第三章固定化酶催化反应动力学1ppt课件

1、 化学与生命科学学院化学与生命科学学院O返回返回一固定化酶的运用一固定化酶的运用 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。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/高果糖浆高果糖浆O返回返回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O返回返回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

2、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O返回返回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

3、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。O返回返回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O返回返回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O返回返回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。 O返回返回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

4、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。O返回返回Covalent bondCross linkageIonic bondInvestmentMicrocapsuleO返回返回吸附法有物理吸附、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

5、，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O返回返回包埋类型可有：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

6、。接触。O返回返回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。O返回返回Synthesis of IMER using glutaraldehyde methodmatr

7、ixOSi(CH2)3NH2OHCCH2CH2CH2CHOmatrixOSi(CH2)3NCH(CH2)3CHOmatrixOSi(CH2)3NCH(CH2)3CHNEnzymeEnzymeNH21.1.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O返回返回silicaOSi(CH2)3NH2NOCONOOOOOsilicaOSi(CH2)3HNCOONOOEnzymeNH2silicaOSi(CH2)3HNCHNOEnzymeNH2D-GlucosaminesilicaOSi(CH

8、2)3HNCHNOEnzymeOSi(CH2)3HNCHNOD-GlucosamineSynthesis 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O返回返回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)Matri

9、xOH(CH3O)3SiOCH2CHCH2OMatrixMatrixOSiOCH2CH CH2OOSiOCH2CHHNOHEnzymeNH2EnzymeThe synthesis of the IMER through -hydroxylamine formationMarle I. , et al. J. Chromatogra. 1992, A, 604:185-196 O返回返回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

10、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：O返回返回O返回返回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

11、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 O返回返回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

12、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 O返回返回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(Acetobac

13、tes 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

14、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O返回返回讨论几个问题：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？O返回返回O返回返回酶活力表现率普通降低(Km )EnzymeAgent of immobiliztionsubstrateKm/(mol/L)Creatine kinaseFree EATP6.510-4Aminobenzoic cellul

15、oseATP8.010-4Lactate 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 EO返回返回热稳定性普遍提高保

16、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)O返回返回二、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 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O返回

17、返回二、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O返回返回二、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)O返回返回二、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

18、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?O返回返回第第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O返回返回分散速率分散速率= =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

19、.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 =kL a a (Cso-Csi)(Cso-Csi)O返回返回一、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iSmiSiSCKCrRmax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/LO返回返回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)(0SiSLSdCCakR式中 RS d底物由液相主体分散到载

20、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/LO返回返回iSmiSSiSLaCKCrCCkmax0)(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：000max0SSmSiSSiSRCKCrRCC 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

21、速率).O返回返回 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dSLaSiSLaiSrCkCCkR00)(rd为在外分散速率很慢时的最大的传质速率。O返回返回iSmiSiSCKCrRmax000max0SSmSiSSiSRCKCrRCC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dSLaSiSLaiSrCkCCkR00)(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O返回返回一、外分散速率对

22、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？Rsrrs0RsiCs0图3.2 外扩散对酶反应影响RsordCsoABC三个区的特征？三个区的特征？O返回返回一、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：A A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=rdC C部分，动力学控制部分，动力学控制CsoCso较大时，较大时，Rsord; Rso1时?控制当Da1时传质分散限制反响速率限制O返回返回一、外分散速率对酶催化反响速率的限制一、外分散

23、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。O返回返回解：101011041045150maxSLaCkrDa2101102550SmCKK1112101KDaO返回返回179.0111241211141222KCS所以mol/L1079. 1101179. 0650SSiSCCCO返回返回反响速率:s)mol/(L

24、1033. 01079. 11021079. 110456565maxiSmiSiSCKCrR比较当未固定化的为促反响速率:s)mol/(L1033. 11011021011045555500max0SmSSCKCrR%8 .2433. 133. 00SiSRRO返回返回0SSiErR率无外扩散影响的反应速应速率有外扩散影响的实际反00/SmSiSSCKKCCC和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EE外分散的有效因子的定

25、义:iSmiSiSCKCrRmax000maxSSmSrCKCrKCKCSSE)1 (O返回返回KCKCSSE)1 (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：00max0SmSESEiSCKCrrR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

26、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，Rsi10siSrR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 Da10maxSLaCkrDa KCKCSSE)1 (O返回返回图3.3 xDa（K）0.11100.11102103Da10-5过渡区外扩散区xK=10200.010.020.10.2mSSmCCKKK/00或一、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P93O返回返回二、外分散限制及

27、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O返回返回三、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yDakkeLLa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O返回返回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。)(0SiSLaSdCCkR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O返回返回What is

28、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) O返回返回When reaction proceed within the granular, the r

29、eaction 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 w

30、ithin 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?O返回返回一、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S

31、g m2/g(200-300)2、微孔半径、微孔半径Sg2Vgr 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/gO返回返回(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 1 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P= Vg.PP表观密度表观密度(4)(4)当量直径当量直径V= V

32、P45体积相当直径？体积相当直径？外外表积相当直径？外外表积相当直径？比外表积直径？比外表积直径？O返回返回一、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 densityO返回返回一、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

33、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 collisionO返回返回一、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

34、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 ?O返回返回二、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

35、算质量衡算O返回返回二、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。O返回返回分散模型以分散模型以Fi

36、ck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：drdCDNsse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 O返回返回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

37、恣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dVdVdVdVO返回返回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：SrrSerrrSerrrdrdCDrdrdCDrr22244)(4O返回返回二、微孔

38、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0rSSeSSerdrrdrdCDrdrdrdCdrddrdCDdrr22244)(4SSSerdrdCrdrCdD222O返回返回SSSerdrdCrdrCdD222二、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1SmSSCKCrrmax. A.BCO(2-17)O返回返回SSSerdrdCrdrCdD222二、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

39、分布eDkR1130/SSSCCCRrr/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SSSCrdCdrrdCd212292O返回返回SSSCrdCdrrdCd212292二、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00rdCd，rs时边境条件边境条件:SCr; 11sC，r处令令:(2)式式(2)变成变成:21229rddO返回返回21229rdd)3sinh()3sinh(11021RrrRCC，、CCSS得求出积分常数)3

40、sinh()3cosh(1211rCrC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:)3sinh()3cosh(11211rCrCrCS或O返回返回图图 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? ?0O返回返回SSSrdrdCrdrCd222rDkdrde022二、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

41、分布、零级动力学浓度分布SrC令令:P109O返回返回SSSrdrdCrdrCd222rDkdrde022二、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SrC令令:P51O返回返回rDkdrde022二、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213061CrCrDkxaerCCrDkxCes212061积分得：SrC代入：得：O返回返回二、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:0, 0drdcrs0,ssccRr)

42、(62200RrDkccess2006RDkccessC2=0详见P53表3-3O返回返回SSSerdrdCrdrCdD222emmDKrRmax3SSmSSCCrdCdrrdCd19122二、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SmSSCKCrrmaxmSKC/00/SSSCCCRrr/O返回返回SSmSSCCrdCdrrdCd1912200rSrdCd11rSC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

43、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O返回返回_22_20_21maxmax1,)(,)(ssssssemsmssesseccdZcdcccDkrLLlZdlckcrdldcDdldldccdldD令.CB那么0, 0, 1, 1_dZcdZcZss(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O返回返回三、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SiSRR率无内扩散影响的反应速率有内扩散影响的反应速SimSiSiSCKCRRRmax内分散的效率因子内分散的效率因子那么在载

44、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 00maxSmSSCKCrRO返回返回三、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 0

45、13034SSCkRR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O返回返回 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 1RrSeSdrdCDRR24RrSSedrdCCkDR0113那么RrSdrdCSSSSeCkrdrdCrdrCdD1222如何求解?浓度分布前面推导过O返回返回令：令：无因次半径无因次半径 无因次浓度无因次

46、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 1eDkR113mSKC/00/SSSCCCRrr/O返回返回其边境条件为球形载体的中心处00rSrdCd11rSC)3(sh)3(sh11rrCS)3(sh)/3(sh110RrrRCCSS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O返回返回110131)3(th13RCdrdCSRrS三、由内分散的效率因

47、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：11101131)3(th113RrSSedrdCCkDRO返回返回三、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：征反响的速率为：03034kRRS式中式中 k0零级反响速率常数，对酶促反零级反响速率常数，对酶促反响响max0rk 10此时O返回返回假设内分散的影响使

48、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:0CRrSC033)(34kRRRCS3030330134)(34RRkRkRRCC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 0O返回返回3030330134)(34RRkRkRRCC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?RRC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

49、分布:0222krdrdCrdrCdDSSSe1622200RrRDkCCeSSO返回返回1622200RrRDkCCeSS0CRrSC20061RkDCRReSC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:232000611RkDCeSO返回返回三、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 :00023SeCDkR3034cos21110令零级反响的Thiele模数留意在这里，000.57700.577，132arccos20其中详见P53表3-4O返回返回三、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