第5章 动力学相关问题三(固定化动力学)

第5章

动力学相关问题（三）固定化动力学第一节固定化生物催化剂概论

酶固定化的意义酶固定化的方法影响固定化酶反应动力学的因素

均相酶反应系统的缺点酶随产物排出，无法重复使用；增加产物纯化难度；不稳定，易变性失活

一、什么是固定化酶？通过物理或化学的方法使溶液酶结合在不溶于水的载体上，或被限制在有限空间内，能与反应液分离，保留在反应器内或能够被回收并反复利用，不溶于水但仍具有酶活力的酶固定化酶的优点容易从反应体系中分离可以重复使用机械强度和稳定性增加便于连续化、自动化生产固定化技术的发展固定化酶固定化细胞1916年Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被骨炭粉末吸附并在吸附状态下仍具有催化活性，后来科学家开始了固定化酶的研究工作。首例工业化应用固定化酶是1969年由Chibata及其同事在日本TanakeSciyaku公司实现的，他们将米曲酶（Aspergillusoryzae）的氨基酰化酶固定后用于拆分合成的外消旋DL-氨基酸，得到相应的旋光性的对映体。

二酶的固定化方法1.酶的固定化（immobilizationofenzyme)把原来游离的水溶性酶，设法限制或固定于某局部的空间或固体载体上。优点：不溶于水，易于与产物分离；可反复使用；可连续化生产；稳定性好。缺点： 固定化过程中往往会引起酶的失活。固定化方法1.载体结合法物理吸附法共价键法离子键法1）物理吸附法活性炭、硅胶、硅藻土、陶瓷。酶活收率高结合力弱，易脱落简便易行操作流程：将酶溶液溶解于缓冲液中，加入载体，振荡或者搅拌一定时间后，抽滤、洗涤、冷冻干燥，得到固定化酶。2）共价键法利用氨基、羟基、胍基、咪唑基等反应活性高的未结合基团。易失活、酶活收率低结合牢固3）离子键法离子静电引力离子交换树脂操作简单酶活收率高结合力弱，易脱离2.交联法酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反应戊二醛特点不需要载体反应剧烈，酶活收率低结合牢固3.包埋法将酶包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内聚丙烯酰胺凝胶、海藻酸钙、琼脂。特点包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的酶的固定化酶活收率高制备成本高固定化方法比较固定化酶的应用固定化酶的性质：游离的酶固定化后会引起的酶性质的改变

一般认为其原因可能有下列几种：分子构象的改变和屏蔽效应微环境的影响(温度、pH….)

底物在载体和溶液间存在着分配效应扩散效应1.酶构象改变和位阻效应2.分配效应分配系数K=Csg/Csi3.扩散效应外扩散内扩散研究方法建立包括传质速率和酶的催化反应速率在内的反应速率方程外扩散内扩散内外扩散同时存在第二节

外扩散对反应速率的限制效应一、外扩散传质速率研究对象的简化理论模型Fick定律二、宏观反应速率的求解外表面扩散速率（Fick定律）外表面反应速率动力学控制外扩散控制求取过程若则：引入无量纲：定义：Damkohler（丹克莱尔）准数（a）丹克莱尔准数的物理意义物理意义：Da>>1

扩散速率大大小于反应速率，过程为外扩散速率控制有csi≈0；Da<<1

反应速率大大小于扩散速率，过程为反应速率控制有csi＝cs0;三、外扩散有效因子当ηE＜1，表示扩散阻力在一定程度上限制了反应本征速率；当ηE＜＜1，表示扩散阻力在完全控制了反应本征速率；即外扩散控制ηE与Da的关系令由定义可得：（b）ηE与Da的关系当Da>>1，外扩散控制，（b）由（a）（b)可得：当Da<<1，反应动力学控制，表观动力学参数有扩散限制的表观反应速率为：Hornby等Schuler等Kobayashi等上式看出：Km*包含了本征动力学参数rmax和Km和传质系数KLa，并且存在Km*＞Km的关系。消除外扩散影响有扩散限制的表观反应速率为：KL的计算比较困难，常用经验关联式来确定：如(Ranz-Marshall)：若要减少外扩散阻力，主要途径是提高流体流速，进而提高传质系数KL,以增加外扩散传质速率和颗粒外表面的底物浓度。第三节

扩散对反应速率的

限制效应内扩散过程的特点一、载体的结构参数外表面积AP、比表面积Sp平均微孔直径r颗粒体积VP、孔隙体积Vg孔隙率微孔内的扩散机理流体扩散时，其在微孔内收到的扩散阻力来自于两方面：1.来自于分子间的扩散（Fick定律）2.另一种来自于分子与孔壁间的碰撞，称为努森（Knudson）扩散对液体主要为分子扩散：有效扩散系数扩散系数曲节因子（微孔内实际距离与最短距离之比）颗粒孔隙率位阻因子（微孔内最大与最小截面积之比）分子运动的平均自由程微孔直径微孔内的扩散有效扩散系数扩散系数曲节因子表示内部的微孔是曲折的颗粒孔隙率位阻因子表示微孔的截面积是变化的对固定化酶凝胶，De/D≈0.5－0.8；对微胶囊固定化酶，由于胶囊内为液相，则：De＝D;对于固定化细胞，De＝f（φc，Dc）De0De值可通过试验方法进行确定，提高De值的主要方法是增加颗粒孔隙率和微孔半径。二、微孔内的浓度分布

（球状固定化酶）简化假设载体和酶均匀分布等温、等De不考虑酶的失活扩散传质浓度是半径的函数S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

边界条件：r＝R，cs=csir=0,dcs/dr=01.M-M方程引入：无解析解，只有数值解边界条件：同一处，随着φ值增加，底物浓度在减少；当时，当时，为最低值。（c）（c）内扩散有效因子球形固定化酶

梯勒（Thiele）模数Φ定义式物理意义:φ值的大小反映了以固定化颗粒外表面浓度为基准的反应速率与其内扩散速率的相对大小。Φ值越大，表示内扩散相对于反应速率慢，内扩散阻力和对反应速率的限制程度越大，有效因子η越小；反之，φ越小，内扩散阻力对反应速率的限制程度越小，有效因子η则越大。（c）影响内扩散大小的因素颗粒粒度当固定化颗粒粒度增大，则φ值增加，η值下降；反之，η值增加，φ值下降。这表明：减少固定化颗粒尺寸有助于改善颗粒内的扩散状况。对大型工业反应器，采用小颗粒的固定化催化剂，虽能减少内扩散阻力，但会导致流体通过床层的压力降增大，会带来不利影响。实际生产中，允许存在一定程度的内扩散限制。颗粒活性当单位体积固定化颗粒负载的生物催化剂活性很高时，表示底物的反应速率会很大，此时扩散速率的限制效应会明显增大。实际生产中，允许存在一定程度的内扩散限制。影响内扩散大小的因素颗粒孔隙率和孔径因微孔内的扩散系数De与颗粒的孔隙率和孔径均成正比，因此，孔隙率较高或微孔孔径较大的固定化生物催化剂进行催化时，φ值减小，η值增大。反应温度当提高反应温度，反应速率和扩散速率均有所提高。但由于反应活化能远高于扩散活化能，将导致反应速率增加较快，扩散速率增加较慢，致使内扩散速率对反应速率的限制程度增加，φ值增大，η值减少。但对生物反应，反应温度一般不高，这种限制效应不明显。表观梯勒（Thiele）模数Φ（Weisz’s模数）定义式RS为存在内扩散实测的表观反应速率；CSi为颗粒外表面浓度，无外扩散时Csi=CS0对M-M反应：球形颗粒为例：表观梯勒（Thiele）模数Φ（Weisz’s模数）对于值，存在以下规律：当内扩散影响明显Weisz’s判据第四节内外扩散同时存在时的限制效应当两种阻力同时存在并同时影响反应过程的速率，为例描述扩散因素对反应过程的总体影响，提出了总有效因子，也称综合有效因子。总有效因子的推导传质速率＝以外表面底物浓度为基准的反应速率以外表面底物浓度为基准的反应速率＝以主体溶液底物浓度为基准的反应速率当无内扩散影响时：当无外扩散影响时：（d）引入Biot准数当Bi∞外扩散阻力忽略当Bi0内扩散阻力忽略（d）倒数形式：第五节

扩散影响下的表观动力学特性一、对反应速率与浓度关系的影响二、对反应级数的影响任意n级反应