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1、生物反应工程戚以政 王炳武北京化工大学生命科学与技术学院第三章固定化生物催化剂反应过程动力学第一节 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 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 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
2、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 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 1916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化酶的研究工作。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
3、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。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 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1）物理吸附法n n活性炭、硅胶、硅藻活性炭、硅胶、硅藻活性炭、硅胶、硅藻活性炭、硅胶、硅藻土、陶瓷。土、陶瓷。土、陶瓷。土、陶瓷。n n酶活收率高酶活收率高酶活收率高酶活收率高n n结合力弱，易脱落结合力弱，易脱落结合力弱，易脱落结合力弱，易脱落n n简便易行简便易行简便易行简便易行n n操作流程：将酶溶液操作流程：将酶溶液操作流程：将酶溶液操作流程：将酶
4、溶液溶解于缓冲液中，加溶解于缓冲液中，加溶解于缓冲液中，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、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，得洗涤、冷冻干燥，得洗涤、冷冻干燥，得到固定化酶。到固定化酶。到固定化酶。到固定化酶。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
5、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，易脱离结合力弱，易脱离2、交联法n n酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反应应n n戊二醛戊二醛 n n特点特点不需要载体不需要载体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结合牢固结合牢固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。n n特点 包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的
6、包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的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酶的固定化酶的固定化酶的固定化 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 3)与固定化时所用的全部游离酶的活力与固定化时所用的全部游离酶的活力与固定化时所用的全部游离酶的活力与固定化时所用的全部游离酶的活力(E E1 1+E+E2 2+E E
7、3 3)之比，包括因未固定化而损失的酶活之比，包括因未固定化而损失的酶活之比，包括因未固定化而损失的酶活之比，包括因未固定化而损失的酶活(E E1 1)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酶的活力表现率是指实际测定的固定化酶活力活力(E3)与被固定化的酶在溶液状态时的与被固定化的酶在溶液状态时的总活力之比总活力之比(E2+E3)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
8、配效应n n扩散效应扩散效应 1、酶结构的改变 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。3、分配效应 n n分配系数分配系数K=Csg/Csi4、扩散效应 n n外扩散外扩散n n内扩散内扩散研究方法n n建立包括传质速率和酶的催化反应速率在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内的反应速率方程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 第二节第二节外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Fic
9、k定律二、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n n动力学控制动力学控制n n外扩散控制外扩散控制求取过程n n引入无因次变量 丹克莱尔准数n n定义式n n物理意义n nDa1n nDa1三、外扩散有效因子n n动力学控制n n外扩散控制消除外扩散的方法对任意n级反应的有效因子n nn=1n nn=2四、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1、非竞争性抑制负协同效应负协同效应2、底物抑制n n稳态操作点稳态操作点n n非稳态操作点非稳态操作点第三节 扩散对反应速率的扩散对反应速率的限制效应限制效
10、应n n问题的引出n n内扩散过程的特点一、载体的结构参数n 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n n颗粒真实密度颗粒真实密度 n n颗粒表观密度颗粒表观密度 n n颗粒堆积密度颗粒堆积密度 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KnudsonKnudson扩散扩散扩散扩散分子扩散（分子扩散（分子扩散（分子扩散（FickFick定律）定律）定律）定律）n n有效分子扩散系数有效分子扩散系数 De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载体和酶均匀分布载体和酶均匀分布等温、等
11、等温、等等温、等等温、等DeDe不考虑酶的失活不考虑酶的失活不考虑酶的失活不考虑酶的失活扩散传质扩散传质扩散传质扩散传质浓度是半径的函数浓度是半径的函数浓度是半径的函数浓度是半径的函数n nS流入速率S流出速率S消耗速率 n n解与rs有关1、M-M方程n n无解析解，只有数值解2、一级反应n n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n n临界半径Rcn n最大颗粒半径Rmax三、微孔内的浓度分布（膜状固定化酶）理论模型（单面扩散）n n输入输出消耗1、米氏方程2、一级反应3、零级反应n n临界厚度n n最大厚度梯勒模数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
12、学控制n n内扩散控制内扩散控制四、内扩散有效因子1、球形固定化酶 一级反应零级反应2、膜状固定化酶 n n单面扩散单面扩散单面扩散单面扩散 n n双面扩散双面扩散双面扩散双面扩散五、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一级不可逆反应一、总有效因子n n实际反应速率/本征反应速率总有效因子的推导n n传质速率以外表面底物浓度为基准的反应速率n n以外表面底物浓度为基准的反应速率以主体溶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液底物浓度为基准的反应速率引入Biot准数第五节第五节生物膜和菌丝团的
13、扩散反应模型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n n生物膜的厚度n n生物膜扩散-反应模型假设生物膜内为单一菌种生物膜内为单一菌种单一限制性底物单一限制性底物生物膜拟稳态生物膜拟稳态薄的平板生物膜薄的平板生物膜生物膜内细胞相同生物膜内细胞相同2、菌丝团的扩散反应模型n n丝状菌n n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n n任意n级反应n n对于n级反应 n n当内扩散限制严重时 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表观稳定性提高本章完毕！