固定化酶催化反应过程PPT课件.ppt

《固定化酶催化反应过程PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固定化酶催化反应过程PPT课件.ppt（119页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月1 1、水溶性酶应用过程中的一些不足、水溶性酶应用过程中的一些不足酶的稳定性较差酶的稳定性较差：除了某些耐高温的酶：除了某些耐高温的酶(如如-淀粉酶、淀粉酶、TaqTaq酶等酶等)及可以耐受及可以耐受较低的较低的pHpH条件条件(胃蛋白酶等胃蛋白酶等)以外，大多数的酶在高温、强酸、强碱和重金属离子以外，大多数的酶在高温、强酸、强碱和重金属离子等外界因素影响下，都容易变性失活。等外界因素影响下，都容易变性失活。酶的一次性使用酶的一次性使用：酶一般都是在溶液中与底物反应，这样酶在反应系统中，：酶一般都是在溶液中与底物反应，这样酶在反应系统中，与底物

2、和产物混在一起，反应结束后，即使酶仍有很高的活力，也难于与底物和产物混在一起，反应结束后，即使酶仍有很高的活力，也难于回收利用。这种一次性使用酶的方式，不仅使生产成本提高，而且难于回收利用。这种一次性使用酶的方式，不仅使生产成本提高，而且难于连续化生产。连续化生产。产物的分离纯化较困难产物的分离纯化较困难：酶反应后成为杂质与产物混在一起，无疑给产物：酶反应后成为杂质与产物混在一起，无疑给产物的进一步的分离纯化带来一定的困难。的进一步的分离纯化带来一定的困难。固定化酶固定化酶、概述、概述:第二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月通过物理或化学的方法使溶液酶转变为在一定通过物理或化学的方

3、法使溶液酶转变为在一定的空间内其运动受到约束（完全或局部）的一的空间内其运动受到约束（完全或局部）的一种不溶于水，但仍具活性的酶。它以固相状态种不溶于水，但仍具活性的酶。它以固相状态作用于底物进行催化反应。作用于底物进行催化反应。水溶性酶水溶性酶水不溶性载体水不溶性载体水不溶性酶水不溶性酶（固定化酶）（固定化酶）固定化技术固定化技术2 2、固定化酶固定化酶（固相酶或水不溶酶）：（固相酶或水不溶酶）：第三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月3 3、固定化酶的研究历史、固定化酶的研究历史固定化酶的研究从固定化酶的研究从5050年代开始，年代开始，19531953年德国的年德国的 Grub

4、hofer和和Schleith采用采用聚氨基苯乙烯树脂聚氨基苯乙烯树脂为载体与羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白为载体与羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等结合，制成固定化酶。酶、核糖核酸酶等结合，制成固定化酶。6060年代后期，固定化技术迅速发展起来。年代后期，固定化技术迅速发展起来。19691969年，日本的千年，日本的千烟一郎首次在工业上生产应用烟一郎首次在工业上生产应用固定化氨基酰化酶从固定化氨基酰化酶从DL-DL-氨基酸氨基酸连续生产连续生产L-L-氨基酸氨基酸，实现了酶应用史上的一大变革。，实现了酶应用史上的一大变革。在在19711971年召开的第一次国际酶工程学术会议上，确定固定年召开的第

5、一次国际酶工程学术会议上，确定固定化酶的统一英文名称为化酶的统一英文名称为Immobilized enzyme。第四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月优点优点:(1)(1)在催化反应以后，固定化在催化反应以后，固定化酶容易酶容易从反应系统从反应系统 中中分离分离出来，可以出来，可以反复使用反复使用，固定化后的酶，固定化后的酶大多数情大多数情况下其况下其稳定性增加稳定性增加.(2)(2)产物不受污染产物不受污染,容易精制容易精制;(3)(3)固定化酶有一定的形状和机械强度，可以装固定化酶有一定的形状和机械强度，可以装 填填在反应器中长期使用，便于实现生产连续在反应器中长期使用，便于实

6、现生产连续化和自动化和自动化。化。缺点：缺点：(1)(1)存在扩散限制。适于催化小分子物质。存在扩散限制。适于催化小分子物质。(2)(2)酶活性下降。酶活性下降。4 4、固定化酶的优缺点、固定化酶的优缺点：第五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月固定化酶在工业生产中的应用固定化酶在工业生产中的应用:5 5、固定化酶应用、固定化酶应用:泵泵储罐反应产物离心离心机机消消旋旋反反应应器器固定固定化酶化酶柱子柱子晶体 L-AlaL-Ala A-D-AlaA-L-Ala A-D-Ala固定化氨基酸酰化酶生产固定化氨基酸酰化酶生产L-L-氨基酸氨基酸;乙酰乙酰-DL Ala L Ala+乙酸乙酸

7、 乙酰乙酰-D Ala第六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月固定化葡萄糖异构酶生产高固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆果糖浆-世界上生产规模最世界上生产规模最大，应用最为成功的一种固定大，应用最为成功的一种固定化酶化酶.第七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月固定化酶在生化制药中的应用固定化酶在生化制药中的应用:固定化的青霉素酰化固定化的青霉素酰化酶生产制造各种半合成的青霉素和头孢霉素酶生产制造各种半合成的青霉素和头孢霉素 ;固定化固定化谷氨酸脱羧酶可以生产谷氨酸脱羧酶可以生产-氨基丁酸氨基丁酸,制成了制成了CO2CO2电电极极,可用于测定谷氨酸的含量。可用于测定谷氨酸的含量

8、。固定化酶在医学上的应用固定化酶在医学上的应用:固定化纤溶酶治疗血栓固定化纤溶酶治疗血栓,用固定化脲酶和微胶囊活性炭组成人工肾等用固定化脲酶和微胶囊活性炭组成人工肾等第八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月固定化酶在分析检测和环境保护中的应用固定化酶在分析检测和环境保护中的应用 (生物传感器是由生物活性物质与换能器组成的分析系统生物传感器是由生物活性物质与换能器组成的分析系统,可以可以简便、快速地测定各种特异性很强的物质简便、快速地测定各种特异性很强的物质 )第九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月固定化葡萄糖氧化酶传感器是其中应用最为广泛的一种固定化葡萄糖氧化酶传感器是其

9、中应用最为广泛的一种,将葡萄将葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和一种显色剂一起固定在试纸上糖氧化酶、过氧化氢酶和一种显色剂一起固定在试纸上,只要将只要将该试纸浸入被检尿样中几秒钟就可以马上检测出尿样的葡萄该试纸浸入被检尿样中几秒钟就可以马上检测出尿样的葡萄糖是否超标糖是否超标,从而断定该妇女是有血糖、尿糖还是妊娠。从而断定该妇女是有血糖、尿糖还是妊娠。生化分析中最常用的生化分析中最常用的H H电极也绝大多数是固定化酶产品电极也绝大多数是固定化酶产品:固定化青霉固定化青霉素酶电极素酶电极重组海洛因酯酶传感器检测违禁药品重组海洛因酯酶传感器检测违禁药品 用聚丙烯酰胺凝胶包埋细菌电极可快速测定污水中的用聚丙

10、烯酰胺凝胶包埋细菌电极可快速测定污水中的BODBOD。第十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月载体结合法、交联法、包埋法载体结合法、交联法、包埋法.1 1）载体结合法：）载体结合法：将酶结合于水不溶性载体的一将酶结合于水不溶性载体的一种固定化方法。种固定化方法。物理吸附法物理吸附法离子结合法离子结合法共价结合法共价结合法结合的形式结合的形式6 6、固定化酶的制备方法、固定化酶的制备方法:第十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月离离子子结结合合法法：酶酶通通过过离离子子键键结结合合于于具具有有离离子子交交换换基基的的水水不不溶溶性载体的固定化方法。性载体的固定化方法。载体载

11、体:多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换树脂。多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换树脂。DEAEDEAE纤维素、纤维素、GMGM纤维素等。纤维素等。特特点点:操操作作简简单单，条条件件温温和和，酶酶活活回回收收率率较较高高,受受缓缓冲冲液液种种类类或或pHpH的的影影响响，易易从从载体上脱落。载体上脱落。物理吸附法物理吸附法：酶被：酶被物理吸附物理吸附(氢键氢键,疏水键疏水键)于不溶性载于不溶性载体的一种固定化方法。体的一种固定化方法。载体载体:活性炭、多孔玻璃、氧化铝、硅胶、淀粉、合成树脂等。活性炭、多孔玻璃、氧化铝、硅胶、淀粉、合成树脂等。特点特点:酶活性中心不易被破坏，酶结构变化少，酶与

12、载体相互作用力弱，酶易脱落。酶活性中心不易被破坏，酶结构变化少，酶与载体相互作用力弱，酶易脱落。第十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月共共价价结结合合法法：酶酶以以共共价价键键结结合合于于载载体体的的固固定定化化方方法法，是载体结合法中应用最多的一种。是载体结合法中应用最多的一种。将将载载体体有有关关基基团团活活化化，与与酶酶有有关关基基团团发发生生偶偶联联反反应应；或或在在载载体体上上接接一一个个双双功功能能试试剂剂，然然后后将将酶酶偶偶联联上上去去。可可与与载载体体结结合合的的酶酶的的功功能能团团有有氨氨基基、羧羧基基、羟基、酚基等。羟基、酚基等。代表性的方法有重氮法、溴化氰

13、法等。代表性的方法有重氮法、溴化氰法等。特特点点:反反应应条条件件比比较较苛苛刻刻，操操作作复复杂杂，并并引引起起酶酶高高级级结结构构产产生生变变化化，破破坏坏了部分活性中心，酶活回收率为了部分活性中心，酶活回收率为3030左右。左右。第十三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月用用双双功功能能或或多多功功能能试试剂剂使使酶酶与与酶酶之之间间交交联联的的固固定定化化方法。它是利用共价键固定酶的，它方法。它是利用共价键固定酶的，它不使用载体。不使用载体。交交联联剂剂:形形成成希希夫夫碱碱的的戊戊二二醛醛、形形成成肽肽键键的的异异氰氰酸酸酯酯、发发生生重重氮偶合反应的双重氮联苯胺等。氮偶合

14、反应的双重氮联苯胺等。特特点点:结结合合牢牢固固，可可以以长长时时间间使使用用,反反应应条条件件较较激激烈烈、酶酶活活回回收收率率低低,颗粒较小颗粒较小,使用不便。使用不便。2 2）交联法）交联法：第十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月可将交联法与吸附法或包埋法联合使用，以取长补短可将交联法与吸附法或包埋法联合使用，以取长补短。第十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月网格型和微囊型两种。网格型和微囊型两种。将酶包埋在高分子凝胶细微网格中的称为网格型；将酶包埋在高分子凝胶细微网格中的称为网格型；将酶包埋在高分子半透膜中的称为微囊型。将酶包埋在高分子半透膜中的称为微囊型。

15、特点特点:酶的高级结构改变少，酶活回收率较高，包埋法只适合酶的高级结构改变少，酶活回收率较高，包埋法只适合作用于小分子底物和产物的酶，因为只有小分子才可以通过高分作用于小分子底物和产物的酶，因为只有小分子才可以通过高分子凝胶的网格进行扩散。子凝胶的网格进行扩散。适于网格型的高分子化合物有聚丙烯酰胺、聚乙烯适于网格型的高分子化合物有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、淀粉、明胶、海藻酸等。醇、淀粉、明胶、海藻酸等。3 3）包埋法）包埋法第十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月v微囊型微囊型特特点点:固固定定化化酶酶颗颗粒粒一一般般为为直直径径是是几几微微米米到到几几百百微微米米的的球球状状体体，比

16、比网网格格型型颗颗粒粒小小得得多多,有有利利于于底底物物和和产产物物扩扩散散;半半透透膜膜能能阻阻止止蛋蛋白白质质分分子子渗渗漏漏和和进进入入，注注入入体体内内既既可可避避免免引引起起免免疫疫过过敏敏反反应应，也也可可使使酶酶免免遭遭蛋蛋白白水水解解酶酶的的降降解解，具具有有较较大大的的医医学学价价值值.但但反反应应条条件件要要求求高高，制制备备成本也高。成本也高。制制备备方方法法:界界面面沉沉淀淀法法、界界面面聚聚合合法法、二二级级乳乳化化法法和和脂脂质质体体包包埋埋法法等等.第十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月脂脂质质体体包包埋埋：这是一种采用表面活性剂和磷脂酰胆碱等物质，

17、形成液膜来包埋酶的方法。脂脂质质体体是是指指具具有有脂脂双双层层结结构构和和一一定定包包囊囊空空间间的的微微球球体体,具具有有一一定定的的机机械械性性能能，能能定定向向将将酶酶等等被被包包裹裹物物携携带带到到体体内内特特定定部部位位，然然后后将将被被包包裹裹物物质质释释放放。因此，其在药物应用方面受到重视因此，其在药物应用方面受到重视。第十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月第十九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月固定化方法固定化方法吸附法吸附法包埋包埋法法共价共价结合结合法法交联法交联法物理吸附法物理吸附法离子吸附法离子吸附法制备难易制备难易易易易易较难较难难难较难较

18、难结合程度结合程度弱弱中等中等强强强强强强活力回收活力回收高，酶易流失高，酶易流失高高高高低低中等中等再生再生可能可能可能可能不能不能不能不能不能不能费用费用低低低低低低高高中等中等底物专一性底物专一性不变不变不变不变不变不变可变可变可变可变第二十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月v发发展展方方向向:将将酶酶固固定定在在生生物物膜膜或或超超滤滤膜膜上上,制制造出来的生物膜反应器造出来的生物膜反应器;固定化细胞技术固定化细胞技术注注:通通过过不不同同方方法法制制得得的的固固定定化化酶酶，必必须须制制成成不不同同型型式式的的组组件件装装在在反反应应器器中中进进行行酶酶催催化化反反应应，

19、例例如如制制成成颗颗粒粒状状、膜膜状状、管状管状(中空纤维中空纤维)。第二十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月酶酶的的固固定定化化，不不仅仅使使酶酶的的活活性性发发生生了了变变化化，而而且且由由于于固固定定化化酶酶使使反反应应体体系系变变为为多多相相体体系系，例例如如液液一一固固体体系系,气气-液液-固等，因此研究需结合以下两个方面固等，因此研究需结合以下两个方面:考虑酶催化反应的本征动力学规律考虑酶催化反应的本征动力学规律;研究反应物的质量传递规律，及其对酶催化反应研究反应物的质量传递规律，及其对酶催化反应过程的影响。过程的影响。固定化酶催化反应动力学本质固定化酶催化反应动力学

20、本质宏观动力学方程宏观动力学方程:同时包括物质传质速率和催化反应速率的同时包括物质传质速率和催化反应速率的动力学方程。是设计固定化酶催化反应器和确定其操作条件动力学方程。是设计固定化酶催化反应器和确定其操作条件的理论基础。的理论基础。第二十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月溶溶液液酶酶固固定定化化酶酶，其其性性质质将将会会发发生生很很大大的的变变化化。这这种种变变化化因因酶酶的的种种类类、所所催催化化的的反反应应、所所用用的的载载体体和和采采用用的的固固定定化化方方法法的的不不同同而而不同。不同。3 31 1 固定化酶催化的动力学特征固定化酶催化的动力学特征 一、酶的固定化对其动

21、力学特性的影响一、酶的固定化对其动力学特性的影响(1)(1)活活性性的的变变化化。固固定定化化时时，部部分分酶酶未未被被固固定定而而残残留留在在溶溶液液中中，造造成成了了酶酶的的部部分分损损失失；同同时时由由于于各各种种原因也会造成已被固定化的酶的活性有所下降。原因也会造成已被固定化的酶的活性有所下降。固定化酶的动力学仍服从固定化酶的动力学仍服从MMMM方程，可通过米氏常数方程，可通过米氏常数K K反映酶在固定化前后活性的变化。反映酶在固定化前后活性的变化。第二十三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月某些游离酶和固定化酶的米氏常数某些游离酶和固定化酶的米氏常数酶酶固定化试剂固定化试剂

22、底物底物Km/(mol/L)肌酸激酶无对氨苯基纤维素ATPATP6.510-48.010-4乳酸脱氢酶无丙酰-玻璃NADHNADH7.810-65.510-5-糜蛋白酶无可溶性醛葡聚糖ATEEATEE1.010-31.310-3无花果蛋白酶无CM-纤维-70BAEEBAEE210-2210-2胰蛋白酶无马来酸/1,2-亚乙基BAABAA6.810-3210-4ATP-三磷酸腺苷;NADH-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸;ATEE-N-乙酰-L-酪氨酸乙酯;BAEE-N-苯酰精氨酸乙酯;BAA-苯酰精氨酰胺大多数酶在固定化后，其大多数酶在固定化后，其KmKm值增加，表示催化反应活性将下降。也有少值增加，表

23、示催化反应活性将下降。也有少数酶固定化后活性无变化，甚至有所增大。数酶固定化后活性无变化，甚至有所增大。第二十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月评价活性变化的两种指标：酶活力表现率和评价活性变化的两种指标：酶活力表现率和酶活力收率。酶活力收率。酶酶活活力力表表现现率率：实实际际测测定定的的固固定定化化酶酶的的总总活活力力与与被被固固定定化化了了的的酶酶在在溶溶液液状状态态时时的的总总活活力力之比。之比。酶酶活活力力收收率率：实实际际的的固固定定化化酶酶的的总总活活力力与与固固定化时所用的全部游离酶的活力之比定化时所用的全部游离酶的活力之比。活力表现率活力表现率=固定化酶总活力固定

24、化酶总活力/(/(加入酶的总活力加入酶的总活力-上清液中未偶联酶活力上清液中未偶联酶活力)100%)100%活力收率活力收率=固定化酶总活力固定化酶总活力/加入酶的总活力加入酶的总活力100%第二十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月半衰期半衰期:在连续测定条件下，固定化酶在连续测定条件下，固定化酶(细胞细胞)的活力下降为最的活力下降为最初活力一半所经历的连续工作时间，以初活力一半所经历的连续工作时间，以t t1/21/2表示。表示。理论推测酶固理论推测酶固定化后，其半衰期将增加一倍。定化后，其半衰期将增加一倍。热稳定性热稳定性:也有所提高，要比溶液酶提高也有所提高，要比溶液酶提高

25、1010多倍。这是因为多倍。这是因为酶固定化后，酶的空间结构变得更为坚固，加热时不易变形，酶固定化后，酶的空间结构变得更为坚固，加热时不易变形，增加了酶的热稳定性。增加了酶的热稳定性。酶被固定化后，其稳定性有所增加，酶被固定化后，其稳定性有所增加，保存和使用时保存和使用时的稳的稳定性均有提高。定性均有提高。(2)(2)稳定性的变化稳定性的变化:第二十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月构构象象效效应应：酶酶在在固固定定化化过过程程中中，由由于于酶酶和和载载体体的的相相互互作作用用，引引起起了了酶酶的的活活性性部部位位发发生生某某种种扭扭曲曲变变形形，改改变变了了酶酶活活性性部部位位

26、的的三三维结构，减弱了酶与底物的结合能力的现象。维结构，减弱了酶与底物的结合能力的现象。屏蔽效应（位阻效应）屏蔽效应（位阻效应）：载体的存在使酶分子的活性基团不载体的存在使酶分子的活性基团不易与底物相接触，从而对酶的活性部位造成了空间障碍，使酶的易与底物相接触，从而对酶的活性部位造成了空间障碍，使酶的活性下降。如在葡聚糖凝胶上共价交联胰蛋白酶的活性低于结合活性下降。如在葡聚糖凝胶上共价交联胰蛋白酶的活性低于结合在琼脂糖的活性，原因是葡聚糖凝胶的空间屏障大于琼脂糖。在琼脂糖的活性，原因是葡聚糖凝胶的空间屏障大于琼脂糖。二、二、固定化酶动力学的影响因素固定化酶动力学的影响因素 (1)(1)空间效应

27、空间效应:酶的活性部位和变构部位的性质取决于酶分子的三酶的活性部位和变构部位的性质取决于酶分子的三维空间结构维空间结构。第二十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月当当固固定定化化酶酶处处在在反反应应体体系系的的主主体体溶溶液液中中时时，反反应应体体系系成成为为固固液液非非均均相相体体系系。由由于于固固定定化化酶酶的的亲亲水水性性、疏疏水水性性及及静静电电作作用用等等引引起起固固定定酶酶载载体体内内部部底底物物或或产产物物浓浓度度与与溶溶液液主主体体浓浓度度不不同同的的现现象象分分配配效效应应。造造成成了了底底物物浓浓度度在在两两个个环环境境中中的的不不同同，必必然然使使酶酶的的催催

28、化化反应速率有所不同。反应速率有所不同。分分配配效效应应一一般般采采用用液液固固界界面面内内外外侧侧的的底底物物浓浓度度之之比比（分分配系数）来定量表示。配系数）来定量表示。(2)(2)分配效应分配效应第二十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月界界面面内内侧侧的的底底物物浓浓度度为为Csg，界界面面外外侧侧的的底底物物浓浓度为度为Csi,则分配系数则分配系数K为：为：K=CsgCsiCso液相主体的浓度，液相主体的浓度，Csi外扩散造成的界面外扩散造成的界面外侧浓度。外侧浓度。Csg由分配效应造成的由分配效应造成的微环境的底物浓度。微环境的底物浓度。第二十九张，PPT共一百一十九页

29、，创作于2022年6月静电效应的影响表现在对静电效应的影响表现在对Km值的影响。值的影响。通通常常酶酶可可能能被被固固定定在在带带电电荷荷的的酶酶膜膜上上或或载载体体上上。底底物物在在溶溶液液中中也也会会离离子子化化，这这样样在在固固定定载载体体上上的的电电荷荷和和移移动动的的离离子子之之间间，常常会会发发生生静静电电交交互互作作用用，产产生生分分配配效效应应。使使底底物物或或产产物物浓浓度度之之间间出出现现不均匀分布。不均匀分布。根据根据Boltzman分配定律，分配系数分配定律，分配系数K为为Z-底物分子所带电荷；底物分子所带电荷；F-法拉第常数；法拉第常数；U-静电电势。静电电势。当当载

30、载体体与与底底物物所所带带电电荷荷相相反反时时，即即Z为为正正、U为为负负时时，K大大于于1;当两者带有相同电荷时，则当两者带有相同电荷时，则K小于小于1。第三十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月对固定化酶催化反应，其底物浓度应取在固定化酶内外表面附近对固定化酶催化反应，其底物浓度应取在固定化酶内外表面附近的微环境的数值，根据米氏方程，的微环境的数值，根据米氏方程，当当Z及及U 为异号，为异号，Km小于小于Km；反之，则；反之，则Km大于大于Km；当任何一；当任何一方电荷为零时，方电荷为零时，Km不变。不变。当载体与底物带不同电荷时，当载体与底物带不同电荷时，Km值减小，反应速率增

31、大；带有相同值减小，反应速率增大；带有相同电荷时电荷时Km值增大，反应速率减小。其根源在于使微环境与主值增大，反应速率减小。其根源在于使微环境与主体溶液之间的浓度出现了差异。体溶液之间的浓度出现了差异。第三十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月(3)扩散效应：扩散效应：固定化酶对底物进行催化反应时，底固定化酶对底物进行催化反应时，底物必须从主体溶液传递到固定化酶内部的催化活性中物必须从主体溶液传递到固定化酶内部的催化活性中心处，反应得到的产物必须从酶的催化活性中心传递心处，反应得到的产物必须从酶的催化活性中心传递到主体溶液中。到主体溶液中。物质的传递过程有分子扩散和对流扩散。扩散过

32、物质的传递过程有分子扩散和对流扩散。扩散过程的速率在某些情况下可能会对反应速率产生限制程的速率在某些情况下可能会对反应速率产生限制作用，由于生物物质在液体中的扩散速率相当缓慢，作用，由于生物物质在液体中的扩散速率相当缓慢，而酶的催化活性又很高时，这种扩散限制效应会相而酶的催化活性又很高时，这种扩散限制效应会相当明显。当明显。第三十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月扩散限制效应有外扩散和内扩散限制效应。扩散限制效应有外扩散和内扩散限制效应。外外扩扩散散：底底物物从从液液相相主主体体向向固固定定化化酶酶的的外外表表面面的的一一种种扩扩散散,或或是是产产物物从从固固定定化化酶酶的的外外

33、表表面面向向液液相相主主体体中中的的扩扩散散。外外扩扩散散是是发发生生在在催催化化反反应应之之前前或或之之后后。由由于于外外扩扩散散阻阻力力的的存存在在，使使底底物物或或产产物物在在液液相相主主体体和和固固定定化化酶酶外外表表面面之之间间存存在在着着浓浓度梯度。度梯度。内内扩扩散散：指指对对有有微微孔孔载载体体的的固固定定化化酶酶，底底物物从从固固定定化化酶酶外外表表面面扩扩散散到到微微孔孔内内部部的的酶酶催催化化中中心心处处，或或是是产产物物沿沿相相反反途途径径的的扩扩散散。对对底物来讲，内扩散限制与酶催化反应同时进行。底物来讲，内扩散限制与酶催化反应同时进行。第三十三张，PPT共一百一十九

34、页，创作于2022年6月由由于于扩扩散散限限制制效效应应的的存存在在，底底物物浓浓度度从从液液相相主主体体到到固固定定化化酶酶外外表表面面，再再到到内内表表面面是是依依次次降降低低，而产物浓度分布则相反。而产物浓度分布则相反。第三十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月分配效应分配效应造成的结果是使微观环境与宏观环境之间的底物浓造成的结果是使微观环境与宏观环境之间的底物浓度出现了差别，因而影响了酶催化的反应速率。如果在上述本征度出现了差别，因而影响了酶催化的反应速率。如果在上述本征动力学的基础上，仅考虑由于这种分配效应而造成的浓度差异对动力学的基础上，仅考虑由于这种分配效应而造成的浓

35、度差异对动力学产生的影响，所建立的动力学称为固有动力学动力学产生的影响，所建立的动力学称为固有动力学。动力学动力学方程方程仍然服从仍然服从MMMM方程方程形式，仅对动力学参数予以修正形式，仅对动力学参数予以修正。空间效应空间效应难以定量描述，它与固定化的方法、载体的结构及难以定量描述，它与固定化的方法、载体的结构及性质、底物分子大小和形状等因素有关。这属于酶工程的范围性质、底物分子大小和形状等因素有关。这属于酶工程的范围。空间效应的影响可通过校正空间效应的影响可通过校正动力学参数动力学参数r rmaxmax和和KmKm来体现的来体现的。在此基础上建立起的动力学方程在此基础上建立起的动力学方程本

36、征动力学。本征动本征动力学。本征动力学是指酶的真实动力学行为，包括溶液酶和固定化酶力学是指酶的真实动力学行为，包括溶液酶和固定化酶在内。固定化酶的本征动力学与溶液酶的本征动力学是在内。固定化酶的本征动力学与溶液酶的本征动力学是有差别的。有差别的。第三十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月扩散效应扩散效应:固定化酶受到扩散限制时所观察到的速率统称为固定化酶受到扩散限制时所观察到的速率统称为有有效反应速率（宏观反应速率）效反应速率（宏观反应速率）。由于生化物质在溶液内和固定化由于生化物质在溶液内和固定化酶微孔内的扩散速率是比较慢的，因而酶微孔内的扩散速率是比较慢的，因而扩散阻力是影响固

37、定化扩散阻力是影响固定化酶催化活力的主要因素酶催化活力的主要因素。并且所建立的宏观动力学方程也并且所建立的宏观动力学方程也不完全服从不完全服从MMMM方程形式方程形式。第三十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月因此对一个非均相因此对一个非均相(液一固液一固)体系所建立的宏观动体系所建立的宏观动力学方程不仅包括酶的力学方程不仅包括酶的催化反应速率催化反应速率，而且还包，而且还包括了括了传质速率传质速率。这是固定化酶催化反应过程动力。这是固定化酶催化反应过程动力学的最主要特征。学的最主要特征。对固定化酶催化反应动力学，要考虑固定化酶本身的活对固定化酶催化反应动力学，要考虑固定化酶本身的

38、活性变化和底物等物质的传质速率的影响，而传质速率又性变化和底物等物质的传质速率的影响，而传质速率又与底物等物质的性质和操作条件以及载体的的性质等因与底物等物质的性质和操作条件以及载体的的性质等因素有关。素有关。第三十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月32外扩散限制效应外扩散限制效应固固定定化化酶酶与与液液相相反反应应物物系系相相接接触触时时，反反应应过过程包括三步程包括三步：底物从液相主体扩散到固定化酶的外表面；底物从液相主体扩散到固定化酶的外表面；底物在固定化酶的底物在固定化酶的外表面上外表面上进行进行反应反应；产物从酶外表面扩散进入液相主体。产物从酶外表面扩散进入液相主体。三

39、三步步是是一一串串联联过过程程。任任意意一一步步的的速速率率发发生生变变化，都影响到整个过程的速率。化，都影响到整个过程的速率。第三十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月对对非非带带电电的的固固定定化化酶酶，其其外外表表面面上上的的反反应应速速率率符符合合MM方程形式，即方程形式，即Rsi底底物物在在固固定定化化酶酶外外表表面面上上的的消消耗耗速速率率（宏宏观观反反应应速速率），率），mol(LS)；Csi底物在固定化酶外表面上的浓度，底物在固定化酶外表面上的浓度，molL。3.2.1 3.2.1 外扩散速率对酶催化反应速率的限制外扩散速率对酶催化反应速率的限制第三十九张，PPT共

40、一百一十九页，创作于2022年6月底物由液相主体扩散到固定化酶外表面的底物由液相主体扩散到固定化酶外表面的速率速率R Rsdsd表示为表示为k kL L液膜传质系数，液膜传质系数，m ms s；aa单位体积的物系中所具有的传质表面积单位体积的物系中所具有的传质表面积;k kL Laa体积传质系数，体积传质系数，s s-1-1；C Csoso底物在液相主体中的浓度，底物在液相主体中的浓度，molmolL L。定态条件下，应存在定态条件下，应存在R Rsisi=R=Rsdsd，第四十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月该该式式表表示示了了在在定定态态条条件件下下，外外扩扩散散传传质质速速

41、率率等等于于在在固固定定化化酶酶外外表面上底物的反应速率。表面上底物的反应速率。当当外外扩扩散散传传质质速速率率很很快快，而而固固定定化化酶酶外外表表面面反反应应速速率率相相对对较较慢慢，并并成成为为该该反反应应过过程程速速率率的的控控制制步步骤骤时时，则则酶酶的的外外表表面面上上底底物物浓浓度应为液相主体溶液的浓度度应为液相主体溶液的浓度CsCs。此时的反应速率应为。此时的反应速率应为第四十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月存存在在有有Cso=Csi。因因此此上上式式为为没没有有外外扩扩散散传传质质速速率率影影响响的的本本征征反反应应速速率率，或或称称为为在在此此条条件件下下可

42、可能能达达到到的的最最大大反反应应速速率率rso。当当外外扩扩散散传传质质速速率率很很慢慢，而而酶酶表表面面上上的的反反应应速速率率很很快快，此此时时外外扩扩散散速速率率成成为为反反应应的的控控制制步步骤骤。固固定定化化酶酶外外表面上底物浓度趋于零。表面上底物浓度趋于零。Rsi=kLaCso=rd第四十二张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月RsoCso-非线性非线性RdCso-线性线性当当Cso值较低时，值较低时，rsord，为外扩散控制，为外扩散控制，Rsi=rd当当Cso值较高时，值较高时，rso0a0，括号内取，括号内取“+号；当号；当a0a0，则应，则应取取“一一号。号。求出

43、求出Csi值，再求出宏观反值，再求出宏观反应速率应速率Rsi值。值。第四十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月Da是一个无因次数群。其物理意义为：是一个无因次数群。其物理意义为：当当Dal时时，则则底底物物最最大大扩扩散散速速率率要要低低于于酶酶催催化化底底物物的的反反应应速速率率，此此时时该该反反应应过过程程为为传传质质扩扩散散控控制。制。底物在固定化酶外表面处的浓度应同时满足传质速底物在固定化酶外表面处的浓度应同时满足传质速率方程式和反应速率方程式，因此可通过作图法求率方程式和反应速率方程式，因此可通过作图法求出出CsCsi i值和相应的速率值值和相应的速率值。第四十六张，PP

44、T共一百一十九页，创作于2022年6月图中曲线图中曲线1为底物为底物S的反的反应本征动力学曲线；直线应本征动力学曲线；直线2为传质速率方程；直线为传质速率方程；直线斜率为斜率为kLa；直线与曲线；直线与曲线交点为方程的解，对应横交点为方程的解，对应横坐标值为其表面底物浓度坐标值为其表面底物浓度Csi，交点对应的纵坐标，交点对应的纵坐标值为所求的表面反应速率值为所求的表面反应速率Rsi。第四十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月如如果果是是带带电电的的固固定定化化酶酶放放在在电电离离了了的的底底物物溶溶液液中中，则表示外扩散速率影响的宏观速率应为则表示外扩散速率影响的宏观速率应为-与

45、静电分布有关的参数，与静电分布有关的参数，M-修正系数修正系数第四十八张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（2）外扩散有效因子外扩散有效因子E E，求，求R RSiSi值。值。E E的定义为：的定义为：用无因次形式得：用无因次形式得：有外扩散影响时的实际反应速率为：有外扩散影响时的实际反应速率为：第四十九张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月当当时时，Rsirso，表表明明固固定定化化酶酶外外表表面面处处底底物物浓浓度度与与液液相相主主体体浓浓度度相相同同，反反应应没没有有受受到外扩散传质速率的限制影响；到外扩散传质速率的限制影响；当当时时，则则表表明明由由于于外外扩扩散散传

46、传质质速速率率较较慢，已在某种程程度上限制了反应速率慢，已在某种程程度上限制了反应速率；当当时时，则则宏宏观观反反应应速速率率实实际际上上由由外外扩扩散传质速率所控制。散传质速率所控制。当反应过程为外扩散控制时，当反应过程为外扩散控制时，Dal，有：，有：第五十张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月此时反应宏观速率可表示为：此时反应宏观速率可表示为：Rsi=kLaCs0一级反应动力学一级反应动力学当反应过程为动力学控制时，当反应过程为动力学控制时，Da1，有：，有：Rsi=rso为为了了使使尽尽可可能能增增大大到到1，应应控控制制操操作作条条件件使使Da值值尽尽可可能能小小，即即提提高

47、高kLa值值。一一个个有有效效的的方方法法是是提提高高液体流速。液体流速。在在消消除除了了外外扩扩散散的的影影响响时时所所测测得得的的宏宏观观反反应应速速率率实际上反映了本征反应速率。实际上反映了本征反应速率。第五十一张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月引入无因次底物液相引入无因次底物液相主体浓度为主体浓度为 不同不同值下，与值下，与Da的的关系表示如图关系表示如图 当当Da和和已知，可确已知，可确定定但需要已知其本征动力学参但需要已知其本征动力学参数数r rmaxmax和和K Km m，而这些参数又，而这些参数又是不受外扩散影响的反应是不受外扩散影响的反应中求得的中求得的第五十二张

48、，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月引入可观察的丹克莱尔准数引入可观察的丹克莱尔准数 式式中中没没有有反反应应的的本本征征动动力力学学参参数数。用用 来来求求值要比用值要比用DaDa更为方便。更为方便。知知故故第五十三张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月在不同在不同值下，值下，与与 作图。用作图。用该图很容易由该图很容易由 值确定值确定 值。值。第五十四张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月外扩散对反应过程外扩散对反应过程速率的影响还可从速率的影响还可从EHEH图看到图看到 当当DaDa值较小时，为动力学控制，值较小时，为动力学控制，该关系表示为一直线；该关系表示为一

49、直线；随着随着DaDa值的增大，外扩散影响值的增大，外扩散影响程度在增加，关系曲线明显偏程度在增加，关系曲线明显偏离直线。离直线。通过该图可检验外扩散对反应的限通过该图可检验外扩散对反应的限制程度。制程度。第五十五张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月对任意对任意n n级反应级反应ARAR，本征速率方程为，本征速率方程为 n=1 第五十六张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月33内扩散限制效应内扩散限制效应对对包包埋埋或或吸吸附附于于多多孔孔性性载载体体中中的的固固定定化化酶酶，其其催催化化反反应应发发生生的的主主要要部部位位是是在在颗颗粒粒的的内内部部。内内扩扩散散的的阻阻力

50、力主主要要是是微微孔孔内内的的阻阻力力。阻阻力力的的大大小小与与固固定定化化酶酶颗颗粒粒内内部的物理结构参数、反应物系的性质等因素有关。部的物理结构参数、反应物系的性质等因素有关。3.3.1 3.3.1 载体的结构参数与微孔内的扩散载体的结构参数与微孔内的扩散研研究究内内扩扩散散对对动动力力学学的的影影响响时时，常常将将均均匀匀分分布布着着酶酶的的多多孔孔球球形形颗颗粒粒为为研研究究模模型型。先先研研究究颗颗粒粒载载体体的的结构参数和流体在载体微孔内的扩散。结构参数和流体在载体微孔内的扩散。第五十七张，PPT共一百一十九页，创作于2022年6月（1）载体结构参数载体结构参数比比表表面面积积Sg