生化反应工程学习教案.pptx

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1、会计学1生化反应生化反应(fnyng)工程工程第一页，共33页。一般的多底物一般的多底物一般的多底物一般的多底物(d(d w)w)酶促反应可表示为：酶促反应可表示为：酶促反应可表示为：酶促反应可表示为：这里(zhl)讨论：双底物双产物情况第1页/共34页第二页，共33页。反应反应(fnyng)(fnyng)机制：机制：关键问题：底物关键问题：底物A A、B B哪个先和酶结哪个先和酶结合？合？任何一个任何一个(y)(y)都有可能先与酶都有可能先与酶结合结合 （随机机制）（随机机制）A A先与酶结合或先与酶结合或B B先与酶结合先与酶结合 两底物同时与酶结合两底物同时与酶结合 （可能（可能性极小）

2、性极小）第2页/共34页第三页，共33页。随机机制随机机制(jzh)(jzh)（分支（分支机制机制(jzh)(jzh)）EEBEAEABEPQEPEQE第3页/共34页第四页，共33页。（不形成（不形成(xngchng)三三元复合物）反应模型元复合物）反应模型EAEAAPPBBEQQQEEG （EG：修饰(xish)过的酶）第4页/共34页第五页，共33页。简单简单(jindn)机制机制EEAEABAABBEPQQQEPEPP第5页/共34页第六页，共33页。双底物双底物双底物双底物(d(d w)w)酶促反应动力学酶促反应动力学酶促反应动力学酶促反应动力学 反应机理：反应机理：反应机理：反应机

3、理：第6页/共34页第七页，共33页。第7页/共34页第八页，共33页。解之，得解之，得解之，得解之，得式中：第8页/共34页第九页，共33页。2.3 固定化酶促反应(fnyng)动力学 2.3.1 2.3.1 固定化酶促反应动力学基固定化酶促反应动力学基础础 2.3.1.1 2.3.1.1 酶的固定化技术定义酶的固定化技术定义 酶的固定化技术是将水溶性的酶的固定化技术是将水溶性的酶分子通过一定的方式，如静电酶分子通过一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂等材料胶、离子交换树脂等材料(cilio)(cilio)制成固相酶的技术。制成固相酶的技

4、术。细胞的固定化技术细胞的固定化技术:为省去为省去从微生物（或动、植物）中提取从微生物（或动、植物）中提取酶的操作，确保酶的稳定性，采酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物细胞、动植用直接固定化微生物细胞、动植物细胞、组织技术。物细胞、组织技术。第9页/共34页第十页，共33页。物理吸附(xf)法 载体结合法 离子结合法 共价结合法 交联法 格子型 包埋法 微胶囊2.3.1.2 2.3.1.2 酶和细胞酶和细胞(xbo)(xbo)固定固定化方法化方法 第10页/共34页第十一页，共33页。交联法交联法EOEEOOOE第11页/共34页第十二页，共33页。2.3.1.3 2.3.1.3

5、固定化对酶性固定化对酶性质质(xngzh)(xngzh)的影响的影响n n底物专一性的改变底物专一性的改变底物专一性的改变底物专一性的改变 n n稳定性增强稳定性增强稳定性增强稳定性增强 n n最适最适最适最适pHpHpHpH值和最适温度值和最适温度值和最适温度值和最适温度(wnd)(wnd)(wnd)(wnd)变化变化变化变化n n动力学参数的变化动力学参数的变化动力学参数的变化动力学参数的变化 第12页/共34页第十三页，共33页。2.3.1.4 2.3.1.4 2.3.1.4 2.3.1.4 影响影响影响影响(yngxing)(yngxing)(yngxing)(yngxing)固定化酶

6、促反应的固定化酶促反应的固定化酶促反应的固定化酶促反应的主要因素主要因素主要因素主要因素 n n分子构象的改变分子构象的改变 n n位阻效应位阻效应 n n微扰效应微扰效应 n n分配效应分配效应 （可用（可用Kp Kp 定量定量描述）链接描述）链接(lin ji)(lin ji)n n扩散效应扩散效应 （可定量描述）（可定量描述）第13页/共34页第十四页，共33页。分配系数分配系数分配系数分配系数(xsh)(Kp)(xsh)(Kp)(xsh)(Kp)(xsh)(Kp)链接链接链接链接 分配系数：载体内外底物分配系数：载体内外底物(或或其他物质其他物质)浓度之比。浓度之比。Kp Kp的测定：

7、的测定：已知底物浓度已知底物浓度(CS0(CS0)，体积，体积(tj)(V0)(tj)(V0)的溶液中，放的溶液中，放入不含底物的一定体积入不含底物的一定体积(tj)(tj)的的载体，并保持适宜条件，当达到载体，并保持适宜条件，当达到平衡时，测定载体外溶液的底物平衡时，测定载体外溶液的底物浓度浓度(Cs)(Cs)。第14页/共34页第十五页，共33页。2.3.2 2.3.2 固定化酶促反应固定化酶促反应(fnyng)(fnyng)过程分析过程分析2.3.2.1 2.3.2.1 2.3.2.1 2.3.2.1 外部扩散外部扩散外部扩散外部扩散(kusn)(kusn)(kusn)(kusn)过程过

8、程过程过程 以表面固定化酶为例。以表面固定化酶为例。以表面固定化酶为例。以表面固定化酶为例。CSCSS第15页/共34页第十六页，共33页。外扩散过程外扩散过程(guchng)(guchng)分析分析外扩散速率(sl)：达到(d do)平衡时，即 酶促反应速率：第16页/共34页第十七页，共33页。N,rrmaxNmax 0 CSS CS(CSS，rout)NmaxN，rrmax0 CSS CS(CSS，rout)第17页/共34页第十八页，共33页。Da准数准数:当 时，过程为外扩散控制。当 时，过程为反应控制。第18页/共34页第十九页，共33页。式中式中式中式中:表明(biomng)C*

9、为Da准数的函数，即 第19页/共34页第二十页，共33页。(时时时时,),)表明(biomng)为C*的函数(hnsh)，即 第20页/共34页第二十一页，共33页。可见，可见，DaDa准数是决定效率因子准数是决定效率因子 和比浓度和比浓度C*C*的唯一参数，因而是表征的唯一参数，因而是表征传质传质(chun zh)(chun zh)过程对反应速率影响的基本准数。过程对反应速率影响的基本准数。Da Da准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体浓度准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体浓度CSCS，越接近于越接近于1 1。DaDa准数越大，固定化酶表面浓度越趋近于零，准数越大，固定化酶表面浓度越

10、趋近于零，越小，越趋近于零。越小，越趋近于零。第21页/共34页第二十二页，共33页。为提高固定化酶外扩散效为提高固定化酶外扩散效率率,应设法减小应设法减小Da准数。减小准数。减小Da准数的措施：准数的措施：1、降低固定化酶颗粒、降低固定化酶颗粒(kl)的粒径，增大比表面积，但由的粒径，增大比表面积，但由于粒径减小会伴随压降增加，于粒径减小会伴随压降增加，因此应用中综合考虑，确定合因此应用中综合考虑，确定合适的粒径。适的粒径。2、使固定化酶表面流体处于、使固定化酶表面流体处于湍流状态以增大湍流状态以增大 。第22页/共34页第二十三页，共33页。2.3.2.2 内部扩散内部扩散(kusn)过程

11、过程 具有具有(jy(jy u)u)大量内孔的球形固定化酶颗粒大量内孔的球形固定化酶颗粒Rdrr内扩散效率(xio l)因子第23页/共34页第二十四页，共33页。稳定状态下，对底物进行稳定状态下，对底物进行(jnxng)(jnxng)物料衡算：物料衡算：流入量流出量反应(fnyng)量第24页/共34页第二十五页，共33页。整理(zhngl),得两两侧侧(lin(lin c)c)同除同除 ,得得第25页/共34页第二十六页，共33页。当反应符合当反应符合当反应符合当反应符合(fh)(fh)(fh)(fh)米氏方程规律时，米氏方程规律时，米氏方程规律时，米氏方程规律时，故故,令令 ,上式可转化

12、(zhunhu)为无因次形式，得第26页/共34页第二十七页，共33页。边界条件边界条件边界条件边界条件:,该该微微分分方方程程无无解解析析解解，只只能能用用数数值值(shz)(shz)法法求解。求解。第27页/共34页第二十八页，共33页。西勒西勒准数准数()的物理意义是表面反应速率的物理意义是表面反应速率与内扩散与内扩散(kusn)速率之比。对速率之比。对各类反应动力学与固定化酶的形各类反应动力学与固定化酶的形状，普遍化的状，普遍化的 的定义式为的定义式为:第28页/共34页第二十九页，共33页。引入无因次参数(cnsh)，则无解析解，只有(zhyu)数值解。第29页/共34页第三十页，共

13、33页。见教材见教材(jioci)33页图页图2-10 内扩散效率因子内扩散效率因子 in in 是是 和和 的函数。的函数。对对 in in影响影响(y(y ngxingxi ng)ng)不大，影响不大，影响(y(y ngxingxi ng)ng)in in的主的主要参数是西勒准数要参数是西勒准数。如果。如果 ，则，则 不随不随 变化，近似变化，近似等于等于1 1，也就是说没有内部传质阻力，若，也就是说没有内部传质阻力，若 ，则，则 ，反应为内扩散所限制。，反应为内扩散所限制。第30页/共34页第三十一页，共33页。为提高固定化酶内扩散效率为提高固定化酶内扩散效率(xio l(xio l)，应设法减小，应设法减小。减小减小的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。第31页/共34页第三十二页，共33页。外扩散过程外扩散过程内扩散过程内扩散过程 Da准数是决定外扩散准数是决定外扩散 效率的唯一参数。效率的唯一参数。准数是决定内扩散准数是决定内扩散效率的主要参数。效率的主要参数。Da准数定义：准数定义：西勒准数定义：西勒准数定义：外扩散效率因子定义：外扩散效率因子定义：内扩散效率因子定义：内扩散效率因子定义：Da1，过程为外扩散控，过程为外扩散控制制 0.3时，过程为内时，过程为内扩散控制。扩散控制。第32页/共34页第三十三页，共33页。