第三章 固定化酶反PPT讲稿.ppt

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1、第三章 固定化酶反第1页，共43页，编辑于2022年，星期二3.1 酶的固定化背景酶的固定化方法影响固定化酶活力的因素固定化对酶动力学特征的影响第2页，共43页，编辑于2022年，星期二3.1.1 背景游离酶参与反应的缺点：1）稳定性差、液相中含量少，2）反应结束后不易回收、3）酶、底物和产物处于同一相，对产物分离不利固定化酶：即水不溶性酶，是通过物理的或化学的方法，将溶液酶转变为在一定的空间内其运动受到完全约束，或受到局部约束的一种不溶于水但仍具有催化活性的酶，它能以固相状态作用于底物进行催化反应其优点：可以长期保留在反应器内反复使用，易实现连续化生产；反应结束后易与产物分离，简化了产物分离

2、工艺，其大多数固定化酶稳定性也比游离酶好缺点：活力会下降，反应易受传质速率的控制，对大分子底物、产物不适用研究历史：1916年，Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被吸 附到骨碳粉末上，并在吸附状态下具有催化活性；以后以色列科学家对酶的固定化方法、固定化的理化性质等进行了开创性的研究，1969年日本的千叶一郎将固定化氨基酸酰化酶应用于DL氨基酸的拆分上，1971年国际酶工程会议给出了固定化酶的定义。第3页，共43页，编辑于2022年，星期二3.1.2 酶的固定化方法载体结合法交联法包埋法物理结合法离子结合法共价结合法凝胶包埋微胶囊包埋纤维素包埋第4页，共43页，编辑于2022年，星期二

3、影响固定化酶催化活力的因素构象效应：由于载体与酶之产的共价键作用，引起酶的活性部位发生扭曲变形，改变了酶活性部位的三维空间结构，减弱了酶与底物的结合力，导致酶的活性下降。位阻效应：由于载体选择不当或载体空隙太小，致使酶的活性部位不易与底物结合，对酶的活性部位造成了空间障碍。分配效应：由于固定化酶载体的亲水性、疏水性及静电作用等，使得底物和产物及其效应物在微环境和宏观环境中浓度不同的现象。扩散效应：底物、产物和效应物的迁移和运转速率受到限制的一种效应。第5页，共43页，编辑于2022年，星期二酶的固定化对其动力学特征的影响原因：由于酶的活性中心的氨基酸残基的空间结构和电荷状态发生了变化，或者固定

4、化酶的周围形成了能对底物传递产生影响的扩散层或静电的相互作用等。对底物专一性的改变稳定性的改变最适pH值和温度的改变米氏常数的改变第6页，共43页，编辑于2022年，星期二3.2 外扩散的限制作用特点液固相间的传质速率外扩散的限制作用外扩散有效因子第7页，共43页，编辑于2022年，星期二3.2.1 外扩散的特点酶促反应过程与传质过程是各自独立的底物先从液相主体扩散到固定化酶的外表面发生反应产物从固定化酶的外表面扩散进入液相主体第8页，共43页，编辑于2022年，星期二3.2.2 液固相间的传质速率由于搅拌，反应体系中的液相主体的底物浓度处处相同，假定为S0，底物在颗粒表面因反应而消耗，同时由

5、于液体的粘性，在固液表面附近产生一个滞流层，而固体表面液体流速率为0，因而在滞流层产生浓度梯度，进而导致物质的传递，且传质阻力全部集中在滞流层。根据Fick第一定律，得液固相间的传质速率为 其中Ds为底物在液相中的分子扩散系数，m2/s a为固定化酶的比表面积，m-1 S0SiRR+第9页，共43页，编辑于2022年，星期二3.2.3 外扩散的限制作用固定化酶外表面的反应速率可表示为 当化学反应速率和传质速率相差不大时，体系在稳态条件下，有下式成立，传质速率化学反应速率，即：求解此方程，得出 无因次化处理，令第10页，共43页，编辑于2022年，星期二 解之得：，当B0时取+号；当B1（50）

6、时，此时固定化酶反应的控制步骤为传质，此时 Si=0,RSi=KLaS0，反之，当Da1(0.1)，此时固定化酶反应的控制步骤为动力学（化学反应速率），即Si=S0，称为最大本征反应速率。第11页，共43页，编辑于2022年，星期二3.2.4 外扩散有效因子 ，根据此定义式知：因此可以根据 判断外扩散的影响。因此在利用固定化酶进行反应时，总是希望 尽可能接近1，此时应控制反应条件，使Da准数尽可能地小，由 知，可以通过降低固定化酶颗粒的粒径，提高液体的流速及适当增加液相主体的底物浓度来使Da减小。第12页，共43页，编辑于2022年，星期二 的关系由图中可以看出：当底物浓度增加而Da不变时，随

7、着底物浓度的增加，增加，即增加底物浓度，可以克服外扩散的影响，当底物浓度不变时，Da增加，减少，且当Da3时，内扩散阻力明显，内扩散成为控制步聚，此时 ，为过渡区。此外，固定化酶几何形状不同，对 关系影响不大，特别是在 较小或较大时。第33页，共43页，编辑于2022年，星期二3.3.4.3 有效因子的一般形式当 对于球状固定化酶，进行无因次化处理，则因为Sr之间无解析解，因此 亦无解析解，因而 第34页，共43页，编辑于2022年，星期二由此可看出，当 增加时，下降，而 ，从中可以看出影响泰勒模数的因素：1）颗粒大小或厚度，即 ，对 的影响明显，又称为特征尺寸，越大，值越大，越小，因此为了减

8、少内扩散的影响的限制，反应中应尽可能采用小颗粒。2）颗粒活性，即动力学参数3）有效分子扩散系数第35页，共43页，编辑于2022年，星期二3.3.4.4 零级反应动力学对于零级反应动力学，只要整个球形固定化酶颗粒内部有底物存在，反应就可以进行，此时，若由于内扩散的影响，使得底物在固定化酶颗粒某一位置r处浓度为0，则定义一个零级反应的泰勒模数 ，来计算零级反应的有效因子，定义：对于球形固定化酶，第36页，共43页，编辑于2022年，星期二3.3.5 表观泰勒模数定义：，对于球形固定化酶，由 得当第37页，共43页，编辑于2022年，星期二3.4 扩散影响下的假象扩散影响的判定扩散对反应级数的影响

9、扩散对活化能的影响扩散对固定化酶稳定性的影响第38页，共43页，编辑于2022年，星期二3.4.1 扩散影响的判定直接法：如果在相同的反应条件下，只改变底物的流速，如果流速改变，底物的转化率也随之改变，说明存在外扩散的影响，继续提高流速，转化率不再改变，说明消除了外扩散的影响，在此基础上，维持相同的反应条件，只减少固定化酶的特征尺寸，随着特征尺寸的减少，底物的转化率增加，说明存在内扩散的影响，继续减少特征尺寸，直到底物的转化率不变，说明内扩散的影响消除。图解法：根据Arrhenius定理，因此如果存在内扩散的影响，则活化能减半，如果受外扩散的影响，活化能为0。第39页，共43页，编辑于2022

10、年，星期二3.4.2 扩散对反应级数的影响若酶反应的本征动力学可表示为 ，若只有内扩散有影响，则 ，两边取对数得 ，假定温度不变，K为常数，两边求导 ，同样 ，因此当无内扩散影响时，当内扩散影响严重时，当反应为外扩散控制时，不管n为多大，表现反应级数均为1第40页，共43页，编辑于2022年，星期二3.4.3 内扩散对活化能的影响以一级不可逆为例：，当内扩散影响严重时，K及Des与温度的关系均可用阿氏定理表示，第41页，共43页，编辑于2022年，星期二3.4.4 扩散对固定化酶稳定性的影响当只有内扩散影响时，假定酶的失活是由于活性酶总量下降引起的，而k+2不变，则对于球形固定化酶，第42页，共43页，编辑于2022年，星期二令 若酶的失活为一级失活，且为不可逆，则第43页，共43页，编辑于2022年，星期二