反应工程第三章 固定化酶反应过程动力学课件

第三章固定化酶反应过程动力学第三章固定化酶反应过程动力学13.1固定化酶反应动力学的特征3.1.1酶的固定化技术交联利用双功能试剂的作用，在酶分子间发生交联，凝集成网状结构，构成固定化酶；吸附酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶载体；包埋将酶包埋在凝胶的微细格子中或半透性的聚合膜所包埋，使酶分子不能从凝胶的网格中漏出。混合法3.1固定化酶反应动力学的特征3.1.1酶的固定化技术2离子结合共价结合交联聚合物包埋疏水作用脂质体包埋微胶囊离子结合共价结合交联聚合物包埋疏水作用脂质体包埋微胶囊3反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件4活性的改变（通常情况活性下降）稳定性改变（通常稳定性增强）底物专一性改变最适pH和最适温度改变动力学常数改变3.1.2酶的固定化对其动力学特性的影响活性的改变（通常情况活性下降）3.1.2酶的固定化对其动力5酶固定化试剂底物Km/（mol/L）肌酸激酶无ATP6.5×10-4对氨苯基纤维素ATP8.0×10-4乳酸脱氢酶无NADH7.8×10-6丙酰-玻璃NADH5.5×10-5α-糜蛋白酶无ATEE1.0×10-3可溶性醛葡聚糖ATEE1.3×10-3无花果蛋白酶无BAEE2×10-2CM-纤维-70BAEE2×10-2胰蛋白酶无BAA6.8×10-3马来酸/1，2-亚乙基BAA2.0×10-4某些游离的溶液酶和固定化酶的米氏常数值酶固定化试剂底物Km/（mol/L）肌酸激酶无ATP6.563.3.3影响固定化酶促反应的主要因素1）分子构象的改变溶液酶分子构象改变3.3.3影响固定化酶促反应的主要因素1）分子构象的改变溶液72）位阻效应溶液酶位阻效应2）位阻效应溶液酶位阻效应83）分配效应由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶载体内部底物或产物浓度与溶液主体浓度不同的现象称为分配效应。微环境宏观环境cS0cSicSg3）分配效应由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定9反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件104）扩散效应4）扩散效应11水溶液本征动力学参数固定化酶本征速率和动力学参数固有速率和动力学参数有效速率和动力学参数构象改变、位阻效应分配效应扩散限制水溶液本征动力学参数固定化酶本征速率和动力学参数固有速率和动12固定化酶促反应中，需考虑扩散传质与催化反应的相互影响，注意外部与内部扩散的不同传质方式。内部扩散与催化反应有时是同时进行的，两者相互耦合，外部扩散通常先于反应。在分析固定化酶的反应与外部或内部物质传递之间的相互关系时，采用的数学方法不同。为了简化起见，在讨论外部扩散时，忽略固定化酶颗粒内部的扩散问题；讨论内部扩散时，假定固定化酶颗粒外部传质阻力小，颗粒表面处的底物浓度与液体大环境中浓度相等。固定化酶促反应中，需考虑扩散传质与催化反应的相互影响，注意外13底物由主体向固定化酶颗粒表面的扩散速率RSd正比于传质表面积和传质推动力。3.2外部扩散过程RSd=kLa(Cso-Csi)式中：kL----液膜传质系数a-----传质比表面积Cso

---液体主体中的底物浓度Csi—固定化酶表面处底物浓度反应速率3.2.1外扩散速率对酶反应速率的限制效应微环境宏观环境cS0cSicSg底物由主体向固定化酶颗粒表面的扩散速率RSd正比于传质表面积14反应的总过程为外部传递和表面反应两者的集中反映，反应的有效速率既与底物的传质系数有关，又与反应的动力学参数有关vmax和Km。动力学控制：传质速度相当快，反应主要受到酶的催化反应影响。外扩散控制：酶的催化效率很高，底物的传质速率很慢。介于上述两种情况之间反应的总过程为外部传递和表面反应两者的集中反映，反应的有效速15Rsi总是接近于动力学反应速度和扩散速度两者中比较小的那个。Rsi总是接近于动力学反应速度和扩散速度两者中比较小的那个。16当达到稳定状态时：当达到稳定状态时：17α>0,取“+”，反之取“-”，根据即可确定表面浓度!确定了表面浓度后即可确定宏观反应速率Rsiα>0,取“+”，反之取“-”，根据即可确定表面浓度!确定了181.Da<<1时，动力学控制；2.Da>>1时，扩散传貭控制。1.Da<<1时，动力学控制；19反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件20化工上引用效率因子来描述固体催化剂颗粒催化反应进行的有效程度，固定化酶为固体催化剂，效率因子定义为：化工上引用效率因子来描述固体催化剂颗粒催化反应进行的有效程度21反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件22反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件23反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件24ηE=？β=？Da=？Km=？rmax=?ηE=？25反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件263.2.2外扩散限制与化学抑制同时存在的动力学3.2.2外扩散限制与化学抑制同时存在的动力学27反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件28反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件29反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件303.3内部扩散过程3.3.1载体的结构参数与微孔内的扩散（1）载体结构参数比表面积Sg微孔半径孔隙率εp颗粒当量直径颗粒密度3.3.1载体的结构参数与微孔内的扩散（1）载体结构参数31分子扩散：扩散阻力主要来自于分子间的碰撞努森扩散：扩散阻力主要来自于分子与孔壁间的碰撞，常发生在微孔直径较小的情况。属于哪一种扩散机理，与分子运动的平均自由程λ和微孔的直径r有关，当λ/2r≤10-2，为分子扩散限制；λ/2r≥10，努森扩散。（2）液体在微孔内的扩散分子扩散：扩散阻力主要来自于分子间的碰撞（2）液体在微孔内的322r2r2r2r33Fick定律（描述微孔内液体分子扩散速率）：De—有效扩散系数D—分子扩散系数εp—固定化酶颗粒的孔隙率，其值为0~1τp—曲节因子，其值为1.4~7H-位阻因子，其值为0~1，H=f（r）r=溶液分子半径与微孔半径之比，当微孔半径比溶液溶液分子半径大得多的时候，H近似为1。Fick定律（描述微孔内液体分子扩散速率）：De—有效扩散系343.3.2颗粒内的浓度分布与有效因子（1）颗粒内的浓度分布3.3.2颗粒内的浓度分布与有效因子（1）颗粒内的浓度分布35OrCsOrCs36在稳定状态下，球形固定化酶颗粒内的实际有效反应速率应等于从颗粒外表面向微孔内的扩散速率，即：颗粒内无浓度梯度影响时的反应速率：（2）内扩散效率因子在稳定状态下，球形固定化酶颗粒内的实际有效反应速率应等于从颗37（3）一级反应动力学内扩散有效因子（3）一级反应动力学内扩散有效因子38反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件39反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件40反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件41反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件42反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件43（4）零级反应动力学内扩散有效因子（4）零级反应动力学内扩散有效因子44反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件45上述方程是当Cs>0时才是正确的。通过上式可求出当Cs＝0时的临界半径RC值。当Cs＝0时，上式变为：上述方程是当Cs>0时才是正确的。通过上式可求出当Cs＝0时46反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件47RC称为临界半径，在r<RC处无底物存在，也无反应发生。在某一扩散条件下可通过上式确定该值。显然在0<r<RC处,催化剂并未得到利用。为了节省固定化酶，其颗粒大小应做成保证在球心处，即r＝0处(Rc=0)，正好cS＝0，此时求得的半径称为最大颗粒半径Rmax,即RC称为临界半径，在r<RC处无底物存在，也无反应发生。在某48反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件49反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件50反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件51反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件52（5）M-M动力学内扩散有效因子（5）M-M动力学内扩散有效因子53反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件54反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件55反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件56（5）梯勒模数的意义和求解（5）梯勒模数的意义和求解57反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件58反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件59反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件60几点说明：φ为西勒准数，其物理意义是表面反应速率（即以固定化酶外表面处的浓度为基准反应速率）与内扩散速率之比；由图3-22可见，β对ηin影响不是很大，主要是西勒准数φ；如果φ<<0.3,则ηin不随φ变化，近似等于1，也就是没有内部传质阻力。否则为内传质所限制；减小φ值有三条途径，一是减小颗粒直径，R的减小有一下限；二是降低rmax,但由于rmax正比于k+2[E],降低[E]会影响生产效率；三是通过温度等调节rmax与De的比值。一般在不影响操作的条件下，尽量减小颗粒的半径，以减小φ值。几点说明：φ为西勒准数，其物理意义是表面反应速率（即以固定化61第三章固定化酶反应过程动力学第三章固定化酶反应过程动力学623.1固定化酶反应动力学的特征3.1.1酶的固定化技术交联利用双功能试剂的作用，在酶分子间发生交联，凝集成网状结构，构成固定化酶；吸附酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水不溶载体；包埋将酶包埋在凝胶的微细格子中或半透性的聚合膜所包埋，使酶分子不能从凝胶的网格中漏出。混合法3.1固定化酶反应动力学的特征3.1.1酶的固定化技术63离子结合共价结合交联聚合物包埋疏水作用脂质体包埋微胶囊离子结合共价结合交联聚合物包埋疏水作用脂质体包埋微胶囊64反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件65活性的改变（通常情况活性下降）稳定性改变（通常稳定性增强）底物专一性改变最适pH和最适温度改变动力学常数改变3.1.2酶的固定化对其动力学特性的影响活性的改变（通常情况活性下降）3.1.2酶的固定化对其动力66酶固定化试剂底物Km/（mol/L）肌酸激酶无ATP6.5×10-4对氨苯基纤维素ATP8.0×10-4乳酸脱氢酶无NADH7.8×10-6丙酰-玻璃NADH5.5×10-5α-糜蛋白酶无ATEE1.0×10-3可溶性醛葡聚糖ATEE1.3×10-3无花果蛋白酶无BAEE2×10-2CM-纤维-70BAEE2×10-2胰蛋白酶无BAA6.8×10-3马来酸/1，2-亚乙基BAA2.0×10-4某些游离的溶液酶和固定化酶的米氏常数值酶固定化试剂底物Km/（mol/L）肌酸激酶无ATP6.5673.3.3影响固定化酶促反应的主要因素1）分子构象的改变溶液酶分子构象改变3.3.3影响固定化酶促反应的主要因素1）分子构象的改变溶液682）位阻效应溶液酶位阻效应2）位阻效应溶液酶位阻效应693）分配效应由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶载体内部底物或产物浓度与溶液主体浓度不同的现象称为分配效应。微环境宏观环境cS0cSicSg3）分配效应由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定70反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件714）扩散效应4）扩散效应72水溶液本征动力学参数固定化酶本征速率和动力学参数固有速率和动力学参数有效速率和动力学参数构象改变、位阻效应分配效应扩散限制水溶液本征动力学参数固定化酶本征速率和动力学参数固有速率和动73固定化酶促反应中，需考虑扩散传质与催化反应的相互影响，注意外部与内部扩散的不同传质方式。内部扩散与催化反应有时是同时进行的，两者相互耦合，外部扩散通常先于反应。在分析固定化酶的反应与外部或内部物质传递之间的相互关系时，采用的数学方法不同。为了简化起见，在讨论外部扩散时，忽略固定化酶颗粒内部的扩散问题；讨论内部扩散时，假定固定化酶颗粒外部传质阻力小，颗粒表面处的底物浓度与液体大环境中浓度相等。固定化酶促反应中，需考虑扩散传质与催化反应的相互影响，注意外74底物由主体向固定化酶颗粒表面的扩散速率RSd正比于传质表面积和传质推动力。3.2外部扩散过程RSd=kLa(Cso-Csi)式中：kL----液膜传质系数a-----传质比表面积Cso

---液体主体中的底物浓度Csi—固定化酶表面处底物浓度反应速率3.2.1外扩散速率对酶反应速率的限制效应微环境宏观环境cS0cSicSg底物由主体向固定化酶颗粒表面的扩散速率RSd正比于传质表面积75反应的总过程为外部传递和表面反应两者的集中反映，反应的有效速率既与底物的传质系数有关，又与反应的动力学参数有关vmax和Km。动力学控制：传质速度相当快，反应主要受到酶的催化反应影响。外扩散控制：酶的催化效率很高，底物的传质速率很慢。介于上述两种情况之间反应的总过程为外部传递和表面反应两者的集中反映，反应的有效速76Rsi总是接近于动力学反应速度和扩散速度两者中比较小的那个。Rsi总是接近于动力学反应速度和扩散速度两者中比较小的那个。77当达到稳定状态时：当达到稳定状态时：78α>0,取“+”，反之取“-”，根据即可确定表面浓度!确定了表面浓度后即可确定宏观反应速率Rsiα>0,取“+”，反之取“-”，根据即可确定表面浓度!确定了791.Da<<1时，动力学控制；2.Da>>1时，扩散传貭控制。1.Da<<1时，动力学控制；80反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件81化工上引用效率因子来描述固体催化剂颗粒催化反应进行的有效程度，固定化酶为固体催化剂，效率因子定义为：化工上引用效率因子来描述固体催化剂颗粒催化反应进行的有效程度82反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件83反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件84反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件85ηE=？β=？Da=？Km=？rmax=?ηE=？86反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件873.2.2外扩散限制与化学抑制同时存在的动力学3.2.2外扩散限制与化学抑制同时存在的动力学88反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件89反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件90反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件913.3内部扩散过程3.3.1载体的结构参数与微孔内的扩散（1）载体结构参数比表面积Sg微孔半径孔隙率εp颗粒当量直径颗粒密度3.3.1载体的结构参数与微孔内的扩散（1）载体结构参数92分子扩散：扩散阻力主要来自于分子间的碰撞努森扩散：扩散阻力主要来自于分子与孔壁间的碰撞，常发生在微孔直径较小的情况。属于哪一种扩散机理，与分子运动的平均自由程λ和微孔的直径r有关，当λ/2r≤10-2，为分子扩散限制；λ/2r≥10，努森扩散。（2）液体在微孔内的扩散分子扩散：扩散阻力主要来自于分子间的碰撞（2）液体在微孔内的932r2r2r2r94Fick定律（描述微孔内液体分子扩散速率）：De—有效扩散系数D—分子扩散系数εp—固定化酶颗粒的孔隙率，其值为0~1τp—曲节因子，其值为1.4~7H-位阻因子，其值为0~1，H=f（r）r=溶液分子半径与微孔半径之比，当微孔半径比溶液溶液分子半径大得多的时候，H近似为1。Fick定律（描述微孔内液体分子扩散速率）：De—有效扩散系953.3.2颗粒内的浓度分布与有效因子（1）颗粒内的浓度分布3.3.2颗粒内的浓度分布与有效因子（1）颗粒内的浓度分布96OrCsOrCs97在稳定状态下，球形固定化酶颗粒内的实际有效反应速率应等于从颗粒外表面向微孔内的扩散速率，即：颗粒内无浓度梯度影响时的反应速率：（2）内扩散效率因子在稳定状态下，球形固定化酶颗粒内的实际有效反应速率应等于从颗98（3）一级反应动力学内扩散有效因子（3）一级反应动力学内扩散有效因子99反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件100反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件101反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件102反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件103反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件104（4）零级反应动力学内扩散有效因子（4）零级反应动力学内扩散有效因子105反应工程第三章固定化酶反应过程动力学课件106上述方程是当Cs>0时才是正确的。通过上式可求出当Cs＝0时的临界半径RC值。当Cs＝0时，上式变为：上述方程是当Cs>0时才是正确的。通过上式可求出当Cs＝0时107反应