化学与生命科学学院化学与生命科学学院生化工程电子教案生化工程电子教案上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述一固定化酶的运用一固定化酶的运用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、果蔬汁等啤酒、果蔬汁等啤酒、果蔬汁等 贮藏贮藏贮藏贮藏 浑浊或沉淀景象？浑浊或沉淀景象？浑浊或沉淀景象？浑浊或沉淀景象？ 果汁消费，果胶存在，提产及去浊廓清问题？果汁消费，果胶存在，提产及去浊廓清问题？果汁消费，果胶存在，提产及去浊廓清问题？果汁消费，果胶存在，提产及去浊廓清问题？影响：出汁率低；果汁浊，黏影响：出汁率低；果汁浊，黏度高，易出现沉淀。度高，易出现沉淀。 食品工业的绿色消费问题食品工业的绿色消费问题食品工业的绿色消费问题食品工业的绿色消费问题? ?缘由缘由:酚类与蛋白质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/高果糖高果糖浆浆上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述一固定化酶的运用一固定化酶的运用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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述一固定化酶的运用一固定化酶的运用3、医药工业、医药工业固定化青霉素酰化酶固定化青霉素酰化酶 合成头孢羟氨苄替代青霉素合成头孢羟氨苄替代青霉素固定化脂肪酶固定化脂肪酶 合成合成VC棕榈酸酯棕榈酸酯固定化酶药物固定化酶药物蛋白类口酶口服易分解，固定后有助于坚持活性蛋白类口酶口服易分解，固定后有助于坚持活性上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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在酶自在酶 (Free Enzyme) (Free Enzyme)酶直接参与至溶液中，酶本身的空间酶直接参与至溶液中，酶本身的空间构造不发生改动，坚持本人的生物特性构造不发生改动，坚持本人的生物特性固定化酶固定化酶 (Immobilized Enzyme) (Immobilized Enzyme)经过物理或化学的手段，将酶固载在某种基体上。经过物理或化学的手段，将酶固载在某种基体上。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录什么是固定化酶？什么是固定化酶？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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点1、自在酶反响器优点：酶解效率高、运用比较方便，特别是在大批量样品处置时。缺陷：不能反复运用、寿命短、产物分别难度大上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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 三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点易于将酶与底物及产物分别，产物相对容易提纯；酶可以反复利用，运用效率提高，本钱低；大多数情况下可以提高酶的稳定性；可以添加产物的收率，提高产物质量；有利于实现管道化、延续化以及自动化操作，易于与各种分别手段联用。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述2 2、固定化酶的缺陷、固定化酶的缺陷 三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点三固定化酶反响器的特点但由于固定化酶是经过反响而被结合在载体上，固定化过程中酶的活力难免有一定损失；而底物那么要求是水溶性的，这样才可以接触酶而发生反响；也不适宜于需求辅助因子的反响。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法Covalent bondCross linkageIonic bondInvestmentMicrocapsule上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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)四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四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、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，陶瓷以及纤维素衍生物硅胶等无机类载体，大孔型的合成树脂，陶瓷以及纤维素衍生物类。阴、阳离子交换剂类。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，普通以为盐阻止吸附；蛋白质浓度，蛋白质浓度添加，吸附量也添加，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，那么颗粒越小吸附力越强。影响酶蛋白在载体上吸附程度的要素影响酶蛋白在载体上吸附程度的要素上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法、包埋法、包埋法、包埋法、包埋法(Entrapment)(Entrapment)(Entrapment)(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，格子的构造可以防包埋法是将游离酶包埋于格子或微胶囊内，格子的构造可以防止酶渗出到周围的培育基中，而底物分子仍能渗入格子内与酶止酶渗出到周围的培育基中，而底物分子仍能渗入格子内与酶接触。接触。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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 bonds)四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法交联法和肽键键合法交联法和肽键键合法 氨基：赖氨酸的氨基和多肽链的末端氨基；氨基：赖氨酸的氨基和多肽链的末端氨基；羧基：天冬氨酸的羧基，谷氨酸的羧基和末端羧基；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；酚基：酪氨酸的酚环；巯基：半胱氨酸、蛋氨酸的巯基；巯基：半胱氨酸、蛋氨酸的巯基；羟基：丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的羟基；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；咪唑基：组氨酸的咪唑基；吲哚基：色氨酸的吲哚基。吲哚基：色氨酸的吲哚基。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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, 2019, 25:1319-1326常用的共价键合方法常用的共价键合方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法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., 2019, 45: 937-43Calleri, E., et al., J. Pharm. Biomed. Anal., 2019,32:715-24常用的共价键合方法常用的共价键合方法上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四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、-羟胺方式 (-hydroxylamine formation)The synthesis of the IMER through -hydroxylamine formationMarle I. , et al. J. Chromatogra. 1992, A, 604:185-196 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法四酶的固定化方法4、交联法、交联法 利用双功能或多功能试剂在酶分子间或酶与载体间，或酶利用双功能或多功能试剂在酶分子间或酶与载体间，或酶与惰性蛋白间进展交联反响，以制备固定化酶的力法。最常与惰性蛋白间进展交联反响，以制备固定化酶的力法。最常用的交联试剂是戊二醛，其他如苯基二异硫氰、双重氮联苯用的交联试剂是戊二醛，其他如苯基二异硫氰、双重氮联苯胺胺-2，2二磺酸、二磺酸、1，5二氟二氟2，4二硝苯、己二酰二二硝苯、己二酰二胺甲脂等。胺甲脂等。 用戊二醛交联制备固定化酶的反响如下：用戊二醛交联制备固定化酶的反响如下：上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述被固定的微生物细胞被固定的微生物细胞所用载体和方法所用载体和方法底物底物产物或产物或用途用途酿酒酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)硅和聚氧乙稀碎片，硅和聚氧乙稀碎片，吸附吸附葡萄糖葡萄糖乙醇乙醇酿酒酵母酿酒酵母魔芋葡甘露糖，共魔芋葡甘露糖，共价价葡萄糖葡萄糖乙醇乙醇酿酒酵母酿酒酵母海藻酸钙，包埋海藻酸钙，包埋麦芽汁麦芽汁啤酒啤酒委内瑞拉链霉菌委内瑞拉链霉菌(Streptomyces venezuelae)明胶，微囊明胶，微囊葡萄糖葡萄糖果糖果糖固定化酶细胞的运用实例固定化酶细胞的运用实例 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述被固定的微生物细胞被固定的微生物细胞所用载体和方法所用载体和方法底物底物产物用产物用途途黑曲霉黑曲霉(Aspergilus niger)甲基丙烯酸缩水甘油脂甲基丙烯酸缩水甘油脂聚合物戊二醛交联聚合物戊二醛交联葡萄糖葡萄糖葡萄糖酸葡萄糖酸芽孢杆菌芽孢杆菌(Bucillus sp.)聚丙烯酰胺，包埋聚丙烯酰胺，包埋蛋白胨等蛋白胨等杆菌肽杆菌肽粘质赛氏菌粘质赛氏菌(Serratia marcescens)卡拉胶，包埋卡拉胶，包埋明胶，蛋明胶，蛋白胨白胨等等碱性蛋白碱性蛋白酶酶珊瑚诺卡氏菌珊瑚诺卡氏菌(Nocardia corallina)酚醛树脂，吸附酚醛树脂，吸附丙烯腈废丙烯腈废水水处理废水处理废水荧光假单胞菌荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)明胶，包埋明胶，包埋葡萄糖葡萄糖血糖检测血糖检测传感器传感器固定化酶细胞的运用实例固定化酶细胞的运用实例 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述固定化酶细胞的运用实例固定化酶细胞的运用实例 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H O 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-谷氨酸谷氨酸上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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？、自在酶、固定酶，反响异同？、自在酶、固定酶，反响异同？上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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，酶本身的构造必然遭到扰动，同时酶固定后，酶固定后，酶本身的构造必然遭到扰动，同时酶固定后，由于分散限制效应、空间位阻作用以及载体性质等要素必然对由于分散限制效应、空间位阻作用以及载体性质等要素必然对酶的性质产生影响。酶的性质产生影响。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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普通降低(Km )EnzymeAgent of immobiliztionsubstrateKm/(mol/L)Creatine kinaseFree EATP6.510-4Aminobenzoic celluloseATP8.010-4Lactate 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 E上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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管期t1/2增1倍;热稳定性比溶液提高10倍以上(空间构造巩固，加热不易变型)上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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要素二、影响固定化酶动力学的要素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，三维空间构造；固定化，由于酶，三维空间构造；固定化，由于E E与载体的相互与载体的相互作用，引起酶活性部位发生扭曲变形，改动活性部三作用，引起酶活性部位发生扭曲变形，改动活性部三维构造，减弱了结合力，称构象效应。维构造，减弱了结合力，称构象效应。 载体的存在使底物分子不易与酶活性部位接触，载体的存在使底物分子不易与酶活性部位接触，对酶活性部位呵斥空间妨碍，使酶活下降，称屏蔽效对酶活性部位呵斥空间妨碍，使酶活下降，称屏蔽效应位阻效应应位阻效应上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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要素二、影响固定化酶动力学的要素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、固定化酶的构造改动和屏蔽效应图、固定化酶的构造改动和屏蔽效应上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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要素二、影响固定化酶动力学的要素2 2、分配效应、分配效应含固定化酶的多种载体表示图含固定化酶的多种载体表示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浓度不浓度不同的景象同的景象)上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第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要素二、影响固定化酶动力学的要素3 3、分散效应、分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向活性分散向活性分散,反响后反响后P向溶液分散向溶液分散 ；内分散固酶内外表向微孔内酶内分散固酶内外表向微孔内酶活性中心活性中心外分散外分散(溶液主体向固定化酶外表溶液主体向固定化酶外表)反响和分散的关系反响和分散的关系内分散效应和外分散效应内分散效应和外分散效应?上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应第第2 2节节 外分散限制效应外分散限制效应固定化酶与液相反响物系相接触的反响过程为固定化酶与液相反响物系相接触的反响过程为:第一步：底物由液相主体分散到载体的外外表第二步：底物在载体的外外表进展反响第三步：产物由外外表分散到液相主体传质过程反响过程上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应分散速率分散速率= =浓度差面积单位单位?传质系数kL 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送的物质量所传送的物质量mol/(L.s)m2/m3=1/mCso-Csimol/L单位单位?单位单位?单位单位?分散速率分散速率=kL a (Cso-=kL a (Cso-Csi)Csi)上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制以酶促反响为例，在载体外外表的酶促反响符合M-M方程：式中 RS i载体外外表的底物耗费速率，mol/L s CS i载体外外表的底物浓度mol/L上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应底物由液相主体分散到载体外表的分散速率：一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制式中 RS d底物由液相主体分散到载体外表的分散速率，mol/L s kL液膜的传质系数，m/s a单位体积的反响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上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应在稳定的形状下有：？一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制反响速度=外分散速度也就是： 当外分散速率很快时，而反响速度较慢时，此时无外分散的限制外表浓度近似等于主体浓度： Rso=液相主体反响速度，即游离E反响速度,也是无分散影响的最大反响速率(本征反响速率).上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应 当外分散速率很慢时，外分散为限制步骤，固定化酶外外表上底物浓度趋近于零，此时：一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制rd为在外分散速率很慢时的最大的传质速率。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应有效速率Rsi、反响最大速率Rso、分散最大速率rd与主体浓度Cso之间的关系一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制？曲线？曲线？曲线？曲线？曲线？曲线上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响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？上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制由曲线关系：由曲线关系：AA部分，外分散控制部分，外分散控制CsoCso较小时，较小时，RsordRsord；此时；此时 Rsi=rd Rsi=rdCC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 外分散限制效应反响速率与外分散速率相差不大，求反响速率的方法：反响速率与外分散速率相差不大，求反响速率的方法：一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制1、由Csi确定Rsi令： 无因次浓度 无因次M-M常数 Damkhier准数 丹克莱尔准数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应代入上式有:反响速率与外分散速率相差不大，求反响速率的方法：反响速率与外分散速率相差不大，求反响速率的方法：一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制1、由Csi确定RsiDa的意义为?当Da1时?控制当Da第2节 外分散限制效应一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制例：某酶固定于无微孔的球形载体上，在排除外分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反响器中，并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外表的反响速率。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应解：上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应所以上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应反响速率:比较当未固定化的为促反响速率:上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应反响速率与外分散速率相差不大，求反响速率的方法：反响速率与外分散速率相差不大，求反响速率的方法：一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制2、引入外分散有效因子、引入外分散有效因子hEhE外分散的有效因子的定义:上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制反响速率与外分散速率相差不大，求反响速率的方法：反响速率与外分散速率相差不大，求反响速率的方法：效率因子法求外分散影响固效率因子法求外分散影响固酶外表反响速率公式酶外表反响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,阐明固酶外表底物浓度与主体的一阐明固酶外表底物浓度与主体的一样，此时反响未受外分散影响样，此时反响未受外分散影响2、引入外分散有效因子、引入外分散有效因子从上式可看出，从上式可看出，E1，Rsi第2节 外分散限制效应一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制2、引入外分散有效因子法求反响速率的方法、引入外分散有效因子法求反响速率的方法讨论：讨论：1外分散控制外分散控制 Da1一级动力学特性一级动力学特性2反响动力控制反响动力控制 Da第2节 外分散限制效应一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散速率对酶催化反响速率的限制2、引入外分散有效因子法求反响速率的方法、引入外分散有效因子法求反响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及及知时，可求知时，可求P93上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应二、外分散限制及化学抑制同时存在的动力学二、外分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、底物抑制上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、降低外分散效应的技术措施三、降低外分散效应的技术措施式中 De分散系数，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动反响液相的流动形状；改动反响液相的流动形状； 降低降低y：？：？ 适当的搅拌适当的搅拌上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外分散限制效应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，降低外分散的限制。三、降低外分散效应的技术措施三、降低外分散效应的技术措施上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应What is inner-diffusion effect?introductionAdsorption by porous mediumImmobilized 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) 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应When reaction proceed within the granular, the reaction rate will be influenced 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 inner diffusion effect.F(inner diffusion,ie resistance)=(structure parameters of immobilized enzyme, feature of reaction system )What is inner-diffusion effect?上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应一、载体的构造参数与微孔内的分散一、载体的构造参数与微孔内的分散1、载体构造参数、载体构造参数1、比外表积、比外表积Sg单位质量载体所具有的内外表积，比外表积单位质量载体所具有的内外表积，比外表积Sg m2/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/g上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应(3)(3)空隙率空隙率P : which is ratio of microporocity volume to P : which is ratio of microporocity volume to particle volume. P 1 particle volume. P 第3节 内分散限制效应一、载体的构造参数与微孔内的分散一、载体的构造参数与微孔内的分散1、载体构造参数、载体构造参数(5) Particle density Apparent density P =Real density t =Solids mass/particle volumeSolids mass/solids volumePacking density b = Solids mass/bed volumeBed density上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应一、载体的构造参数与微孔内的分散一、载体的构造参数与微孔内的分散2、微孔内分散、微孔内分散分子分散分子分散diffusion resistance result from molecular collision, independent to micropous diameter.努森分散努森分散diffusion resistance result from collision between molecular and wall of hole, independent to molecular collision上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应一、载体的构造参数与微孔内的分散一、载体的构造参数与微孔内的分散2、微孔内分散、微孔内分散分子分散分子分散/2r110-2努森分散努森分散/2r10 ：分子运动平均自在程：分子运动平均自在程r：微孔直径：微孔直径/2r110-2 /2r10 ?上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布酶反响速度与底物浓度是亲密相关的酶反响速度与底物浓度是亲密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响速率因底物浓度的分布而在变化反响速率因底物浓度的分布而在变化v 由于底物在载体内的分散作用以及酶的反响由于底物在载体内的分散作用以及酶的反响反响速率反响速率/浓度均变化，如何求？浓度均变化，如何求？质量衡算质量衡算上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响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缺乏以影响酶促反响的速率。载体几何尺寸上的温度梯度缺乏以影响酶促反响的速率。固定化酶的催化活力不变。固定化酶的催化活力不变。 仅以分散的方式进展传质，在载体内没有反响液相的对流。仅以分散的方式进展传质，在载体内没有反响液相的对流。 底物、产物的浓度在分散的方向上变化。底物、产物的浓度在分散的方向上变化。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应分散模型以分散模型以Fick定律表述，且分散系数定律表述，且分散系数De在载体内的恣意位在载体内的恣意位置均为常数。置均为常数。二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响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 Nss组分的分散通量组分的分散通量 De分散系数分散系数 Css组分的浓度组分的浓度 r分散间隔分散间隔 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布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中的反响对恣意组分的质量平衡关系为：中的反响对恣意组分的质量平衡关系为：对底物有：上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应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的壳层为反响体系，的壳层为反响体系，二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布1、质量衡算方程、质量衡算方程 底物在载体内的分散和反响处于稳定底物在载体内的分散和反响处于稳定形状，此时微体积元内的底物累积质量形状，此时微体积元内的底物累积质量为为0。在微体积元内的底物质量平衡为：。在微体积元内的底物质量平衡为：上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布1、质量衡算方程、质量衡算方程当 时，有略去dr2项，整理得上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布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的方式有关的方式有关1. A.BCO(2-17)上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布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 无因次反响级数参比量无因次反响级数参比量类类M-MM-M反响反响ThieleThiele模数模数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布2、一级动力学浓度分布、一级动力学浓度分布边境条件边境条件:令令:(2)式式(2)变成变成:上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布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:上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应图图 颗粒内底物浓度分布颗粒内底物浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布2、一级动力学浓度分布、一级动力学浓度分布P109由此图由此图, ,为什么有些情为什么有些情况下况下, ,颗粒中心无底物颗粒中心无底物? ?0上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布3、零级动力学浓度分布、零级动力学浓度分布令令:P109上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布3、零级动力学浓度分布、零级动力学浓度分布令令:P51上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布3、零级动力学浓度分布、零级动力学浓度分布积分得：代入：得：上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布3、零级动力学浓度分布、零级动力学浓度分布边境条件边境条件:C2=0详见P53表3-3上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布4、M-M动力学的浓度分布动力学的浓度分布上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应二、微孔内反响组分的浓度分布二、微孔内反响组分的浓度分布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外表处球形载体的外表处 其边境条件为：其边境条件为：球形固定化酶颗粒内底物球形固定化酶颗粒内底物浓度分布与浓度分布与mm及及的关系的关系数值解数值解上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应令那么(数值见图3.6)多孔膜内反响组分的浓度分布多孔膜内反响组分的浓度分布上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率内分散的效率因子内分散的效率因子那么在载体内的实践酶促反响速率为：那么在载体内的实践酶促反响速率为： Rsi为颗粒内底物浓度均为其颗粒外外表处的浓度为颗粒内底物浓度均为其颗粒外外表处的浓度Csi时的反时的反响速率响速率,当无外分散影响时，当无外分散影响时，CSi= CS0，Rsi=Rso,即即 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率如何计算如何计算,与反响方式有关与反响方式有关. A.BCO1 1一级反响的有效因子一级反响的有效因子 1 1 对一级反响，当无外分散效对一级反响，当无外分散效应时，在一球形载体上的总本征应时，在一球形载体上的总本征反响的速率为反响的速率为 式中式中 R R载体直径载体直径 k1 k1一级反响速率常数一级反响速率常数上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应 稳定形状下，其有效的总反响速率应等于由外表向内部的稳定形状下，其有效的总反响速率应等于由外表向内部的底物分散速率，载体外表的总分散速率为：底物分散速率，载体外表的总分散速率为：三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率1一级反响的有效因子一级反响的有效因子 1那么如何求解?浓度分布前面推导过上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应令：令：无因次半径无因次半径 无因次浓度无因次浓度 无因次反响级数参比量无因次反响级数参比量一级反响的一级反响的ThieleThiele模数模数 三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率1一级反响的有效因子一级反响的有效因子 1上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应其边境条件为球形载体的中心处三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率1一级反响的有效因子一级反响的有效因子 1球形载体的外表处解得或上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率1一级反响的有效因子一级反响的有效因子 1一级反响的有效因子一级反响的有效因子1 1的解析式为：的解析式为：上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率2零级动力学的有效因子零级动力学的有效因子 0对零级反响，当无外分散效应时，在一球形载体上的总本征对零级反响，当无外分散效应时，在一球形载体上的总本征反响的速率为：反响的速率为：式中式中 k0零级反响速率常数，对酶促反响零级反响速率常数，对酶促反响此时上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应假设内分散的影响使得底物在载体的假设内分散的影响使得底物在载体的RC处有处有:三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率2零级动力学的有效因子零级动力学的有效因子 0那么在球形载体内的实践反响速率为：那么在球形载体内的实践反响速率为：那么零级动力学有效因子那么零级动力学有效因子 0上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率2零级动力学的有效因子零级动力学的有效因子 0如何求如何求?一种方法一种方法,经过求浓度分布经过求浓度分布:上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率2零级动力学的有效因子零级动力学的有效因子 0由求出一种方法一种方法,经过求浓度分布经过求浓度分布:上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率2零级动力学的有效因子零级动力学的有效因子 0第二种方法第二种方法, ,由由0 0求求0 :0 :令零级反响的Thiele模数留意在这里，000.57700.577，其中详见P53表3-4上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率3M-M动力学的有效因子动力学的有效因子 0 既不能求得颗粒内浓度分布的解析解既不能求得颗粒内浓度分布的解析解, ,也不能求得有效因也不能求得有效因子的解析解子的解析解. .数值解数值解. .用用Kobayashi公式求公式求M-M反响的有效因子反响的有效因子:对球形载体P92P92上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率4 Thiele模数的讨论及其计算模数的讨论及其计算Thiele模数的意义对恣意的反响动力学，有上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率4 Thiele模数的讨论及其计算模数的讨论及其计算球形载体的一级反响的球形载体的一级反响的Thiele模数为模数为:球形载体的零级反响的球形载体的零级反响的ThieleThiele模数为模数为: :上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应球形载体的M-M反响的Thiele模数为三、由内分散的效率因子求反响速率三、由内分散的效率因子求反响速率4 Thiele模数的讨论及其计算模数的讨论及其计算上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应例：蔗糖酶固定在直径为1mm的球形离交树脂上，固定化酶量为0.05g/L，在一个柱形反响器中装有20ml固定化颗粒，浓度为16mmol/L的75ml蔗糖溶液快速流过固定化酶载体床层，对比实验为定量的游离酶与同体积的蔗糖溶液相混合，知Km=8.8mmol/L，k+2=2.4mmol/g s，蔗糖在离交树脂中的分散系数De=2 10-6cm2/s。试求1游离酶的反响速率 2固定化酶的反响速率上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应解：该酶反响为 蔗糖+H2O 葡萄糖+果糖知： Km=8.8mmol/L， k+2=2.4mmol/g s， De=2 10-6cm2/s R=0.5mm=5 10-3m 当溶液快速流过固定化酶载体床层时，以为无外分散的影响。CS i= CS0 =16mmol/L 总酶量为0.001g 1游离酶的反响速率上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应 总酶浓度为： 该酶的最大的酶促反响速率为 该酶在游离形状下的酶促反响速率为上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应 游离酶促反响的反响器内的(总)反响速率 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应2固定化酶促反响速率 固定化酶促反响速率应以固定化载体的体积为准，知固定化酶量为0.05g/L，那么 求m 值上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第3节 内分散限制效应固定化酶促反响速率