第3章固定化生物催化剂反应过程动力学要点解析.ppt

固定化酶促反应动力学 3.1 固定化酶促反应动力学基础 3.1.1 酶的固定化技术定义 酶的固定化技术是将水溶性的酶分子通过一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂等材料制成固相酶的技术。 细胞的固定化技术: 为省去从微生物（或动、植物）中提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物细胞、动植物细胞、组织技术。 2.3.1.2 酶和细胞固定化方法 物理吸附法 载体结合法 离子结合法 共价结合法 交联法 格子型 包埋法 微胶囊 3.1.3 固定化对酶性质的影响 底物专一性的改变 稳定性增强 最适pH值和最适温度变化 动力学参数的变化 3.1.4 影响固定化酶促反应的主要因素 分子构象的改变 位阻效应 微扰效应 分配效应 （可用Kp 定量描述）链接 扩散效应 （可定量描述） 分配系数 (Kp)链接 分配系数：载体内外底物(或其他物质)浓度之比。 Kp的测定： 已知底物浓度(CS0 )，体积(V0)的溶液中，放入不含底物的一定体积的载体，并保持适宜条件，当达到平衡时，测定载体外溶液的底物浓度(Cs)。 3.2 固定化酶促反应过程分析 3.2.1 外部扩散过程 以表面固定化酶为例 外扩散过程分析 Da准数 : 式中: ( 时, ) 可见，Da准数是决定效率因子 和比浓度C*的唯一参数，因而是表征传质过程对反应速率影响的基本准数。 Da准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体浓度CS， 越接近于1。Da准数越大，固定化酶表面浓度越趋近于零， 越小，越趋近于零。 为提高固定化酶外扩散效率,应设法减小Da准数。减小Da准数的措施： 1、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表面积，但由于粒径减小会伴随压降增加，因此应用中综合考虑，确定合适的粒径。 2、使固定化酶表面流体处于湍流状态以增大 。 3.2.2 内部扩散过程 具有大量内孔的球形固定化酶颗粒 稳定状态下，对底物进行物料衡算： 当反应符合米氏方程规律时， 边界条件: 西勒准数(? ) ? 的物理意义是表面反应速率与内扩散速率之比。对各类反应动力学与固定化酶的形状，普遍化的?的定义式为 : 内扩散效率因子?in 是? 和?的函数。 ?对?in影响不大，影响?in的主要参数是西勒准数?。如果 ，则 不随?变化，近似等于1，也就是说没有内部传质阻力，若 ，则 ，反应为内扩散所限制。 为提高固定化酶内扩散效率，应设法减小?。 减小?的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。 以外表面底物浓度为基准的反应速率＝以主体溶液底物浓度为基准的反应速率 引入Biot准数 第五节生物膜和菌丝团的扩散反应模型 1、生物膜的扩散反应模型 生物膜的厚度 生物膜扩散-反应模型假设 生物膜内为单一菌种 单一限制性底物 生物膜拟稳态 薄的平板生物膜 生物膜内细胞相同 2、菌丝团的扩散反应模型 丝状菌 内外传递速率的影响 第六节扩散影响下的表观动力学特性 一、对反应速率与浓度关系的影响 二、对反应级数的影响 任意n级反应 对于n级反应 当内扩散限制严重时 三、对反应速率与温度关系的影响 表观活化能 反应活化能、扩散活化能 四、对固定化酶失活速率的影响 表观半衰期提高一倍 表观稳定性提高 第三节 扩散对反应速率的限制效应 问题的引出 内扩散过程的特点 一、载体的结构参数 外表面积AP、比表面积Sg 平均微孔半径 颗粒体积VP、孔隙体积Vg 孔隙率 颗粒真实密度 颗粒表观密度 颗粒堆积密度 微孔内的扩散机理 以浓度差为推动力 Knudson扩散 分子扩散（Fick定律） 有效分子扩散系数 De 二、微孔内的浓度分布（球状固定化酶） 简化假设 载体和酶均匀分布 等温、等De 不考虑酶的失活 扩散传质 浓度是半径的函数 S流入速率－S流出速率＝S消耗速率 解与rs有关 1、M-M方程 无解析解，只有数值解 2、一级反应 方程的解 常数的求解 颗粒内底物浓度分布函数 3、零级反应 临界半径Rc 最大颗粒半径Rmax 三、微孔内的浓度分布（膜状固定