第三章固定化生物催化剂反应过程动力学PPT讲稿.ppt

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1、第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学第1页，共87页，编辑于2022年，星期二第三章固定化生物催化剂反应过程动力学第2页，共87页，编辑于2022年，星期二第一节 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 第3页，共87页，编辑于2022年，星期二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 第4页，共87页，编辑于2022年，星期二一、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

2、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 第5页，共87页，编辑于2022年，星期二固定化酶的优点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、自动化生产第6页，共87页，编辑于2022年，星期二固定化技术的发展n n固定化酶固定化酶n n固定化细胞固定化细胞 n1916年

3、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。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。第7页，共87页，编辑于2022年，星期二二、酶的固定化方法 n n载体结合法n n交联法n n包埋法 第8页，共87页，编辑于2022年，星期二1、载体结合法n n物理吸附法n n共价键法n n离子键法第9页，共87页，编辑于2022年，星

4、期二1）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。第10页，共87页，编辑于2022年，星期二2）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

5、合牢固结合牢固第11页，共87页，编辑于2022年，星期二3）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，易脱离结合力弱，易脱离第12页，共87页，编辑于2022年，星期二2、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 第13页，共87页，编辑于2022年，星期二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第14页，共87页，编辑于2022年，星期二3、包埋法n n将酶包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等

6、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。第15页，共87页，编辑于2022年，星期二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包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的酶包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的酶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的固定化的固定化的固定化 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第16页，共87页，编辑于2022年，星期二概念：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

7、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(E3 3)与固与固与固与固定化时所用的全部游离酶的活力定化时所用的全部游离酶的活力定化时所用的全部游离酶的活力定化时所用的全部游离酶的活力(E E1 1+E+E2+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包括因未固定化而损失的酶活(E E1 1)第17页，共87页，编辑于2022年，星期二概念：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

8、被固定化的酶在溶液状态时的总活力之比活力之比(E2+E3)第18页，共87页，编辑于2022年，星期二三、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第19页，共87页，编辑于2022年，星期二四、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 第20页，共87页，编辑于2022年，星期二1、酶结构的改变 第21页，共87页，编辑于2022年，星期二2、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。

9、与底物分子的大小、形状及性质有关。第22页，共87页，编辑于2022年，星期二3、分配效应 n分配系数分配系数K=Csg/Csi第23页，共87页，编辑于2022年，星期二4、扩散效应 n n外扩散外扩散n n内扩散内扩散第24页，共87页，编辑于2022年，星期二研究方法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 第25页，共87页，编辑于2022年，星期二第二节第二节外扩散对反应速率外扩散对反应速率的限制效应的限制效应第26页，共87页，编辑于202

10、2年，星期二一、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理论模型理论模型第27页，共87页，编辑于2022年，星期二Fick定律第28页，共87页，编辑于2022年，星期二二、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第29页，共87页，编辑于2022年，星期二n n动力学控制动力学控制n n外扩散控制外扩散控制第30页，共87页，编辑于2022年，星期二求取过程n n引入无因次变量 第31页，共87页，编辑于2022年，星期二丹克莱尔准数n n定义式n n物理意义n nDa1n nDa1第32页，共87页，编辑

11、于2022年，星期二三、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第33页，共87页，编辑于2022年，星期二对任意n级反应的有效因子n nn=1n nn=2第34页，共87页，编辑于2022年，星期二四、外扩散限制与化学抑制同时存在n n非竞争性抑制n n底物抑制第35页，共87页，编辑于2022年，星期二1、非竞争性抑制第36页，共87页，编辑于2022年，星期二负协同效应负协同效应第37页，共87页，编辑于2022年，星期二2、底物抑制第38页，共87页，编辑于2022年，星期二n稳态操作点稳态操作点n非稳态操作点非稳态操作点第39页，共87页，编辑于2022年，星期

12、二第三节 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内扩散过程的特点第40页，共87页，编辑于2022年，星期二一、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孔隙率第41页，共87页，编辑于2022年，星期二n颗粒真实密度 n颗粒表观密度 n颗粒堆积密度 第42页，共87页，编辑于2022年，星期二微孔内的扩散机理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第43页，共87页，编辑于2022年，星期二二、微孔

13、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第44页，共87页，编辑于2022年，星期二n nS流入速率S流出速率S消耗速率 第45页，共87页，编辑于2022年，星期二n解与rs有关第46页，共87页，编辑于2022年，星期二1、M-M方程第47页，共87页，编辑于2022年，星期二n n无解析解，只有数值解第48页，共87页，编辑于2022年，星期二2、一级反应第49页，共87页，编辑于2022年，星期二n n方程的解第50页，共87页，编辑于2022年，星

14、期二常数的求解第51页，共87页，编辑于2022年，星期二颗粒内底物浓度分布函数第52页，共87页，编辑于2022年，星期二3、零级反应第53页，共87页，编辑于2022年，星期二n n临界半径Rcn n最大颗粒半径Rmax第54页，共87页，编辑于2022年，星期二三、微孔内的浓度分布（膜状固定化酶）第55页，共87页，编辑于2022年，星期二理论模型（单面扩散）第56页，共87页，编辑于2022年，星期二n n输入输出消耗第57页，共87页，编辑于2022年，星期二1、米氏方程第58页，共87页，编辑于2022年，星期二2、一级反应第59页，共87页，编辑于2022年，星期二3、零级反应n

15、 n临界厚度n n最大厚度第60页，共87页，编辑于2022年，星期二梯勒模数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第61页，共87页，编辑于2022年，星期二四、内扩散有效因子第62页，共87页，编辑于2022年，星期二1、球形固定化酶 第63页，共87页，编辑于2022年，星期二一级反应第64页，共87页，编辑于2022年，星期二第65页，共87页，编辑于2022年，星期二零级反应第66页，共87页，编辑于2022年，星期二2、膜状固定化酶 n n单面扩散单面扩散 n n双面扩散双面扩散第67页，共87页，编辑于2022年，星期二五、影

16、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68页，共87页，编辑于2022年，星期二第四节 内外扩散同时存在时的限制效应n n一级不可逆反应第69页，共87页，编辑于2022年，星期二一、总有效因子n n实际反应速率/本征反应速率第70页，共87页，编辑于2022年，星期二总有效因子的推导n n传质速率以外表面底物浓度为基准的反应速率第71页，共87页，编辑于2022年，星期二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第72页，共87页，编辑于2022年，星期二引入Biot准数第73页，共87页，编辑于2022年，星期二第五节第五节生物

17、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第74页，共87页，编辑于2022年，星期二1、生物膜的扩散反应模型n n生物膜的厚度第75页，共87页，编辑于2022年，星期二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第76页，共87页，编辑于2022年，星期二2、菌丝团的扩散反应模型n n丝状菌第77页，共87页，编辑于2022年，星期二n n内外传递速率的影响第78页，共87页，编辑于2022年，星期二第六节扩散影响下的表观动力学特性第79页，共87页，编辑于2022年，星期二一、对反应速率与浓度关系的影响第80页，共87页，编辑于2022年，星期二二、对反应级数的影响n n任意n级反应第81页，共87页，编辑于2022年，星期二第82页，共87页，编辑于2022年，星期二n n对于n级反应 第83页，共87页，编辑于2022年，星期二n n当内扩散限制严重时 第84页，共87页，编辑于2022年，星期二三、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、扩散活化能第85页，共87页，编辑于2022年，星期二四、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表观稳定性提高第86页，共87页，编辑于2022年，星期二本章完毕！第87页，共87页，编辑于2022年，星期二