生物反应工程原理课件

1、生物反应工程原理生物反应工程原理2.2.3 2.2.3 多底物酶促反应动力学多底物酶促反应动力学生物反应工程原理生物反应工程原理一般的多底物酶促反应可表示为：一般的多底物酶促反应可表示为： RQPCBA这里讨论：双底物双产物情况这里讨论：双底物双产物情况QPBA 生物反应工程原理生物反应工程原理反应机制：反应机制：关键问题：底物关键问题：底物A A、B B哪个先和酶结合？哪个先和酶结合？ u 任何一个都有可能先与酶结合任何一个都有可能先与酶结合 （随机机制）（随机机制）u 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 u 两底物同时与酶结合两底物同时与酶结合 （可能性极小）（可能性

2、极小）随机机制（分支机制）随机机制（分支机制）EEBEAEABEPQEPEQE（不形成三元复合物）反应模型（不形成三元复合物）反应模型EAEAAPPBBEQQQEEG （ EG：修饰过的酶：修饰过的酶 ）简单机制简单机制EEAEABAABBEPQQQEPEPP生物反应工程原理生物反应工程原理双底物酶促反应动力学双底物酶促反应动力学 反应机理：反应机理：EAAEPEEABAEB B B AKAKBKBK2k生物反应工程原理生物反应工程原理EABCkr2 AEAAEKCCC AEABAEBKCCCBEBBEKCCC BEABBEAKCCC EABEBEAEEOCCCCC EABEBEAEEOCCC

3、CC 生物反应工程原理生物反应工程原理解之，得解之，得)(maxBBAABACKCKCCrr 式中：式中：EOCkr2max 生物反应工程原理生物反应工程原理2.3 固定化酶促反应动力学 2.3.1 2.3.1 固定化酶促反应动力学基础固定化酶促反应动力学基础 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分子通过一定的方式，酶的固定化技术是将水溶性的酶分子通过一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂等材料制成固相酶的技术。等材料制成固相酶的技术。 细胞的固定化技术细胞的

4、固定化技术: : 为省去从微生物（或动、植物）中为省去从微生物（或动、植物）中提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物细胞、动植物细胞、组织技术。细胞、动植物细胞、组织技术。生物反应工程原理生物反应工程原理 物理吸附法物理吸附法 载体结合法载体结合法 离子结合法离子结合法 共价结合法共价结合法 交联法交联法 格子型格子型 包埋法包埋法 微胶囊微胶囊2.3.1.2 2.3.1.2 酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法 生物反应工程原理生物反应工程原理交联法交联法EOEEOOOE生物反应工程原理生物反应工程原理2.3.1.3 2.3.1.

5、3 固定化对酶性质的影响固定化对酶性质的影响 底物专一性的改变底物专一性的改变 稳定性增强稳定性增强 最适最适pHpH值和最适温度变化值和最适温度变化 动力学参数的变化动力学参数的变化 生物反应工程原理生物反应工程原理2.3.1.4 2.3.1.4 影响固定化酶促反应的主要因素影响固定化酶促反应的主要因素 分子构象的改变分子构象的改变 位阻效应位阻效应 微扰效应微扰效应 分配效应分配效应 （可用（可用Kp Kp 定量描述定量描述）链接 扩散效应扩散效应 （可定量描述）（可定量描述）生物反应工程原理生物反应工程原理分配系数分配系数 (Kp)(Kp)链接 分配系数：载体内外底物分配系数：载体内外底

6、物( (或其他物质或其他物质) )浓度之比。浓度之比。 Kp Kp的测定：的测定： 已知底物浓度已知底物浓度( (C CS0S0 ) )，体积，体积(V(V0 0) )的溶液的溶液中，放入不含底物的一定体积的载体，并保持适宜中，放入不含底物的一定体积的载体，并保持适宜条件，当达到平衡时，测定载体外溶液的底物浓度条件，当达到平衡时，测定载体外溶液的底物浓度(Cs)(Cs)。生物反应工程原理生物反应工程原理2.3.2 2.3.2 固定化酶促反应过程分析固定化酶促反应过程分析2.3.2.1 2.3.2.1 外部扩散过程外部扩散过程 以表面固定化酶为例。以表面固定化酶为例。SSmSSoutCKCrr

7、maxCSCSSooutoutrr SmSoCKCrr max生物反应工程原理生物反应工程原理外扩散过程分析外扩散过程分析SSmSSoutCKCrr maxoutrN )(maxSSSLSSmSSCCakCKCr 外扩散速率：外扩散速率： 达到平衡时，达到平衡时，即即 )(SSSLCCakN 酶促反应速率：酶促反应速率： SLaCkN max生物反应工程原理生物反应工程原理N, rrmaxNmax 0 CSS CS(CSS，rout)NmaxN，rrmax0 CSS CS(CSS，rout)maxmaxNr0, 0outSSC maxmaxNr1,outSSSCC 生物反应工程原理生物反应工程

8、原理Da准数准数 :maxmaxNrDa 当当 时，时， 过程为外扩散控制。过程为外扩散控制。 当当 时，时， 过程为反应控制。过程为反应控制。1 Da1 Da0, 0outSSC 1,outSSSCC 生物反应工程原理生物反应工程原理式中式中:)(maxSSSLSSmSSCCakCKCr *maxmaxmax)(1(CCKCaCkrNrDaSL SmSSSCKKCCC ,*表明表明C*为为Da准数的函数，即准数的函数，即 )(*DafC 生物反应工程原理生物反应工程原理( 时时, )*maxmaxCKCCKCCKCrCKCrrrSSmSSSmSSSmSSooutout mSKC maxrro

9、 表明表明为为C*的函数，即的函数，即 out *)(Cgout 生物反应工程原理生物反应工程原理 可见，Da准数是决定效率因子 和比浓度C*的唯一参数，因而是表征传质过程对反应速率影响的基本准数。 Da准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体浓度CS， 越接近于1。Da准数越大，固定化酶表面浓度越趋近于零， 越小，越趋近于零。out out out 生物反应工程原理生物反应工程原理 为提高固定化酶外扩散效率为提高固定化酶外扩散效率,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、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表面积，但由于粒径减小

10、会伴随压降增加，面积，但由于粒径减小会伴随压降增加，因此应用中综合考虑，确定合适的粒径。因此应用中综合考虑，确定合适的粒径。 2、使固定化酶表面流体处于湍流状态以、使固定化酶表面流体处于湍流状态以增大增大 。Lk生物反应工程原理生物反应工程原理2.3.2.2 内部扩散过程内部扩散过程 具有大量内孔的球形固定化酶颗粒Rdrroininrr 内扩散效率因子内扩散效率因子生物反应工程原理生物反应工程原理稳定状态下，对底物进行物料衡算：稳定状态下，对底物进行物料衡算： drrrdrdCDerdrdCDedrrSrSrdrrSr22244)(4 流入量流出量反应量流入量流出量反应量生物反应工程原理生物反

11、应工程原理整理整理, ,得得drrrdrdCDerdrdCDedrrdrrSrSrdrrSr222244)(24 drrrdrdCrdrDedrdCdrdCDerSdrrSrrSrdrrSr22484 Dedrr24 两侧同除两侧同除 , ,得得DerdrdCrdrCdSSrSr 222生物反应工程原理生物反应工程原理当反应符合米氏方程规律时，当反应符合米氏方程规律时，SrmSrSCKCrr max)(2max22SrmrSSrSrCKDeCrdrdCrdrCd 故故, ,令令 , , , , , ,SSSrXCCC Rrl mSSKC mDeKrR9max22 上式可转化为无因次形式，得上式

12、可转化为无因次形式，得 XXXXccdldcldlcd 192222生物反应工程原理生物反应工程原理边界条件边界条件: :0 l0 dldcX1 l1 Xc, , ,该微分方程无解析解，只能用数值法求解。该微分方程无解析解，只能用数值法求解。生物反应工程原理生物反应工程原理西勒西勒准数准数( ) 的物理意义是表面反应速率与内扩散速率的物理意义是表面反应速率与内扩散速率之比。对各类反应动力学与固定化酶的形状，之比。对各类反应动力学与固定化酶的形状，普遍化的普遍化的 的定义式为的定义式为 :21,2 SSeqSCCssPPdCsDerrAV生物反应工程原理生物反应工程原理SSmSSRrSrSSmS

13、SRrSroininCKCrdrdCDeRCKCrRdrdCDeRrr maxmax323344 引入无因次参数，则引入无因次参数，则 11321lXindldcin 无解析解，只有数值解。无解析解，只有数值解。 生物反应工程原理生物反应工程原理见教材见教材33页图页图2-10 内扩散效率因子内扩散效率因子 in 是是 和和 的函数。的函数。 对对 in影响不大，影响影响不大，影响 in的主要参的主要参数是西勒准数数是西勒准数 。如果。如果 ，则，则 不随不随 变化，近似等于变化，近似等于1，也就是说，也就是说没有内部传质阻力，若没有内部传质阻力，若 ，则则 ，反应为内扩散所限制。，反应为内扩散所限制。3 . 0 3 . 01inin 生物反应工程原理生物反应工程原理 为提高固定化酶内扩散效率，为提高固定化酶内扩散效率，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的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。定化酶颗粒粒径。生物反应工程原理生物反应工程原理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