第三固定化酶反应动力学精要.ppt

3.1 固定化酶反应动力学的特征 3.3.3影响固定化酶促反应的主要因素 底物由主体向固定化酶颗粒表面的扩散速率RSd正比于传质表面积和传质推动力。 上述方程是当Cs0时才是正确的。通过上式可求出当Cs＝0时的临界半径RC值。 当Cs＝0时，上式变为： RC称为临界半径，在rRC处无底物存在，也无反应发生。在某一扩散条件下可通过上式确定该值。显然在0rRC处,催化剂并未得到利用。为了节省固定化酶，其颗粒大小应做成保证在球心处，即r＝0处(Rc=0)，正好cS＝0，此时求得的半径称为最大颗粒半径Rmax,即 几点说明： φ为西勒准数，其物理意义是表面反应速率（即以固定化酶外表面处的浓度为基准反应速率）与内扩散速率之比； 由图3-22可见，β对ηin影响不是很大，主要是西勒准数φ ； 如果φ0.3,则ηin不随φ变化，近似等于1，也就是没有内部传质阻力。否则为内传质所限制； 减小φ值有三条途径，一是减小颗粒直径，R的减小有一下限；二是降低rmax,但由于rmax正比于k+2[E],降低[E]会影响生产效率；三是通过温度等调节rmax与De的比值。一般在不影响操作的条件下，尽量减小颗粒的半径，以减小φ值。 3.3.2 颗粒内的浓度分布与有效因子 （1）颗粒内的浓度分布 在稳定状态下，球形固定化酶颗粒内的实际有效反应速率应等于从颗粒外表面向微孔内的扩散速率，即： 颗粒内无浓度梯度影响时的反应速率： （2）内扩散效率因子 （3）一级反应动力学内扩散有效因子 （4）零级反应动力学内扩散有效因子 （5）M-M动力学内扩散有效因子 （5）梯勒准数的意义和求解 * 第三章 固定化酶反应动力学 * 3.1.1 酶的固定化技术 交联 利用双功能试剂的作用，在酶分子间发生交联，凝集成网状结构，构成固定化酶； 载体结合法 酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶载体； 包埋 将酶包埋在凝胶的微细格子中或半透性的聚合膜所包埋，使酶分子不能从凝胶的网格中漏出。 混合法 3.1.2 酶的固定化对其动力学特性的影响 活性的改变（通常情况活性下降） 稳定性改变（通常稳定性增强） 底物专一性改变 最适pH和最适温度改变 动力学常数改变 1）分子构象的改变 溶液酶 分子构想改变 2）位阻效应 溶液酶 位阻效应 3）分配效应 微环境 宏观环境 Z-底物分子所带电荷 F-法拉第常数 U-静电电势 R-气体常数 T-绝对温度 cSg-界面内侧底物浓度 cSi-界面外侧底物浓度 4）扩散限制 4）扩散效应 水溶液 本征速率和本征动力学参数 固定化酶 本征速率和动力学参数 固有速率和动力学参数 有效速率和动力学参数 构象改变、位阻效应 分配效应 扩散限制 固定化酶促反应中，需考虑扩散传质与催化反应的相互影响，注意外部与内部扩散的不同传质方式。 内部扩散与催化反应有时是同时进行的，两者相互耦合，外部扩散通常先于反应。 在分析固定化酶的反应与外部或内部物质传递之间的相互关系时，采用的数学方法不同。为了简化起见，在讨论外部扩散时，忽略固定化酶颗粒内部的扩散问题；讨论内部扩散时，假定固定化酶颗粒外部传质阻力小，颗粒表面处的底物浓度与液体大环境中浓度相等。 3.2 外部扩散过程 RSd=kLa(cso -csi) 式中： kL----液膜传质系数 a-----传质比表面积 cso---液体主体中的底物浓度 CSi—固定化酶表面处底物浓度 反应速率 3.2.1 外扩散速率对酶反应速率的限制效应 反应的总过程为外部传递和表面反应两者的集中反映，反应的有效速率既与底物的传质系数有关，又与反应的动力学参数有关vmax和Km。 动力学控制：传质速度相当快，反应主要受到酶的催化反应。 扩散控制：酶的催化效率很高，底物的传质速率很慢。 介于上述两种情况之间 Rsi总是接近于动力学反应速度和扩散速度小的那个。 当达到稳定状态时： α0,取“+”，反之取“-”，根据此式即可确定表面浓度!确定了表面浓度后即可确定宏观反应速率Rsi 1.Da1时，动力学控制； 2.Da1时，扩散传貭控制。 化工上引用效率因子来描述固体催化剂颗粒催化反应进行的有效程度，固定化酶同为固体催化剂，效率因子定义为： ηE=？ β=？Da=？ Km=？rmax=? 3.2.2 外扩散限制与化学抑制同时存在的动力学 3.3 内部扩散过程 3.3.1 载体的结构参数与微孔内的扩散 （1）载体结构参数 比表面积Sg 平均微孔半径 孔隙率εp 颗粒当量直径 颗粒密度 （2）液体在微孔内的扩散 分子扩散：扩散阻力主要来自于分子间的碰撞 努森扩散：扩散阻力主要来自于分子与孔壁间的碰撞，常发生在微孔直径较小的情况。 属于哪一种扩散机理，与分子运动的平均自由程λ和微孔的直径r有关，当λ/2r≤10-2，