第三章 固定化酶催化反应动力学1[课堂课资]

1、 化学与生命科学学院化学与生命科学学院 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 （一）固定化酶的应用（一）固定化酶的应用 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 贮藏贮藏 浑浊或沉淀现象浑浊或沉淀现象？ 果汁生产，果汁生产，果胶存在果胶存在，提产及去浊澄清问题？，提产及去浊澄清问题？ 影响：出汁率低；果汁浊，影响：出汁率低；果汁浊， 黏度高，易出现沉淀。黏度高，易出现沉淀。 食品工业的食品工业的绿色绿色生产问题生产问题? 原因原因:酚类与蛋白质生成大分子物质酚类与蛋白质

2、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/高果糖浆高果糖浆 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 （一）固定化酶的应用（一）固定化酶的应用 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O返回返回 2021-5-2 （一）固定化酶的应用（一）固定化酶的应用 3、医药工业、医药工业 固定化固定化青霉素酰化酶青霉素酰化酶 合成头孢羟氨苄合成头孢羟氨苄（代替青霉素）（代替青霉素） 固定化固定化脂肪酶脂肪酶 合成合成VC棕榈酸酯

3、棕榈酸酯 固定化固定化酶药物酶药物 蛋白类口酶口服易分解，固定后有助于保持活性蛋白类口酶口服易分解，固定后有助于保持活性 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 （二）固定化酶与游离酶（二）固定化酶与游离酶 自由酶自由酶 (Free Enzyme)(Free Enzyme) 酶直接加入至溶液中，酶自身的空间酶直接加入至溶液中，酶自身的空间 结构不发生改变，保持自己的生物特性结构不发生改变，保持自己的生物特性 固定化酶固定化酶 (Immobilized Enzyme)(Immobilized Enzyme) 通过物理或化学的手段，将酶固载在某种基体上。通过物

4、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O返回返回 2021-5-2 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O返回返回 2021-5-2 （三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点 1、自由酶反应器 优点：酶解效率高、使用比较方便，特别是在大 批量样品处理时。 缺点：不能重复使用、寿命短、产物分离难度大 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 2、固定化酶的优点 （三）固定化酶反

5、应器的特点（三）固定化酶反应器的特点 易于将酶与底物及产物分离，产物相对容易提纯； 酶能够重复利用，使用效率提高，成本低； 大多数情况下可以提高酶的稳定性； 可以增加产物的收率，提高产物质量； 有利于实现管道化、连续化以及自动化操作，易于与 各种分离手段联用。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 2、固定化酶的缺点 （三）固定化酶反应器的特点（三）固定化酶反应器的特点 但由于固定化酶是通过反应而被结合在载体上，固但由于固定化酶是通过反应而被结合在载体上，固 定化过程中酶的活力难免有一定损失；定化过程中酶的活力难免有一定损失； 而底物则要求是水溶性的，这

6、样才能够接触酶而发而底物则要求是水溶性的，这样才能够接触酶而发 生反应；生反应； 也不适宜于需要辅助因子的反应。也不适宜于需要辅助因子的反应。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 （四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法 Covalent bond Cross linkageIonic bond Investment Microcapsule 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 、吸附法、吸附法(Adsorption)(Adsorption) （四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法 吸附法有物理吸附、离子吸附

7、及螯合或金属结合法。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、阳离子交换剂物类。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，一般认为盐阻止吸附； 蛋白质浓度，蛋白质浓度增加，吸附量也增加，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，则颗粒越小吸

8、附力越强。 影响酶蛋白在载体上吸附程度的因素影响酶蛋白在载体上吸附程度的因素 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 （四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法 、包埋法、包埋法(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，格子的结构可以防包埋法是将游离酶包埋于格子或微胶囊内，格子的结构可以防 止酶渗出到周围的培养基中，而底物分子仍能渗入格子内与酶止酶渗出到周围的培养基中，而底物分子仍能渗入格子内与酶 接触。接触。 上一内容上一

9、内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 、共价键合法、共价键合法(Covalent bonds)(Covalent bonds) （四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法 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

10、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O返回返回 2021-5-2 Synthesis of IMER using glutaraldehyde method matrixOSi(CH2)3NH2 OHCCH2CH2CH2CHO matrixOSi(CH2)3NCH(CH2)3CHO matrixOSi(CH2)3NCH(CH2)3CHN Enzyme Enzyme NH2 1.1.戊二醛法戊二醛法 Ye, M. L. et al. Electrophoresis, 2005, 25:1319-13

11、26 常用的共价键合方法常用的共价键合方法 （四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 （四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法 silicaOSi(CH2)3NH2 NOCON O O O O O silicaOSi(CH2)3 H NCO O N O O Enzyme NH2 silicaOSi(CH2)3 H NC H N O Enzyme NH2 D-Glucosamine silicaOSi(CH2)3 H NC H N O Enzyme OSi(CH2)3 H NC H N O D-Glucosamine

12、Synthesis of the IMER using DSC method 2、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., 2002, 45: 937-43 Calleri, E., et al., J. Pharm. Biomed. Anal., 2003,32:715-24 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O返回返回 2021-5-2 （四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法 常用的共价键合方法常用的共价键合方法 3、-羟胺形式 (-hydroxylamin

13、e formation) MatrixOH (CH3O)3SiOCH2CHCH2 O Matrix Matrix OSiOCH2CH CH2 O OSiOCH2CH H N OH EnzymeNH2 Enzyme The synthesis of the IMER through -hydroxylamine formation Marle 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O返回返回 2021-5-2 （四）（四）酶的固定化方法酶的固定化方法 4、交联法、交联法 利用双功能或多功能

14、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 与惰性蛋白间进行交联反应，以制备固定化酶的力法。最常与惰性蛋白间进行交联反应，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应如下：用戊二醛交联制备固定化酶的反应如下： 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录

15、O返回返回 2021-5-2 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 固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 上一内容上一内

16、容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 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(Noc

17、ardia 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 固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 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

18、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 (Cory

19、nebacteriumglutamicum) 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O返回返回 2021-5-2 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？ 、自由酶、固定酶，反应异同？、自由酶、固定酶，反应异同？ 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 酶活力表现率一般降低(Km

20、 ) EnzymeAgent of immobiliztionsubstrateKm/(mol/L) Creatine kinase Free EATP6.510-4 Aminobenzoic celluloseATP8.010-4 Lactate dehydrogenaseFree ENADH7.810-6 Propionyl-glassNADH5.510-5 chymotrypsin Free EATEE1.010-3 Soluble-aldehyde glucose ATEE 1.310-3 Ficus proteinase Free EBAEE 2.010-2 CMC-70BAEE 2

21、.010-2 Trypase Free EBAA6.810-3 Maleate/ethylideneBAA2.010-4 Tab1 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O返回返回 2021-5-2 热稳定性普遍提高 保存期t1/2增1倍; 热稳定性比溶液提高10倍以上 (空间结构坚固， 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O返回返回 2021-5-2 二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素 酶，三维空间结构；固定化，由于酶，三维空间结构；固定化，由于E E与载

22、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，改变活性部三作用，引起酶活性部位发生扭曲变形，改变活性部三 维结构，减弱了结合力，称维结构，减弱了结合力，称构象效应构象效应。 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， 对酶活性部位造成空间障碍，使酶活下降，称对酶活性部位造成空间障碍，使酶活下降，称屏蔽效屏蔽效 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O返回返回 2021-5-2 二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素 图、固定化酶的结构改变和屏蔽效应图、固定化酶的结构改变和屏蔽效应 上一

23、内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素 含固定化酶的多种载体示意图含固定化酶的多种载体示意图 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浓度不同浓度不同 的现象的现象) 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素 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向活性向活性 扩散扩散,反应后反应后P向溶液扩散向

24、溶液扩散 ； 内扩散内扩散（固酶内表面向微孔内酶活性中心）（固酶内表面向微孔内酶活性中心） 外扩散外扩散(溶液主体向固定化酶表面溶液主体向固定化酶表面) 反应和扩散的关系反应和扩散的关系 内扩散效应和外扩散效应内扩散效应和外扩散效应? 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 第第2 2节节 外扩散限制效应外扩散限制效应 固定化酶与液相反应物系相接触的反应过程为固定化酶与液相反应物系相接触的反应过程为: 第一步：底物由液相主体扩散到载体的外表面 第二步：底物在载体的外表面进行反应 第三步：产物由外表面扩散到液相主体 传 质 过 程 反应过程 上一内容上一内容

25、下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 扩散速率扩散速率=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 所传递的物质量所传递的物质量 mol/(L.s) m2/m3=1/m Cso-Csi mol/L 单位单位? 单位单位? 单位单位? 扩散速率扩散速率=kL a (Cso-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O返回返回 2021-5-2 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 iSm iS iS CK Cr R max 以酶促反应为例，在载体外表面的酶促反应符合M

26、-M方程： 式中 RS i载体外表面的底物消耗速率，（mol/L s） CS i载体外表面的底物浓度（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O返回返回 2021-5-2 底物由液相主体扩散到载体表面的扩散速率： 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 )( 0SiSLSd CCakR 式中 RS d底物由液相主体扩散到载体表面的扩散速率，（mol/L s） kL液膜的传质系数，（m/s） a单位体积的反应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

27、/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O返回返回 2021-5-2 iSm iS SiSLa CK Cr CCk max 0 )( 在稳定的状态下有：？ 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 反应速度=外扩散速度 也就是： 当外扩散速率很快时，而反应速度较慢时，此时无外扩 散的限制（表面浓度近似等于主体浓度）： 0 0 0max 0 S Sm S iS SiS R CK Cr R CC Rso=液相主体反应速度，即游离E反应 速度,也是无扩散影响的最大反应速率(本征 反应速率). 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回

28、2021-5-2 当外扩散速率很慢时，外扩散为限制步骤，固定化 酶外表面上底物浓度趋近于零，此时： 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 dSLaSiSLaiS rCkCCkR 00 )( rd为在外扩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O返回返回 2021-5-2 iSm iS iS CK Cr R max 0 0 0max 0 S Sm S iS SiS R CK Cr R CC 有效速率Rsi、反应最大速率Rso、扩散 最大速率rd与主体浓度Cso之间的关系 dSLaSiSLaiS rCkCCkR 00 )(

29、 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 ？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O返回返回 2021-5-2 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 可分几个区？可分几个区？ Rs r rs0 Rsi Cs0 图3.2 外扩散对酶反应影响 Rso rd Cso A BC 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O返回返回 2021-5-2 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 由曲线关系：由曲线关系： A A

30、部分，外扩散控制部分，外扩散控制 C Cso so较小时， 较小时，R Rso sord rd；此时；此时 R Rsi si=rd =rd C C部分，动力学控制部分，动力学控制 CsoCso较大时，较大时，RsoRsord; 1时?控制 当Da1时 传质扩散限制 反应速率限制 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 例：某酶固定于无微孔的球形载体上，在排除外扩散 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

31、入底物浓度 为110-5mol/L反应器中，并已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 外表面的反应速率。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 解： 10 101104 104 51 5 0 max SLaC k r Da 2 101 102 5 5 0 S m C K K 1112101KDa 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 179.01 11 24 1 2 11 1 4 1 2 2 2 K C S 所以 mol/L1079. 1 101179. 0 6 5 0 SS

32、 i S CCC 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 反应速率: s)mol/(L1033. 0 1079. 1102 1079. 1104 5 65 65 max iSm iS iS CK Cr R 比较当未固定化的为促反应速率: s)mol/(L1033. 1 101102 101104 5 55 55 0 0max 0 Sm S S CK Cr R %8 .24 33. 1 33. 0 0 S iS R R 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 0S Si E r R 率无外扩散影响的反应速 应速率有外扩散

33、影响的实际反 00 / SmSiSS CKKCCC和 反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法： 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 2、引入外扩散有效因子、引入外扩散有效因子 E E 外扩散的有效因子的定义: iSm iS iS CK Cr R max 0 0 0max S Sm S r CK Cr KC KC S S E )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O返回返回 2021-5-2 KC KC S S E )1 ( 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化

34、反应速率的限制 反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法：反应速率与外扩散速率相差不大，求反应速率的方法： 0 0max 0 Sm S ESEiS CK Cr rR 效率因子法求外扩散影响固效率因子法求外扩散影响固 酶表面反应速率公式酶表面反应速率公式 从上式可看出，从上式可看出，E近似于近似于1，Rsi=rso,说明固酶表面底物浓度与主体的相说明固酶表面底物浓度与主体的相 同，此时反应未受外扩散影响同，此时反应未受外扩散影响 2、引入外扩散有效因子、引入外扩散有效因子 从上式可看出，从上式可看出，E1，Rsi1 0siS rR 一级动力学特性一级动力学特性 （2）反应动力控制）反应动力

35、控制 Da1 0 max SLaC k r Da KC KC S S E )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O返回返回 2021-5-2 图3.3 xDa（K） 0.1110 0.1 1 10 2 10 3 Da 10 -5过渡区 外扩散区 x K=10 20 0.01 0.02 0.1 0.2 m S Sm C CKK K / 0 0 或 一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制 2、引入外扩散有效因子法、引入外扩散有效因子法求反应速率的方法求反应速率的方法 有效因子与有效因子与 Da关系曲线关系曲线 Da及及已知时，可求已知时，可求

36、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O返回返回 2021-5-2 二、外扩散限制及化学抑制同时存在的动力学二、外扩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O返回返回 2021-5-2 三、三、降低外扩散效应的技术措施 式中 De扩散系数，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 y D akk e LLa 改变反应液相的流动状态；改变反应液相的流动状态； 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

37、回主目录O返回返回 2021-5-2 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，降低外扩散的限制。 )( 0SiSLaSd CCkR 三、三、降低外扩散效应的技术措施 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 What is inner-diffusion effect?introduction Adsorption by porous medium Immobilized enzyme invest How many methods can be used to prepare IE? Where will the bio-

38、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O返回返回 2021-5-2 When reaction proceed within the granular, the reaction rate will be influenced by mass transfer process, which including two reciprocal directions, substrate mus

39、t 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

40、 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O返回返回 2021-5-2 一、载体的结构参数与微孔内的扩散一、载体的结构参数与微孔内的扩散 1、载体结构参数、载体结构参数 （1）、比表面积）、比表面积Sg 单位质量载体所具有的内表面积，比表面积单位质量载体所具有的内表面积，比表面积Sg m2/g(200-300) （2）、微孔半径）、微孔半径 Sg 2Vg r 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

41、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O返回返回 2021-5-2 (3)(3)空隙率空隙率P : which is ratio of microporocity volume to particle volume. P 1 一、载体的结构参数与微孔内的扩散一、载体的结构参数与微孔内的扩散 1、载体结构参数、载体结构参数 P= Vg.P P表观密度表观密度 (4)(4)当量直径当量直径 V = V P45 体积相当直径？体积相当直径？ 外表面积相当直径？外表面积相当直径？ 比表面积直径？比表面积直径？ 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5

42、-2 一、载体的结构参数与微孔内的扩散一、载体的结构参数与微孔内的扩散 1、载体结构参数、载体结构参数 (5) Particle density Apparent density P = Real density t = Solids mass/particle volume Solids mass/solids volume Packing density b =Solids mass/bed volume Bed 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O返回返回 2021-5-2 一、载体的结构参数与微孔内的扩散一、载体的结构参数与微孔内的扩散 2、微孔内扩散、微

43、孔内扩散 分子扩散分子扩散 diffusion resistance result from molecular collision, independent to micropous diameter. 努森扩散努森扩散 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O返回返回 2021-5-2 一、载体的结构参数与微孔内的扩散一、载体的结构参数与微孔内的扩散 2、

44、微孔内扩散、微孔内扩散 分子扩散分子扩散 /2r110-2 努森扩散努森扩散 /2r10 ：分子运动平均自由程：分子运动平均自由程 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O返回返回 2021-5-2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 酶反应速度与底物浓度是密切相关的酶反应速度与底物浓度是密切相关的 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 反应速率因底物浓度的分布而在变化反应速率因底物浓度的分布

45、而在变化 v 由于底物在载体内的扩散作用以及酶的反应由于底物在载体内的扩散作用以及酶的反应 反应速率反应速率/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O返回返回 2021-5-2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 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不足以影响酶促反应的速率。载体几何尺寸上的温度梯度不足以影响酶促反应的速率。 固定化酶的催化活力不变。固定

46、化酶的催化活力不变。 仅以扩散的形式进行传质，在载体内没有反应液相的对流。仅以扩散的形式进行传质，在载体内没有反应液相的对流。 底物、产物的浓度在扩散的方向上变化。底物、产物的浓度在扩散的方向上变化。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 扩散模型以扩散模型以Fick定律表述，且扩散系数定律表述，且扩散系数De在载体内的任意位在载体内的任意位 置均为常数。置均为常数。 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 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： dr dC DNs s e 式中式中 Nss组分的扩散通量组分的扩散通量

47、 De扩散系数扩散系数 Css组分的浓度组分的浓度 r扩散距离扩散距离 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 的质量 内消耗 的质量 内生成 的质量 离开 的质量 进入 积的质量 内累dVdVdVdVdV 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 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中的反应对任意组分的质量平衡关系为：中的反应对任意组分的质量平衡关系为： 对底物有： 耗的质量 内消 的质量 离开 的质量 进入 积的质量 内累dVdVdVdV 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-

48、5-2 R r 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的壳层为反应体系，的壳层为反应体系， 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 1、质量衡算方程、质量衡算方程 底物在载体内的扩散和反应处于稳定底物在载体内的扩散和反应处于稳定 状态，此时微体积元内的底物累积质量状态，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： S rr S e rrr S e rrr dr dC Dr dr dC Drr 222 44)(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O返回返回 2021-5

49、-2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 1、质量衡算方程、质量衡算方程 当 时，有 略去（dr）2项，整理得 0r S S e SS e rdrr dr dC Drdr dr dC dr d dr dC Ddrr 222 44)(4 S SS e r dr dC rdr Cd D 2 2 2 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 S SS e r dr dC rdr Cd D 2 2 2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 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的形式有关的形式有关

50、 （1） Sm S S CK Cr r max . A . B C O (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O返回返回 2021-5-2 S SS e r dr dC rdr Cd D 2 2 2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 2、一级动力学浓度分布、一级动力学浓度分布 e D kR 1 1 3 0 / SSS CCC Rrr/ rs=k1Cs 令令 无因次半径无因次半径 无因次浓度无因次浓度 无因次反应级数参比量无因次反应级数参比量 类类M-MM-M反应反应ThieleThiele模数模数 S SS C rd Cd rrd Cd 2 1

51、2 2 9 2 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 S SS C rd Cd rrd Cd 2 1 2 2 9 2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 2、一级动力学浓度分布、一级动力学浓度分布 00 rd Cd ，r s 时 边界条件边界条件: S Cr ; 11 sC，r处 令令: (2) 式式(2)变成变成: 2 1 2 2 9 rd d 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 2 1 2 2 9 rd d )3sinh( )3sinh( 1 1 021 R r r R CC，、CC S

52、S 得求出积分常数 )3sinh()3cosh( 1211 rCrC 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 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: )3sinh()3cosh( 1 1211 rCrC r CS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O返回返回 2021-5-2 图图 颗粒内底物浓度分布颗粒内底物浓度分布 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 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

53、容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 S SS r dr dC rdr Cd 2 2 2 r D k dr d e 0 2 2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 3、零级动力学浓度分布、零级动力学浓度分布 S rC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O返回返回 2021-5-2 S SS r dr dC rdr Cd 2 2 2 r D k dr d e 0 2 2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 3、零级动力学浓度分布、零级动力学浓度分布 S rC令令: P51 上一内容上一内容

54、下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 r D k dr d e 0 2 2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 3、零级动力学浓度分布、零级动力学浓度分布 21 30 6 1 CrCr D k xa e r C Cr D k xC e s 2 1 2 0 6 1 积分得： S rC 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O返回返回 2021-5-2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 3、零级动力学浓度分布、零级动力学浓度分布 边界条件边界条件: 0, 0 dr dc r s 0 , ss ccRr )

55、( 6 220 0 Rr D k cc e ss 20 0 6 R D k cc e ss 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O返回返回 2021-5-2 S SS e r dr dC rdr Cd D 2 2 2 em m DK rR max 3 S S m SS C C rd Cd rrd Cd 1 9 1 2 2 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 4、M-M动力学的浓度分布动力学的浓度分布 Sm S S CK Cr r max mS KC/ 0 0 / SSS CCC Rrr/ 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回

56、主目录O返回返回 2021-5-2 S S m SS C C rd Cd rrd Cd 1 9 1 2 2 0 0 r S rd Cd 1 1 r S C 二、微孔内反应组分的浓度分布二、微孔内反应组分的浓度分布 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 球形载体的表面处球形载体的表面处 其边界条件为：其边界条件为： 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m m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O返回返回 2021-5-2 _ _ 2 2 _ 2 0 _ 2 1 max max 1 ,

57、)(, )( s ss s s s em sm ss e s se c c dZ cd c c c Dk r L L l Z dl ck cr dl dc Ddl dl dc c dl d D 令 .CB 则 0, 0, 1, 1 _ dZ cd ZcZ s s (数值见图3.6) 多孔膜内反应组分的浓度分布多孔膜内反应组分的浓度分布 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率 Si S R R 率无内扩散影响的反应速 率有内扩散影响的反应速 Sim Si SiS CK CR RR max 内扩

58、散的效率因子内扩散的效率因子 则在载体内的实际酶促反应速率为：则在载体内的实际酶促反应速率为： Rsi为颗粒内底物浓度均为其颗粒外表面处的浓度为颗粒内底物浓度均为其颗粒外表面处的浓度Csi时的反时的反 应速率应速率,当无外扩散影响时，当无外扩散影响时，CSi= CS0，Rsi=Rso,即即 0 0max Sm S S CK Cr R 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率 如何计算如何计算,与反应形式有关与反应形式有关. . A . B C O （1 1）一级反应的有效因子）一级反应的有效因

59、子 1 1 对一级反应，当无外扩散效对一级反应，当无外扩散效 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 反应的速率为反应的速率为 01 3 0 3 4 SS Ck R R 式中式中 R R载体直径载体直径 k k1 1一级反应速率常数一级反应速率常数 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回返回 2021-5-2 稳定状态下，其有效的总反应速率应等于由表面向内部的稳定状态下，其有效的总反应速率应等于由表面向内部的 底物扩散速率，载体表面的总扩散速率为：底物扩散速率，载体表面的总扩散速率为： 三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率 （1）一

60、级反应的有效因子）一级反应的有效因子 1 Rr S eS dr dC DRR 2 4 Rr S S e dr dC Ck D R 01 1 3 则 Rr S dr dC SS SS e Ckr dr dC rdr Cd D 1 2 2 2 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O返回返回 2021-5-2 令：令： 无因次半径无因次半径 无因次浓度无因次浓度 无因次反应级数参比量无因次反应级数参比量 一级反应的一级反应的ThieleThiele模数模数 三、由内扩散的效率因子求反应速率三、由内扩散的效率因子求反应速率 （1）一级反应的有效因子）一级反应的