《第三章固定化生物催化剂反应过程动力学精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章固定化生物催化剂反应过程动力学精选文档.ppt（87页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学本讲稿第一页，共八十七页第三章固定化生物催化剂反应过程动力学本讲稿第二页，共八十七页第一节 固定化生物催化剂概论 n n酶固定化的意义n n酶固定化的方法n n影响固定化酶反应动力学的因素 本讲稿第三页，共八十七页均相酶反应系统的缺点n n酶随产物排出，无法重复使用；酶随产物排出，无法重复使用；n n增加产物纯化难度；增加产物纯化难度；n n不稳定，易变性失活不稳定，易变性失活 本讲稿第四页，共八十七页一、什么是固定化酶？n n通过通过物理或化学的方法物理或化学的方法使溶液酶使溶液酶结合在结合在不溶于水的载体上不溶于水的载体上，或，或被限制在有限空被限制在
2、有限空间内间内，能与反应液分离，保留在反应器，能与反应液分离，保留在反应器内或能够被回收并反复利用，内或能够被回收并反复利用，不溶于水不溶于水但仍具有酶活力的酶但仍具有酶活力的酶 本讲稿第五页，共八十七页固定化酶的优点n n容易从反应体系中分离容易从反应体系中分离n n可以重复使用可以重复使用n n机械强度和稳定性增加机械强度和稳定性增加n n便于连续化、自动化生产便于连续化、自动化生产本讲稿第六页，共八十七页固定化技术的发展n n固定化酶固定化酶n n固定化细胞固定化细胞 n1916年Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被骨炭粉末吸附并在吸附状态下仍具有催化活性，后来科学家开始了固定
3、化酶的研究工作。n首例工业化应用固定化酶是1969年由Chibata及其同事在日本TanakeSciyaku公司实现的，他们将米曲酶（Aspergillus oryzae）的氨基酰化酶固定后用于拆分合成的外消旋DL-氨基酸，得到相应的旋光性的对映体。本讲稿第七页，共八十七页二、酶的固定化方法 n n载体结合法n n交联法n n包埋法 本讲稿第八页，共八十七页1、载体结合法n n物理吸附法n n共价键法n n离子键法本讲稿第九页，共八十七页1）物理吸附法n n活性炭、硅胶、硅藻活性炭、硅胶、硅藻土、陶瓷。土、陶瓷。n n酶活收率高酶活收率高n n结合力弱，易脱落结合力弱，易脱落n n简便易行简便
4、易行n n操作流程：将酶溶液操作流程：将酶溶液溶解于缓冲液中，加溶解于缓冲液中，加入载体，振荡或者搅入载体，振荡或者搅拌一定时间后，抽滤、拌一定时间后，抽滤、洗涤、冷冻干燥，得洗涤、冷冻干燥，得到固定化酶。到固定化酶。本讲稿第十页，共八十七页2）共价键法n n利用氨基、羟基、胍基、咪唑基等反应利用氨基、羟基、胍基、咪唑基等反应活性高的未结合基团。活性高的未结合基团。n n易失活、酶活收率低易失活、酶活收率低n n结合牢固结合牢固本讲稿第十一页，共八十七页3）离子键法n n离子静电引力离子静电引力n n离子交换树脂离子交换树脂n n操作简单操作简单n n酶活收率高酶活收率高n n结合力弱，易脱离
5、结合力弱，易脱离本讲稿第十二页，共八十七页2、交联法n n酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反应酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反应n n戊二醛戊二醛 本讲稿第十三页，共八十七页n n特点特点不需要载体不需要载体反应剧烈，酶活收率低反应剧烈，酶活收率低结合牢固结合牢固本讲稿第十四页，共八十七页3、包埋法n n将酶包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等将酶包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内有限空间内n n聚丙烯酰胺凝胶、海藻酸钙、琼脂。聚丙烯酰胺凝胶、海藻酸钙、琼脂。本讲稿第十五页，共八十七页n n特点 包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的酶的固包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的酶的固
6、包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的酶的固包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的酶的固定化定化定化定化 酶活收率高酶活收率高酶活收率高酶活收率高 制备成本高制备成本高制备成本高制备成本高本讲稿第十六页，共八十七页概念：酶活力收率 n n酶活力收率是指实际测定的固定化酶的活力酶活力收率是指实际测定的固定化酶的活力(E E3)与与与与固定化时所用的全部游离酶的活力固定化时所用的全部游离酶的活力固定化时所用的全部游离酶的活力固定化时所用的全部游离酶的活力(E E1+E+E2 2+E+E3 3)之比，之比，之比，之比，包括因未固定化而损失的酶活包括因未固定化而损失的酶活包括因未固定化而损失的酶活
7、包括因未固定化而损失的酶活(E E1 1)本讲稿第十七页，共八十七页概念：酶的活力表现率 n n酶的活力表现率是指实际测定的固定化酶活酶的活力表现率是指实际测定的固定化酶活力力(E3)与被固定化的酶在溶液状态时的总与被固定化的酶在溶液状态时的总活力之比活力之比(E2+E3)本讲稿第十八页，共八十七页三、酶固定化后的变化 n n底物专一性的改变底物专一性的改变n npH活性曲线和最适活性曲线和最适pH的变化的变化n n稳定性的变化稳定性的变化本讲稿第十九页，共八十七页四、影响固定化酶动力学的因素 n n酶结构的改变酶结构的改变n n位阻效应位阻效应n n分配效应分配效应n n扩散效应扩散效应 本
8、讲稿第二十页，共八十七页1、酶结构的改变 本讲稿第二十一页，共八十七页2、位阻效应 n n立体障碍立体障碍n n与底物分子的大小、形状及性质有关。与底物分子的大小、形状及性质有关。本讲稿第二十二页，共八十七页3、分配效应 n分配系数分配系数K=Csg/Csi本讲稿第二十三页，共八十七页4、扩散效应 n n外扩散外扩散n n内扩散内扩散本讲稿第二十四页，共八十七页研究方法n n建立包括传质速率和酶的催化反应速率在内建立包括传质速率和酶的催化反应速率在内的反应速率方程的反应速率方程n n外扩散外扩散n n内扩散内扩散n n内外扩散同时存在内外扩散同时存在 本讲稿第二十五页，共八十七页第二节第二节外
9、扩散对反应速外扩散对反应速率的限制效应率的限制效应本讲稿第二十六页，共八十七页一、外扩散传质速率n n研究对象的简化研究对象的简化n n理论模型理论模型本讲稿第二十七页，共八十七页Fick定律本讲稿第二十八页，共八十七页二、宏观反应速率的求解n n外表面扩散速率（外表面扩散速率（Fick定律）定律）n n外表面反应速率外表面反应速率本讲稿第二十九页，共八十七页n n动力学控制动力学控制n n外扩散控制外扩散控制本讲稿第三十页，共八十七页求取过程n n引入无因次变量 本讲稿第三十一页，共八十七页丹克莱尔准数n n定义式n n物理意义n nDa1n nDa1本讲稿第三十二页，共八十七页三、外扩散有
10、效因子n n动力学控制n n外扩散控制消除外扩散的方法本讲稿第三十三页，共八十七页对任意n级反应的有效因子n nn=1n nn=2本讲稿第三十四页，共八十七页四、外扩散限制与化学抑制同时存在n n非竞争性抑制n n底物抑制本讲稿第三十五页，共八十七页1、非竞争性抑制本讲稿第三十六页，共八十七页负协同效应负协同效应本讲稿第三十七页，共八十七页2、底物抑制本讲稿第三十八页，共八十七页n稳态操作点稳态操作点n非稳态操作点非稳态操作点本讲稿第三十九页，共八十七页第三节 扩散对反应速率的扩散对反应速率的限制效应限制效应n n问题的引出n n内扩散过程的特点本讲稿第四十页，共八十七页一、载体的结构参数n
11、n外表面积AP、比表面积Sgn n平均微孔半径n n颗粒体积VP、孔隙体积Vgn n孔隙率本讲稿第四十一页，共八十七页n颗粒真实密度 n颗粒表观密度 n颗粒堆积密度 本讲稿第四十二页，共八十七页微孔内的扩散机理n n以浓度差为推动力以浓度差为推动力Knudson扩散扩散分子扩散（分子扩散（Fick定律）定律）n n有效分子扩散系数有效分子扩散系数 De本讲稿第四十三页，共八十七页二、微孔内的浓度分布（球状固定化酶）n n简化假设简化假设载体和酶均匀分布载体和酶均匀分布等温、等等温、等De不考虑酶的失活不考虑酶的失活扩散传质扩散传质浓度是半径的函数浓度是半径的函数本讲稿第四十四页，共八十七页n
12、nS流入速率S流出速率S消耗速率 本讲稿第四十五页，共八十七页n解与rs有关本讲稿第四十六页，共八十七页1、M-M方程本讲稿第四十七页，共八十七页n n无解析解，只有数值解本讲稿第四十八页，共八十七页2、一级反应本讲稿第四十九页，共八十七页n n方程的解本讲稿第五十页，共八十七页常数的求解本讲稿第五十一页，共八十七页颗粒内底物浓度分布函数本讲稿第五十二页，共八十七页3、零级反应本讲稿第五十三页，共八十七页n n临界半径Rcn n最大颗粒半径Rmax本讲稿第五十四页，共八十七页三、微孔内的浓度分布（膜状固定化酶）本讲稿第五十五页，共八十七页理论模型（单面扩散）本讲稿第五十六页，共八十七页n n输
13、入输出消耗本讲稿第五十七页，共八十七页1、米氏方程本讲稿第五十八页，共八十七页2、一级反应本讲稿第五十九页，共八十七页3、零级反应n n临界厚度n n最大厚度本讲稿第六十页，共八十七页梯勒模数n n定义式定义式n n物理意义物理意义n n动力学控制动力学控制n n内扩散控制内扩散控制本讲稿第六十一页，共八十七页四、内扩散有效因子本讲稿第六十二页，共八十七页1、球形固定化酶 本讲稿第六十三页，共八十七页一级反应本讲稿第六十四页，共八十七页本讲稿第六十五页，共八十七页零级反应本讲稿第六十六页，共八十七页2、膜状固定化酶 n n单面扩散单面扩散 n n双面扩散双面扩散本讲稿第六十七页，共八十七页五、
14、影响内扩散效应的因素n n一级反应的梯勒模数通式一级反应的梯勒模数通式本讲稿第六十八页，共八十七页第四节 内外扩散同时存在时的限制效应n n一级不可逆反应本讲稿第六十九页，共八十七页一、总有效因子n n实际反应速率/本征反应速率本讲稿第七十页，共八十七页总有效因子的推导n n传质速率以外表面底物浓度为基准的反应速率本讲稿第七十一页，共八十七页n n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本讲稿第七十二页，共八十七页引入Biot准数本讲稿第七十三页，共八十七页第五节第五节生物膜和菌丝团的扩散反应模型生物膜和菌丝团的扩散反应模型本讲稿第七十四页，共八十七页1、生物膜的扩散
15、反应模型n n生物膜的厚度本讲稿第七十五页，共八十七页n n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本讲稿第七十六页，共八十七页2、菌丝团的扩散反应模型n n丝状菌本讲稿第七十七页，共八十七页n n内外传递速率的影响本讲稿第七十八页，共八十七页第六节扩散影响下的表观动力学特性本讲稿第七十九页，共八十七页一、对反应速率与浓度关系的影响本讲稿第八十页，共八十七页二、对反应级数的影响n n任意n级反应本讲稿第八十一页，共八十七页本讲稿第八十二页，共八十七页n n对于n级反应 本讲稿第八十三页，共八十七页n n当内扩散限制严重时 本讲稿第八十四页，共八十七页三、对反应速率与温度关系的影响n n表观活化能n n反应活化能、扩散活化能本讲稿第八十五页，共八十七页四、对固定化酶失活速率的影响n n表观半衰期提高一倍n n表观稳定性提高本讲稿第八十六页，共八十七页本章完毕！本讲稿第八十七页，共八十七页