第三章固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)第三章固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)13.1固定化酶反應(yīng)動力學(xué)的特征3.1.1酶的固定化技術(shù)交聯(lián)利用雙功能試劑的作用，在酶分子間發(fā)生交聯(lián)，凝集成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成固定化酶；吸附酶或細(xì)胞利用共價鍵或離子鍵、物理吸附等方法結(jié)合于水不溶載體；包埋將酶包埋在凝膠的微細(xì)格子中或半透性的聚合膜所包埋，使酶分子不能從凝膠的網(wǎng)格中漏出?；旌戏?.1固定化酶反應(yīng)動力學(xué)的特征3.1.1酶的固定化技術(shù)2離子結(jié)合共價結(jié)合交聯(lián)聚合物包埋疏水作用脂質(zhì)體包埋微膠囊離子結(jié)合共價結(jié)合交聯(lián)聚合物包埋疏水作用脂質(zhì)體包埋微膠囊3反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件4活性的改變（通常情況活性下降）穩(wěn)定性改變（通常穩(wěn)定性增強(qiáng)）底物專一性改變最適pH和最適溫度改變動力學(xué)常數(shù)改變3.1.2酶的固定化對其動力學(xué)特性的影響活性的改變（通常情況活性下降）3.1.2酶的固定化對其動力5酶固定化試劑底物Km/（mol/L）肌酸激酶無ATP6.5×10-4對氨苯基纖維素ATP8.0×10-4乳酸脫氫酶無NADH7.8×10-6丙酰-玻璃NADH5.5×10-5α-糜蛋白酶無ATEE1.0×10-3可溶性醛葡聚糖ATEE1.3×10-3無花果蛋白酶無BAEE2×10-2CM-纖維-70BAEE2×10-2胰蛋白酶無BAA6.8×10-3馬來酸/1，2-亞乙基BAA2.0×10-4某些游離的溶液酶和固定化酶的米氏常數(shù)值酶固定化試劑底物Km/（mol/L）肌酸激酶無ATP6.563.3.3影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素1）分子構(gòu)象的改變?nèi)芤好阜肿訕?gòu)象改變3.3.3影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素1）分子構(gòu)象的改變?nèi)芤?2）位阻效應(yīng)溶液酶位阻效應(yīng)2）位阻效應(yīng)溶液酶位阻效應(yīng)83）分配效應(yīng)由于固定化酶的親水性、疏水性及靜電作用等引起固定化酶載體內(nèi)部底物或產(chǎn)物濃度與溶液主體濃度不同的現(xiàn)象稱為分配效應(yīng)。微環(huán)境宏觀環(huán)境cS0cSicSg3）分配效應(yīng)由于固定化酶的親水性、疏水性及靜電作用等引起固定9反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件104）擴(kuò)散效應(yīng)4）擴(kuò)散效應(yīng)11水溶液本征動力學(xué)參數(shù)固定化酶本征速率和動力學(xué)參數(shù)固有速率和動力學(xué)參數(shù)有效速率和動力學(xué)參數(shù)構(gòu)象改變、位阻效應(yīng)分配效應(yīng)擴(kuò)散限制水溶液本征動力學(xué)參數(shù)固定化酶本征速率和動力學(xué)參數(shù)固有速率和動12固定化酶促反應(yīng)中，需考慮擴(kuò)散傳質(zhì)與催化反應(yīng)的相互影響，注意外部與內(nèi)部擴(kuò)散的不同傳質(zhì)方式。內(nèi)部擴(kuò)散與催化反應(yīng)有時是同時進(jìn)行的，兩者相互耦合，外部擴(kuò)散通常先于反應(yīng)。在分析固定化酶的反應(yīng)與外部或內(nèi)部物質(zhì)傳遞之間的相互關(guān)系時，采用的數(shù)學(xué)方法不同。為了簡化起見，在討論外部擴(kuò)散時，忽略固定化酶顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散問題；討論內(nèi)部擴(kuò)散時，假定固定化酶顆粒外部傳質(zhì)阻力小，顆粒表面處的底物濃度與液體大環(huán)境中濃度相等。固定化酶促反應(yīng)中，需考慮擴(kuò)散傳質(zhì)與催化反應(yīng)的相互影響，注意外13底物由主體向固定化酶顆粒表面的擴(kuò)散速率RSd正比于傳質(zhì)表面積和傳質(zhì)推動力。3.2外部擴(kuò)散過程RSd=kLa(Cso-Csi)式中：kL----液膜傳質(zhì)系數(shù)a-----傳質(zhì)比表面積Cso

---液體主體中的底物濃度Csi—固定化酶表面處底物濃度反應(yīng)速率3.2.1外擴(kuò)散速率對酶反應(yīng)速率的限制效應(yīng)微環(huán)境宏觀環(huán)境cS0cSicSg底物由主體向固定化酶顆粒表面的擴(kuò)散速率RSd正比于傳質(zhì)表面積14反應(yīng)的總過程為外部傳遞和表面反應(yīng)兩者的集中反映，反應(yīng)的有效速率既與底物的傳質(zhì)系數(shù)有關(guān)，又與反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)有關(guān)vmax和Km。動力學(xué)控制：傳質(zhì)速度相當(dāng)快，反應(yīng)主要受到酶的催化反應(yīng)影響。外擴(kuò)散控制：酶的催化效率很高，底物的傳質(zhì)速率很慢。介于上述兩種情況之間反應(yīng)的總過程為外部傳遞和表面反應(yīng)兩者的集中反映，反應(yīng)的有效速15Rsi總是接近于動力學(xué)反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度兩者中比較小的那個。Rsi總是接近于動力學(xué)反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度兩者中比較小的那個。16當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時：當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時：17α>0,取“+”，反之取“-”，根據(jù)即可確定表面濃度!確定了表面濃度后即可確定宏觀反應(yīng)速率Rsiα>0,取“+”，反之取“-”，根據(jù)即可確定表面濃度!確定了181.Da<<1時，動力學(xué)控制；2.Da>>1時，擴(kuò)散傳貭控制。1.Da<<1時，動力學(xué)控制；19反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件20化工上引用效率因子來描述固體催化劑顆粒催化反應(yīng)進(jìn)行的有效程度，固定化酶為固體催化劑，效率因子定義為：化工上引用效率因子來描述固體催化劑顆粒催化反應(yīng)進(jìn)行的有效程度21反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件22反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件23反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件24ηE=？β=？Da=？Km=？rmax=?ηE=？25反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件263.2.2外擴(kuò)散限制與化學(xué)抑制同時存在的動力學(xué)3.2.2外擴(kuò)散限制與化學(xué)抑制同時存在的動力學(xué)27反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件28反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件29反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件303.3內(nèi)部擴(kuò)散過程3.3.1載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微孔內(nèi)的擴(kuò)散（1）載體結(jié)構(gòu)參數(shù)比表面積Sg微孔半徑孔隙率εp顆粒當(dāng)量直徑顆粒密度3.3.1載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微孔內(nèi)的擴(kuò)散（1）載體結(jié)構(gòu)參數(shù)31分子擴(kuò)散：擴(kuò)散阻力主要來自于分子間的碰撞努森擴(kuò)散：擴(kuò)散阻力主要來自于分子與孔壁間的碰撞，常發(fā)生在微孔直徑較小的情況。屬于哪一種擴(kuò)散機(jī)理，與分子運(yùn)動的平均自由程λ和微孔的直徑r有關(guān)，當(dāng)λ/2r≤10-2，為分子擴(kuò)散限制；λ/2r≥10，努森擴(kuò)散。（2）液體在微孔內(nèi)的擴(kuò)散分子擴(kuò)散：擴(kuò)散阻力主要來自于分子間的碰撞（2）液體在微孔內(nèi)的322r2r2r2r33Fick定律（描述微孔內(nèi)液體分子擴(kuò)散速率）：De—有效擴(kuò)散系數(shù)D—分子擴(kuò)散系數(shù)εp—固定化酶顆粒的孔隙率，其值為0~1τp—曲節(jié)因子，其值為1.4~7H-位阻因子，其值為0~1，H=f（r）r=溶液分子半徑與微孔半徑之比，當(dāng)微孔半徑比溶液溶液分子半徑大得多的時候，H近似為1。Fick定律（描述微孔內(nèi)液體分子擴(kuò)散速率）：De—有效擴(kuò)散系343.3.2顆粒內(nèi)的濃度分布與有效因子（1）顆粒內(nèi)的濃度分布3.3.2顆粒內(nèi)的濃度分布與有效因子（1）顆粒內(nèi)的濃度分布35OrCsOrCs36在穩(wěn)定狀態(tài)下，球形固定化酶顆粒內(nèi)的實(shí)際有效反應(yīng)速率應(yīng)等于從顆粒外表面向微孔內(nèi)的擴(kuò)散速率，即：顆粒內(nèi)無濃度梯度影響時的反應(yīng)速率：（2）內(nèi)擴(kuò)散效率因子在穩(wěn)定狀態(tài)下，球形固定化酶顆粒內(nèi)的實(shí)際有效反應(yīng)速率應(yīng)等于從顆37（3）一級反應(yīng)動力學(xué)內(nèi)擴(kuò)散有效因子（3）一級反應(yīng)動力學(xué)內(nèi)擴(kuò)散有效因子38反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件39反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件40反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件41反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件42反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件43（4）零級反應(yīng)動力學(xué)內(nèi)擴(kuò)散有效因子（4）零級反應(yīng)動力學(xué)內(nèi)擴(kuò)散有效因子44反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件45上述方程是當(dāng)Cs>0時才是正確的。通過上式可求出當(dāng)Cs＝0時的臨界半徑RC值。當(dāng)Cs＝0時，上式變?yōu)椋荷鲜龇匠淌钱?dāng)Cs>0時才是正確的。通過上式可求出當(dāng)Cs＝0時46反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件47RC稱為臨界半徑，在r<RC處無底物存在，也無反應(yīng)發(fā)生。在某一擴(kuò)散條件下可通過上式確定該值。顯然在0<r<RC處,催化劑并未得到利用。為了節(jié)省固定化酶，其顆粒大小應(yīng)做成保證在球心處，即r＝0處(Rc=0)，正好cS＝0，此時求得的半徑稱為最大顆粒半徑Rmax,即RC稱為臨界半徑，在r<RC處無底物存在，也無反應(yīng)發(fā)生。在某48反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件49反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件50反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件51反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件52（5）M-M動力學(xué)內(nèi)擴(kuò)散有效因子（5）M-M動力學(xué)內(nèi)擴(kuò)散有效因子53反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件54反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件55反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件56（5）梯勒模數(shù)的意義和求解（5）梯勒模數(shù)的意義和求解57反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件58反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件59反應(yīng)工程第三章-固定化酶反應(yīng)過程動力學(xué)課件60幾點(diǎn)說明：φ為西勒準(zhǔn)數(shù)，其物理意義是表面反應(yīng)速率（即以固定化酶外表面處的濃度為基準(zhǔn)反應(yīng)速率）與內(nèi)擴(kuò)散速率之比；由圖3-22可見，β對ηin影響不是很大，主要是西勒準(zhǔn)數(shù)φ；如果