生物反应工程原理第二章

生物反应工程原理第二章第1页，共34页，2023年，2月20日，星期六一般的多底物酶促反应可表示为：这里讨论：双底物双产物情况第2页，共34页，2023年，2月20日，星期六反应机制：关键问题：底物A、B哪个先和酶结合？任何一个都有可能先与酶结合（随机机制）

A先与酶结合或B先与酶结合两底物同时与酶结合（可能性极小）第3页，共34页，2023年，2月20日，星期六随机机制（分支机制）EEBEAEABEPQEPEQE第4页，共34页，2023年，2月20日，星期六（不形成三元复合物）反应模型EAE＋A－A－P＋P＋B－BEQ－Q＋QEEG

（EG：修饰过的酶）第5页，共34页，2023年，2月20日，星期六简单机制EEAEAB＋A－A＋B－BEPQ－Q＋QEPE－P＋P第6页，共34页，2023年，2月20日，星期六双底物酶促反应动力学

反应机理：第7页，共34页，2023年，2月20日，星期六第8页，共34页，2023年，2月20日，星期六解之，得式中：第9页，共34页，2023年，2月20日，星期六2.3固定化酶促反应动力学2.3.1固定化酶促反应动力学基础

2.3.1.1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，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。细胞的固定化技术: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细胞、动植物细胞、组织技术。第10页，共34页，2023年，2月20日，星期六

物理吸附法载体结合法离子结合法共价结合法交联法格子型包埋法微胶囊2.3.1.2酶和细胞固定化方法第11页，共34页，2023年，2月20日，星期六交联法EOEEOOOE第12页，共34页，2023年，2月20日，星期六2.3.1.3固定化对酶性质的影响底物专一性的改变稳定性增强最适pH值和最适温度变化动力学参数的变化第13页，共34页，2023年，2月20日，星期六2.3.1.4影响固定化酶促反应的主要因素

分子构象的改变位阻效应微扰效应分配效应（可用Kp定量描述）链接扩散效应

（可定量描述）第14页，共34页，2023年，2月20日，星期六分配系数(Kp)链接

分配系数：载体内外底物(或其他物质)浓度之比。

Kp的测定：已知底物浓度(CS0

)，体积(V0)的溶液中，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(Cs)。第15页，共34页，2023年，2月20日，星期六2.3.2固定化酶促反应过程分析2.3.2.1外部扩散过程以表面固定化酶为例。CSCSS第16页，共34页，2023年，2月20日，星期六外扩散过程分析外扩散速率：

达到平衡时，即

酶促反应速率：

第17页，共34页，2023年，2月20日，星期六N,rrmaxNmax0CSSCS(CSS，rout)NmaxN，rrmax0

CSSCS(CSS，rout)第18页，共34页，2023年，2月20日，星期六Da准数:当时，过程为外扩散控制。当时，过程为反应控制。第19页，共34页，2023年，2月20日，星期六式中:表明C*为Da准数的函数，即第20页，共34页，2023年，2月20日，星期六(时,)表明为C*的函数，即第21页，共34页，2023年，2月20日，星期六

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。第22页，共34页，2023年，2月20日，星期六

为提高固定化酶外扩散效率,应设法减小Da准数。减小Da准数的措施：

1、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表面积，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。

2、使固定化酶表面流体处于湍流状态以增大。第23页，共34页，2023年，2月20日，星期六2.3.2.2内部扩散过程具有大量内孔的球形固定化酶颗粒Rdrr内扩散效率因子第24页，共34页，2023年，2月20日，星期六稳定状态下，对底物进行物料衡算：

流入量－流出量＝反应量第25页，共34页，2023年，2月20日，星期六整理,得两侧同除

,得第26页，共34页，2023年，2月20日，星期六当反应符合米氏方程规律时，故,令,,,上式可转化为无因次形式，得第27页，共34页，2023年，2月20日，星期六边界条件:,,该微分方程无解析解，只能用数值法求解。第28页，共34页，2023年，2月20日，星期六西勒准数()

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，普遍化的的定义式为:第29页，共34页，2023年，2月20日，星期六引入无因次参数，则无解析解，只有数值解。

第30页，共34页，2023年，2月20日，星期六见教材33页图2-10

内扩散效率因子in

是和的函数。对in影响不大，影响in的主要参数是西勒准数。如果，则不随变化，近似等于1，也就是说没有内部传质阻力，若，则，反应为内扩散所限制。第31页，共34页，2023年，2月20日，星期六

为提高固定化酶内扩散效率，应设法减小。减小的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。第32页，共34页，2023年，2月20日，星期六外扩散过程内扩散过程Da准数是决定外扩散效率的唯一参数。准数是决定内扩散效率的主要参数。Da准数定义：西勒准数定义：外扩散效率