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1、第三章固定化酶催化反应动力学本讲稿第一页，共九十四页2023/1/9第3章 固定化酶催化应动力学概述（一）固定化酶的应用（一）固定化酶的应用1 1 1 1、食品工业、食品工业、食品工业、食品工业 漆酶是一种结合多个铜离子的蛋白质，属于铜蓝氧化酶漆酶是一种结合多个铜离子的蛋白质，属于铜蓝氧化酶 啤酒、果蔬汁等啤酒、果蔬汁等 贮藏贮藏 浑浊或沉淀现象浑浊或沉淀现象？果汁生产，果汁生产，果胶存在果胶存在，提产及去浊澄清问题？，提产及去浊澄清问题？影响：出汁率低；果汁浊，黏度高，影响：出汁率低；果汁浊，黏度高，易出现沉淀。易出现沉淀。食品工业的食品工业的绿色绿色生产问题生产问题?原因原因:酚类与蛋白质
2、生成大分子物质酚类与蛋白质生成大分子物质固定化果胶酶固定化果胶酶方法方法:漆酶漆酶淀粉糖淀粉糖/高果糖浆高果糖浆2023/1/9本讲稿第二页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述（一）固定化酶的应用（一）固定化酶的应用2、燃料工业（生物柴油）、燃料工业（生物柴油）主要酸碱催化。主要酸碱催化。固定化脂酶固定化脂酶2023/1/9本讲稿第三页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述（一）固定化酶的应用（一）固定化酶的应用3、医药工业、医药工业固定化固定化青霉素酰化酶青霉素酰化酶 合成头孢羟氨苄合成头孢羟氨苄（代替青霉素）（代替青霉素）固定化固定化脂肪酶脂肪酶 合成合成VC棕榈酸酯棕榈酸酯
3、固定化固定化酶药物酶药物蛋白类口酶口服易分解，固定后有助于保持活性蛋白类口酶口服易分解，固定后有助于保持活性2023/1/9本讲稿第四页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述（二）固定化酶与游离酶（二）固定化酶与游离酶自由酶自由酶 (Free Enzyme)(Free Enzyme)酶直接加入至溶液中，酶自身的空间结酶直接加入至溶液中，酶自身的空间结构不发生改变，保持自己的生物特性构不发生改变，保持自己的生物特性固定化酶固定化酶(Immobilized Enzyme)(Immobilized Enzyme)通过物理或化学的手段，将酶固载在某种基体上。通过物理或化学的手段，将酶固载在某种基
4、体上。2023/1/9本讲稿第五页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述（三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点1、自由酶反应器优点：酶解效率高、使用比较方便，特别是在大批量样品处理时。缺点：不能重复使用、寿命短、产物分离难度大2023/1/9本讲稿第六页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述2 2、固定化酶的优点、固定化酶的优点 （三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点易于将酶与底物及产物分离，产物相对容易提纯；酶能够重复利用，使用效率提高，成本低；大多
5、数情况下可以提高酶的稳定性；可以增加产物的收率，提高产物质量；有利于实现管道化、连续化以及自动化操作，易于与各种分离手段联用。2023/1/9本讲稿第七页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述2 2、固定化酶的缺点、固定化酶的缺点 （三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点但由于固定化酶是通过反应而被结合在载体上，固定化过程中酶的活力难免有一定损失；而底物则要求是水溶性的，这样才能够接触酶而发生反应；也不适宜于需要辅助因子的反应。2023/1/9本讲稿第八页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述（四）（四）（四）（四）酶
6、的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法Covalent bondCross linkageIonic bondInvestmentMicrocapsule2023/1/9本讲稿第九页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述、吸附法、吸附法、吸附法、吸附法(Adsorption)(Adsorption)(Adsorption)(Adsorption)（四）（四）（四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法吸附法有物理吸附、离子吸附及螯合或金属结合法。常用的载体如淀粉、谷蛋白等有机类载体，活性炭、多孔玻璃、硅胶等无机类载体，大孔型的合成树脂，陶瓷以及纤维
7、素衍生物类。阴、阳离子交换剂 pH，影响载体和酶的电荷变化,影响酶吸附；离子强度，一般认为盐阻止吸附；蛋白质浓度，蛋白质浓度增加，吸附量也增加，直至饱和；温度，蛋白质往往是随温度上升而减少吸附；吸附速度，蛋白质在固体载体上的吸附速度要比小分子慢得多；载体，对于非多孔性载体，则颗粒越小吸附力越强。影响酶蛋白在载体上吸附程度的因素影响酶蛋白在载体上吸附程度的因素2023/1/9本讲稿第十页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述（四）（四）（四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法、包埋法、包埋法、包埋法、包埋法(Entrapment)(Entrapment)(Ent
8、rapment)(Entrapment)包埋类型可有：网格型、微囊型及脂质体液膜型。包埋类型可有：网格型、微囊型及脂质体液膜型。包埋法是将游离酶包埋于格子或微胶囊内，格子的结构可以防止酶渗出到包埋法是将游离酶包埋于格子或微胶囊内，格子的结构可以防止酶渗出到周围的培养基中，而底物分子仍能渗入格子内与酶接触。周围的培养基中，而底物分子仍能渗入格子内与酶接触。2023/1/9本讲稿第十一页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述、共价键合法、共价键合法、共价键合法、共价键合法(Covalent bonds)(Covalent bonds)(Covalent bonds)(Covalent bon
9、ds)（四）（四）（四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法交联法和肽键键合法 氨基：氨基：赖氨酸的氨基和多肽链的末端氨基；羧基：羧基：天冬氨酸的羧基，谷氨酸的羧基和末端羧基；酚基：酪氨酸的酚环；巯基：半胱氨酸、蛋氨酸的巯基；羟基：羟基：丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的羟基；咪唑基：组氨酸的咪唑基；吲哚基：色氨酸的吲哚基。2023/1/9本讲稿第十二页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述Synthesis of IMER using glutaraldehyde method1.1.戊二醛法戊二醛法Ye,M.L.et al.Electrophoresis,2005,2
10、5:1319-1326常用的共价键合方法常用的共价键合方法（四）（四）（四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法2023/1/9本讲稿第十三页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述（四）（四）（四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法Synthesis of the IMER using DSC method2、二琥珀酰亚胺碳酸酯法、二琥珀酰亚胺碳酸酯法(DSC)Rawale,S.,et al.J.Med.Chem.,2002,45:937-43Calleri,E.,et al.,J.Pharm.Biomed.Anal.,2003,32
11、:715-24常用的共价键合方法常用的共价键合方法2023/1/9本讲稿第十四页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述（四）（四）（四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法常用的共价键合方法常用的共价键合方法3、-羟胺形式(-hydroxylamine formation)The synthesis of the IMER through-hydroxylamine formationMarle I.,et al.J.Chromatogra.1992,A,604:185-196 2023/1/9本讲稿第十五页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述被固定的微
12、生物细胞所用载体和方法底物产物或用途酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)硅和聚氧乙稀碎片，吸附葡萄糖乙醇酿酒酵母魔芋葡甘露糖，共价葡萄糖乙醇酿酒酵母海藻酸钙，包埋麦芽汁啤酒委内瑞拉链霉菌(Streptomyces venezuelae)明胶，微囊葡萄糖果糖固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 2023/1/9本讲稿第十六页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述被固定的微生物细胞所用载体和方法底物产物用途黑曲霉(Aspergilus niger)甲基丙烯酸缩水甘油脂聚合物戊二醛交联葡萄糖葡萄糖酸芽孢杆菌(Bucillus sp.)聚丙烯酰胺，包埋蛋白胨等杆菌
13、肽粘质赛氏菌(Serratia marcescens)卡拉胶，包埋明胶，蛋白胨等碱性蛋白酶珊瑚诺卡氏菌(Nocardia corallina)酚醛树脂，吸附丙烯腈废水处理废水荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)明胶，包埋葡萄糖血糖检测传感器固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 2023/1/9本讲稿第十七页，共九十四页第3章 固定化酶催化应动力学概述固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 被固定的微生物细胞被固定的微生物细胞载体和方法载体和方法底物底物产物或用途产物或用途木醋杆菌木醋杆菌(Acetobactes xylinum)卡拉胶，包埋卡拉胶，包埋乙
14、醇乙醇酒精检测传感酒精检测传感器器柱孢鱼腥蓝细菌柱孢鱼腥蓝细菌(Anabaena cylindrica)玻璃珠，吸附玻璃珠，吸附光解水光解水链鱼腥蓝细菌链鱼腥蓝细菌(Anabaenaazollae)链鱼腥蓝细菌链鱼腥蓝细菌(Anabaena azollae)海藻酸聚赖氨酸，海藻酸聚赖氨酸，微囊微囊N2固固 氮氮荨麻青霉荨麻青霉(Penicillium urticae)角叉菜聚糖，包角叉菜聚糖，包埋埋葡萄糖，酵母提取物葡萄糖，酵母提取物棒曲霉素棒曲霉素丙酸细菌丙酸细菌(Propionibacterium sp.)光交联树脂，包光交联树脂，包埋埋硫酸钴、甘氨酸硫酸钴、甘氨酸 等等B12谷氮酸棒杆菌
15、谷氮酸棒杆菌(Corynebacteriumglutamicum)聚丙烯酰胺，包聚丙烯酰胺，包埋埋葡萄糖等葡萄糖等L-谷氨酸谷氨酸2023/1/9本讲稿第十八页，共九十四页第3章 第1节 固定化催化的动力学特征讨论几个问题：讨论几个问题：、糖在水中溶化，不搅拌与搅拌时，异同？、糖在水中溶化，不搅拌与搅拌时，异同？、香味传播？有风无风，异同？、香味传播？有风无风，异同？、自由酶、固定酶，反应异同？、自由酶、固定酶，反应异同？2023/1/9本讲稿第十九页，共九十四页第3章 第1节 固定化催化的动力学特征一、酶固定化对其动力学特性的影响一、酶固定化对其动力学特性的影响酶固定后，酶本身的结构必然受到
16、扰动，同时酶固定后，由于扩散酶固定后，酶本身的结构必然受到扰动，同时酶固定后，由于扩散限制效应、空间位阻作用以及载体性质等因素必然对酶的性质产生影响。限制效应、空间位阻作用以及载体性质等因素必然对酶的性质产生影响。2023/1/9本讲稿第二十页，共九十四页第3章 第1节 固定化催化的动力学特征、固定化酶的活力固定化酶的活力一、酶固定化对其动力学特性的影响一、酶固定化对其动力学特性的影响酶活力表现率一般降低(Km)EnzymeAgent of immobiliztionsubstrateKm/(mol/L)Creatine kinaseFree EATP6.510-4Aminobenzoic c
17、elluloseATP8.010-4Lactate dehydrogenaseFree ENADH7.810-6Propionyl-glassNADH5.510-5chymotrypsinFree EATEE1.010-3Soluble-aldehyde glucoseATEE1.310-3Ficus proteinaseFree EBAEE2.010-2CMC-70BAEE2.010-2Trypase Free EBAA6.810-3Maleate/ethylideneBAA2.010-4Tab1 M-constant of free E and immobilized E2023/1/9本
18、讲稿第二十一页，共九十四页第3章 第1节 固定化催化的动力学特征、固定化酶的稳定性固定化酶的稳定性一、酶固定化对其动力学特性的影响一、酶固定化对其动力学特性的影响热稳定性普遍提高保存期t1/2增1倍;热稳定性比溶液提高10倍以上(空间结构坚固，加热不易变型)2023/1/9本讲稿第二十二页，共九十四页第3章 第1节 固定化催化的动力学特征二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素1 1、空间效应（包括构象和屏蔽）、空间效应（包括构象和屏蔽）酶，三维空间结构；固定化，由于酶，三维空间结构；固定化，由于E E与载体的相互作与载体的相互作用，引起酶活性部位发生扭曲变形，改变活性部三维结
19、用，引起酶活性部位发生扭曲变形，改变活性部三维结构，减弱了结合力，称构，减弱了结合力，称构象效应构象效应。载体的存在使酶分子不易与酶活性部位接触，对酶活性部载体的存在使酶分子不易与酶活性部位接触，对酶活性部位造成空间障碍，使酶活下降，称位造成空间障碍，使酶活下降，称屏蔽效应（位阻效应）屏蔽效应（位阻效应）2023/1/9本讲稿第二十三页，共九十四页第3章 第1节 固定化催化的动力学特征二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素1 1、空间效应（包括构象和屏蔽）、空间效应（包括构象和屏蔽）图、固定化酶的结构改变和屏蔽效应图、固定化酶的结构改变和屏蔽效应2023/1/9本讲稿第二十四
20、页，共九十四页第3章 第1节 固定化催化的动力学特征二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素2 2、分配效应、分配效应含固定化酶的多种载体示意图含固定化酶的多种载体示意图几个概念几个概念构成多相体系；构成多相体系；微环境（固酶附近）微环境（固酶附近）主体溶液主体溶液分配效应分配效应(SP浓度不同的浓度不同的现象现象)2023/1/9本讲稿第二十五页，共九十四页第3章 第1节 固定化催化的动力学特征二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素3 3、扩散效应、扩散效应几个概念几个概念酶固定酶固定酶浓度不均匀酶浓度不均匀,S均匀均匀S向活性扩散向活性扩散,反反应后应后P
21、向溶液扩散向溶液扩散；内扩散内扩散（固酶内表面向微孔内酶活性中心）（固酶内表面向微孔内酶活性中心）外扩散外扩散(溶液主体向固定化酶表面溶液主体向固定化酶表面)反应和扩散的关系反应和扩散的关系内扩散效应和外扩散效应内扩散效应和外扩散效应?2023/1/9本讲稿第二十六页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应第第2 2节节 外扩散限制效应外扩散限制效应固定化酶与液相反应物系相接触的反应过程为固定化酶与液相反应物系相接触的反应过程为:第一步：底物由液相主体扩散到载体的外表面第二步：底物在载体的外表面进行反应第三步：产物由外表面扩散到液相主体传质过程反应过程2023/1/9本讲稿第二十七页，共九十
22、四页第3章 第2节 外扩散限制效应再次回顾前面讨论的两个问题：再次回顾前面讨论的两个问题：、糖在水中溶化，不搅拌与搅拌时，异同？、糖在水中溶化，不搅拌与搅拌时，异同？、香味传播？有风无风，异同？、香味传播？有风无风，异同？回答回答:溶解和传播速度与什么有关溶解和传播速度与什么有关?扩散速率扩散速率?浓度差面积比例系数是多少比例系数是多少?kL2023/1/9本讲稿第二十八页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应扩散速率扩散速率=浓度差面积单位单位?传质系数kL再次回顾前面讨论的两个问题：再次回顾前面讨论的两个问题：单位液体所具有的传质面积a单位时间单体积单位时间单体积所传递的物质量所传递的
23、物质量kmol/(L.s)m2/m3=1/mCso-Csimol/L单位单位?单位单位?单位单位?扩散速率扩散速率=kL a(Cso-Csi)2023/1/9本讲稿第二十九页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制以酶促反应为例，在载体外表面的酶促反应符合M-M方程：式中 RS i载体外表面的底物消耗速率，（mol/L s）CS i载体外表面的底物浓度（mol/L）2023/1/9本讲稿第三十页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应底物由液相主体扩散到载体表面的扩散速率：一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散
24、速率对酶催化反应速率的限制式中 RS d底物由液相主体扩散到载体表面的扩散速率，（mol/L s）kL液膜的传质系数，（m/s）a单位体积的反应物系具有的传质面积，（m2/m3=1/m）kLa体积传质系数，kLa=kL a，（1/s)CS 0液相主体的底物浓度，（mol/L）2023/1/9本讲稿第三十一页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应在稳定的状态下有：？一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制反应速度=外扩散速度也就是：当外扩散速率很快时，而反应速度较慢时，此时无外扩散的限制（表面浓度近似等于主体浓度）：Rso=液相主体反应速度，即游离E反应速度,
25、也是无扩散影响的最大反应速率(本征反应速率).2023/1/9本讲稿第三十二页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应 当外扩散速率很慢时，外扩散为限制步骤，固定化酶外表面上底物浓度趋近于零，此时：一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制rd为在外扩散速率很慢时的最大的传质速率。2023/1/9本讲稿第三十三页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应有效速率Rsi、反应最大速率Rso、扩散最大速率rd与主体浓度Cso之间的关系一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制？曲线曲线？曲线曲线？曲线曲线2023/1/9本讲稿第三十四页
26、，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制可分几个区？可分几个区？RsordCsoABC三个区的特征？三个区的特征？2023/1/9本讲稿第三十五页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制由曲线关系：由曲线关系：A A部分，外扩散控制部分，外扩散控制CsoCso较小时，较小时，RsordRsord；此时；此时 Rsi=rdRsi=rdC C部分，动力学控制部分，动力学控制CsoCso较大时，较大时，Rsord;Rso第2节 外扩散限制效应反应速率与外
27、扩散速率相差不大，求反应速率的方法：反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制1、由Csi确定Rsi令：无因次浓度 无因次M-M常数 Damkhier准数（丹克莱尔准数）2023/1/9本讲稿第三十七页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应代入上式有:反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制1、由Csi确定RsiDa的意义为?当Da1时?控制当Da第2节 外扩散限制效应一、外扩散速率对酶
28、催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制例：某酶固定于无微孔的球形载体上，在排除外扩散影响的条件下测得其动力学参数为rmax=410-5mol/(L s)，Km=210-5mol/L，现将固定化酶颗粒装入底物浓度为110-5mol/L反应器中，并已知在这一操作条件下流体传质系数为410-1(1/S)，求：底物在固定化酶的外表面的反应速率。2023/1/9本讲稿第三十九页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应解：2023/1/9本讲稿第四十页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应所以2023/1/9本讲稿第四十一页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应反应速率:比较当未
29、固定化的为促反应速率:2023/1/9本讲稿第四十二页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制2、引入外扩散有效因子、引入外扩散有效因子 E E外扩散的有效因子的定义:2023/1/9本讲稿第四十三页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：效率因子法求外扩散影
30、响固酶表效率因子法求外扩散影响固酶表面反应速率公式面反应速率公式从上式可看出，从上式可看出，E近似于近似于1，Rsi=rso,说明固酶表面底物浓度与主体的相同，此说明固酶表面底物浓度与主体的相同，此时反应未受外扩散影响时反应未受外扩散影响2、引入外扩散有效因子、引入外扩散有效因子从上式可看出，从上式可看出，E1，Rsi第2节 外扩散限制效应一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制2、引入外扩散有效因子法、引入外扩散有效因子法求反应速率的方法求反应速率的方法讨论：讨论：（1）外扩散控制）外扩散控制 Da1P69 式（式（3-25）何来？）何来？一级动力学特性一级动
31、力学特性（2）反应动力控制）反应动力控制 Da第2节 外扩散限制效应一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制2、引入外扩散有效因子法、引入外扩散有效因子法求反应速率的方法求反应速率的方法有效因子与有效因子与 Da关系曲线关系曲线Da及及已知时，可求已知时，可求P702023/1/9本讲稿第四十六页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应二、外扩散限制及化学抑制同时存在的动力学二、外扩散限制及化学抑制同时存在的动力学1 1、非竞争性化学抑制、非竞争性化学抑制2 2、底物抑制、底物抑制2023/1/9本讲稿第四十七页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应三、三
32、、降低外扩散效应的技术措施式中 De扩散系数，取决于传质物质的性质 y传质阻力临界膜厚度 1、提高传质系数的措施改变反应液相的流动状态；改变反应液相的流动状态；降低降低y：？：？适当的搅拌适当的搅拌2023/1/9本讲稿第四十八页，共九十四页第3章 第2节 外扩散限制效应2、提高传质速率适当提高液相主体的底物浓度CS0可提高传质速率RSd，降低外扩散的限制。三、三、降低外扩散效应的技术措施2023/1/9本讲稿第四十九页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应What is inner-diffusion effect?introductionAdsorption by porous med
33、iumImmobilized enzymeinvestHow many methods can be used to prepare IE?Where will the bio-reaction proceed for this two immobilized enzymes?Reaction within the IE(usually called granular)2023/1/9本讲稿第五十页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应When reaction proceed within the granular,the reaction rate will be influenced
34、 by mass transfer process,which including two reciprocal directions,substrate must transfer from liquid phase to the activity site of within the immobilized enzyme,correspondingly the product must transfer from IE to liquid phase.The mass transfer process proceed within the IE granular,so is called
35、inner diffusion effect.F(inner diffusion,ie resistance)=(structure parameters of immobilized enzyme,feature of reaction system)What is inner-diffusion effect?2023/1/9本讲稿第五十一页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应一、载体的结构参数与微孔内的扩散一、载体的结构参数与微孔内的扩散1、载体结构参数、载体结构参数（1）、比表面积）、比表面积Sg单位质量载体所具有的内表面积，比表面积单位质量载体所具有的内表面积，比表面积Sg m
36、2/g(200-300)（2）、微孔半径）、微孔半径单位质量载体所具有的孔体积，单位质量载体所具有的孔体积，Vg m3/g2023/1/9本讲稿第五十二页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应(3)(3)空隙率空隙率P:which is ratio of microporocity volume to particle volume.P 第3节 内扩散限制效应一、载体的结构参数与微孔内的扩散一、载体的结构参数与微孔内的扩散1、载体结构参数、载体结构参数(5)Particle density Apparent density P=Real density t=Solids mass/part
37、icle volumeSolids mass/solids volumePacking density b=Solids mass/bed volumeBed density2023/1/9本讲稿第五十四页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应一、载体的结构参数与微孔内的扩散一、载体的结构参数与微孔内的扩散2、微孔内扩散、微孔内扩散Molecular diffusion:diffusion resistance result from molecular collision,independent to micropous diameter.Knudson diffusion:diffus
38、ion resistance result from collision between molecular and wall of hole,independent to molecular collision2023/1/9本讲稿第五十五页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布酶反应速度与底物浓度是密切相关的酶反应速度与底物浓度是密切相关的载体内的底物浓度存在着分布不均的问题载体内的底物浓度存在着分布不均的问题沿着传质的方向有底物、产物的浓度的分布沿着传质的方向有底物、产物的浓度的分布反应速率因底物浓度的分布而在变化反应速率因底物
39、浓度的分布而在变化v 由于底物在载体内的扩散作用以及酶的反应由于底物在载体内的扩散作用以及酶的反应反应速率反应速率/浓度均变化，如何求？浓度均变化，如何求？质量衡算质量衡算2023/1/9本讲稿第五十六页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布推导质量衡算方程的假设条件：推导质量衡算方程的假设条件：载体为多孔的球体或其他几何形体。载体为多孔的球体或其他几何形体。酶在载体内是均布的。酶在载体内是均布的。载体几何尺寸上的温度梯度不足以影响酶促反应的速率。载体几何尺寸上的温度梯度不足以影响酶促反应的速率。固定化酶的催化活力不变。固定化酶的催化
40、活力不变。仅以扩散的形式进行传质，在载体内没有反应液相的对流。仅以扩散的形式进行传质，在载体内没有反应液相的对流。底物、产物的浓度在扩散的方向上变化。底物、产物的浓度在扩散的方向上变化。2023/1/9本讲稿第五十七页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应扩散模型以扩散模型以Fick定律表述，且扩散系数定律表述，且扩散系数De在载体内的任意位置均为常在载体内的任意位置均为常数。数。二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布推导质量衡算方程的假设条件：推导质量衡算方程的假设条件：式中式中 Njj组分的扩散通量组分的扩散通量 De扩散系数扩散系数 Cjj组分的浓度组分的浓度 r扩
41、散距离扩散距离 2023/1/9本讲稿第五十八页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布1、质量衡算方程、质量衡算方程在某一微体积元在某一微体积元dV中的反应对任意组分的质量平衡关系为：中的反应对任意组分的质量平衡关系为：对底物有：2023/1/9本讲稿第五十九页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应Rr r 在球形载体中，取一个直径为在球形载体中，取一个直径为r，厚度为，厚度为r的壳层为反应体系，的壳层为反应体系，二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布1、质量衡算方程、质量衡算方程 底物在载体内的扩散和反应处于稳
42、定状态，此底物在载体内的扩散和反应处于稳定状态，此时微体积元内的底物累积质量为时微体积元内的底物累积质量为0。在微体积元。在微体积元内的底物质量平衡为：内的底物质量平衡为：2023/1/9本讲稿第六十页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布1、质量衡算方程、质量衡算方程当 时，有略去dr2项，整理得2023/1/9本讲稿第六十一页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布1、质量衡算方程、质量衡算方程方程（方程（1）的解与）的解与rs的形式有关的形式有关（1）.A.BCO(2-1
43、7)2023/1/9本讲稿第六十二页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布2、一级动力学浓度分布、一级动力学浓度分布rs=k1Cs令令无因次半径无因次半径 无因次浓度无因次浓度 无因次反应级数参比量无因次反应级数参比量类类M-MM-M反应反应ThieleThiele模数模数2023/1/9本讲稿第六十三页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布2、一级动力学浓度分布、一级动力学浓度分布边界条件边界条件:令令:(2)式式(2)变成变成:2023/1/9本讲稿第六十四页，共九十四页
44、第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布2、一级动力学浓度分布、一级动力学浓度分布上式通解为上式通解为:2023/1/9本讲稿第六十五页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应图图 颗粒内底物浓度分布颗粒内底物浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布2、一级动力学浓度分布、一级动力学浓度分布P83由此图由此图,为什么有些情况为什么有些情况下下,颗粒中心无底物颗粒中心无底物?02023/1/9本讲稿第六十六页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布3、零级动力学浓度分
45、布、零级动力学浓度分布令令:P842023/1/9本讲稿第六十七页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布4、M-M动力学的浓度分布动力学的浓度分布2023/1/9本讲稿第六十八页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布4、M-M动力学的浓度分布动力学的浓度分布球形载体的中心处球形载体的中心处球形载体的表面处球形载体的表面处 其边界条件为：其边界条件为：球形固定化酶颗粒内底物浓度分球形固定化酶颗粒内底物浓度分布与布与m m及及的关系的关系数值解数值解2023/1/9本讲稿第六十九
46、页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应令则(数值见图3.6)多孔膜内反应组分的浓度分布多孔膜内反应组分的浓度分布2023/1/9本讲稿第七十页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率内扩散的效率因子内扩散的效率因子则在载体内的实际酶促反应速率为：则在载体内的实际酶促反应速率为：Rsi为颗粒内底物浓度均为其颗粒外表面处的浓度为颗粒内底物浓度均为其颗粒外表面处的浓度Csi时的反应速时的反应速率率,当无外扩散影响时，当无外扩散影响时，CSi=CS0，Rsi=Rso,即即 2023/1/9本讲稿第七十一页，共九十四页第3章 第3节
47、 内扩散限制效应三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率如何计算如何计算,与反应形式有关与反应形式有关.A.BCO（1 1）一级反应的有效因子）一级反应的有效因子 1 1 对一级反应，当无外扩散效应对一级反应，当无外扩散效应时，在一球形载体上的总本征反应时，在一球形载体上的总本征反应的速率为的速率为 式中式中 R R载体直径载体直径 k k11一级反应速率常数一级反应速率常数2023/1/9本讲稿第七十二页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应 稳定状态下，其有效的总反应速率应等于由表面向内部的底物扩散稳定状态下，其有效的总反应速率应等于由表面向内部的底物扩散速率，
48、载体表面的总扩散速率为：速率，载体表面的总扩散速率为：三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率（1）一级反应的有效因子）一级反应的有效因子 1则如何求解?浓度分布前面推导过2023/1/9本讲稿第七十三页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应令：令：无因次半径无因次半径 无因次浓度无因次浓度 无因次反应级数参比量无因次反应级数参比量一级反应的一级反应的ThieleThiele模数模数 三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率（1）一级反应的有效因子）一级反应的有效因子 12023/1/9本讲稿第七十四页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效
49、应其边界条件为球形载体的中心处三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率（1）一级反应的有效因子）一级反应的有效因子 1球形载体的表面处解得或2023/1/9本讲稿第七十五页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率（1）一级反应的有效因子）一级反应的有效因子 1一级反应的有效因子一级反应的有效因子 1 1的解析式为：的解析式为：2023/1/9本讲稿第七十六页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率（2）零级动力学的有效因子）零级动力学的有效
50、因子 0对零级反应，当无外扩散效应时，在一球形载体上的总本征反应对零级反应，当无外扩散效应时，在一球形载体上的总本征反应的速率为：的速率为：式中式中 k0零级反应速率常数，对酶促反应零级反应速率常数，对酶促反应此时2023/1/9本讲稿第七十七页，共九十四页第3章 第3节 内扩散限制效应如果内扩散的影响使得底物在载体的如果内扩散的影响使得底物在载体的RC处有处有:三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率（2）零级动力学的有效因子）零级动力学的有效因子 0则在球形载体内的实际反应速率为：则在球形载体内的实际反应速率为：则零级动力学有效因子则零级动力学有效因子 02023/