反應(yīng)第六十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、膜狀固定化酶

單面擴(kuò)散

雙面擴(kuò)散第六十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日五、影響內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)的因素一級反應(yīng)的梯勒模數(shù)通式第六十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)內(nèi)外擴(kuò)散同時存在時的限制效應(yīng)一級不可逆反應(yīng)第六十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、總有效因子實際反應(yīng)速率/本征反應(yīng)速率第七十頁，共八十七頁，2022年，8月28日總有效因子的推導(dǎo)傳質(zhì)速率＝以外表面底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率第七十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日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)速率第七十二頁，共八十七頁，2022年，8月28日引入Biot準(zhǔn)數(shù)第七十三頁，共八十七頁，2022年，8月28日第五節(jié)

生物膜和菌絲團(tuán)的擴(kuò)散反應(yīng)模型第七十四頁，共八十七頁，2022年，8月28日1、生物膜的擴(kuò)散反應(yīng)模型生物膜的厚度第七十五頁，共八十七頁，2022年，8月28日生物膜擴(kuò)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)胞相同第七十六頁，共八十七頁，2022年，8月28日2、菌絲團(tuán)的擴(kuò)散反應(yīng)模型絲狀菌第七十七頁，共八十七頁，2022年，8月28日內(nèi)外傳遞速率的影響第七十八頁，共八十七頁，2022年，8月28日第六節(jié)

擴(kuò)散影響下的表觀動力學(xué)特性第七十九頁，共八十七頁，2022年，8月28日一、對反應(yīng)速率與濃度關(guān)系的影響第八十頁，共八十七頁，2022年，8月28日二、對反應(yīng)級數(shù)的影響任意n級反應(yīng)第八十一頁，共八十七頁，2022年，8月28日第八十二頁，共八十七