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生化工程第三章固定化酶反应动力学第1页,课件共36页,创作于2023年2月ImmobilizedEnzymeSystemsDefinitionTherestrictionofenzymemobilityinafixedspaceisknownasenzymeimmobilization.Ingeneral,immobilizedenzymesareenzymesthatareattachedto,orentrappedwithin,amacro-scopicsupportmatrixsothattheresultingcatalystcanbereused.TwooppositeconceptImmobilizedenzymeFreeenzyme第2页,课件共36页,创作于2023年2月§3.1AdvantagesofImmobilizedEnzymesAdvantages:Enzymereutilization:catalystreuse;Eliminationofenzymerecoveryandpurificationprocesses:productpurity,whileeffluenthandlingproblems
;Provideabetterenvironmentforenzymeactivity;Disadvantages:Increasethediffusionresistance,sodecreasesthereactionrate.第3页,课件共36页,创作于2023年2月§3.2ApplicationsofImmobilizedEnzymesImmobilizedenzymeareemployedinmanyfields.Analyticaldevices:Forexample:inimmobilizedenzymeelectrodesforthedetectionofvariouschemicalsubstances.Ascatalystinindustrialprocesses:Among2000typesofenzymesfound,only50~60havebeenappliedinindustry,mostofwhichareextracellularenzymes.第4页,课件共36页,创作于2023年2月§3.3MethodsofImmobilizationImmobilizedSolubleEnzymesMembrane-EntrappedBetweenMacroscopicMembranesMicro-EncapsulatedCovalently-BoundToSupportToEnzymeEntrappedBoundAdsorbed(PhysicalorIonic)Matrix-Entrapped第5页,课件共36页,创作于2023年2月Entrapment:Thephysicalenclosureofenzymesinasmallspace.Ploymericmaterials:Ca-alginate,agar,ĸ-carrageenin, polyacrylamide,collagen;Solidmatrices:activatedcarbon,porousceramic, diatomaceousearth.MatrixentrapmentMatricesusedforenzymeimmobilizationareusually:Whenimmobilizedinapolymermatrix,enzymesolutionismixedwithpolymersolutionbeforepolymerizationtakesplace.第6页,课件共36页,创作于2023年2月MembraneentrapmentMembrane:nylon,cellulose,polysulfone,polyacrylate.
Inallcases,asemi-permeablemembrane isusedtoretainhigh-MWcompounds(enzyme)whileallowingsmall-MWcompounds(substratesorproducts)accesstotheenzyme.Inthistechnique,microscopichollowspheresareformed.Thespherescontaintheenzymesolution,whilethesphereisenclosedwithaporousmembrane.Microencapsulation:aspecialformofmem-braneentrapment.第7页,课件共36页,创作于2023年2月Problems:Leakageofenzymesintosolution:Considerablediffusionalresistanceemerges:Reducingtheparticlesizeofthematricesand/orcapsules;Reductionofenzymeactivityandstability:Alittledifficulttohandle.Lackofcontrolofthemicroenvironment:Altertheunfavorablemicroenvironmentalconditions;ReducingtheMWcutoffofmembranesortheporesizeofsolidmatrices;第8页,课件共36页,创作于2023年2月Bound:Inorganicmaterials:alumina,silica,porousglass, ceramics,diatomaceousearth;Organicmaterials:cellulose(CMC,DEAE-cellulose), starch,activatedcarbon,ion- exchangeresin(Amberlite, Sephadex,Dowex).AdsorptionAphysicalattachmentofenzymeonthesurfacesofsupportparticlesbyweakphysicalforces:vanderWaals.Supportmaterials:第9页,课件共36页,创作于2023年2月Desorptionisquitcommonbecausethebindingforcesaresoweek,especiallyinthepresenceofstronghydrodynamicforces.Advantages:Normally,activesiteisnotaffected,nearlyallactivityisretainedafterimmobilization.Disadvantages:第10页,课件共36页,创作于2023年2月CovalentBindingItistheretentionofenzymesonsupportsurfacesbycovalentbondformation,viacertainfunctionalgroups,suchasamino,carboxyl,hydroxyl,and–SHgroup.Thefunctionalgroupsmustnotbetheactivesites.Cross-LinkingTheenzymemoleculescanalsocross-linkwitheachother.Butthismaycausesignificantchangesintheactivesiteofenzymes,andalsoseverediffusionlimitationsmayresult.第11页,课件共36页,创作于2023年2月SUMMARYThemostsuitablesupportmaterialandimmobilizationmethodvarydependingontheenzymeandparticularapplication.Thenhowtoselectsupportmaterials?Bindingcapacity,whichisafunctionofchargedensity,functionalgroups,porosity,andhydrophobicity;Stabilityandretentionoftheenzymeactivity,whichisafunctionoffunctionalgroupsonsupportmaterialandmicroenvironmentalconditions.第12页,课件共36页,创作于2023年2月Howtoselectmethodofimmobilization?第13页,课件共36页,创作于2023年2月CharacteristicCarrierBindingMethodsCross-linkingMethodEntrappingMethodPhysicaladsorptionIonicBindingCovalentBindingPreparationEasyEasyDifficultDifficultDifficultEnzymeActivityLowHighHighModerateHighSubstrateSpecificityUnchangeableUnchangeableChangeableChangeableUnchangeableBindingForceWeakModerateStrongStrongStrongRegenerationPossiblePossibleImpossibleImpossibleImpossibleGeneralApplicationLowModerateModerateLowHighCostofImmobilizationLowLowHighModerateLowTable:ComparisonoftheCharacteristicsofDifferentMethodsofEnzymeImmobilization第14页,课件共36页,创作于2023年2月§3.4ImmobilizedEnzymeKineticsBioreactorkineticsIntrinsickinetics(本征反应动力学)Masstransferofsubstrateandproduct第15页,课件共36页,创作于2023年2月IllustrationofMassTransportandChemicalReactionInteractionsinaSymmetricSlabofImmobilizedEnzyme.PHENOMENAPARAMETERSBulkFluidStagnantFilmorBoundaryLayerImmobilizedEnzymeSlabSurfaceofimmobilizedenzymeBulksolutionMasstransfercoefficient(kS,kP)Effectivediffusioncoefficient(DES,DEP)CONCENTRATIONPROFILECatalystthickness2LSubstratediffusionintopermeablecatalyst第16页,课件共36页,创作于2023年2月3.4.1DiffusionEffectsinSurface-BoundEnzymesonNonporousSupportMaterialsNon-porousSolidSupportFilmthicknessThefluxmass-transferrateJS
(mol/L·s)ofthesubstratefromthebulkfluidtotheinterface,Atsteadystate,thesubstratecannotaccumulateatthecatalystinterface,DefinetheDamkohlernumber:[Ss][Sb]bulksubstrateconcentration[SS]substrateconcentrationatsurfaceLiquidvolumetrictransfercoefficient第17页,课件共36页,创作于2023年2月Discussions:WhenDa»1,thesystemisstronglymasstransferlimited,Thesystembehaveasapseudo-firstorder.WhenDa«1,thesystemisreactionlimited,SbJSorvJSvR第18页,课件共36页,创作于2023年2月WhenDa≈1,wedefinethefollowingdimensionlessvariables,then,fromeq.Wecaneasilysolveout,第19页,课件共36页,创作于2023年2月Formoregeneralcases,namely,thediffusionresistanceandthereactionratearecomparable,analyticalsolutioncannoteasilybesolvedout,soweonlyhavetoturntosolvedgraphicallyorfindnumericalsolutions.Atlast,withthesubstrateconcentrationatsurface(SS),wecansolveoutthemacroscopicreactionratebymass-transferequationorintrinsickineticequation(本征动力学方程).第20页,课件共36页,创作于2023年2月SSJSorvvSlope=kLaJSSolutionforSbGraphicalsolutionforreactionrateforenzymeimmobilizedonanonporouscatalyst第21页,课件共36页,创作于2023年2月例3-1某酶固定在无微孔球形基质上,其本征动力学参数为Vmax=4X10-5mol/(LS),Km=2X10-5mol/L.[Sb]=1X10-5mol/L,kLa=0.4s-1,求[SS]和底物在固定化酶外表面上的反应速率?解题思路:这是一个外扩散限制下的固定化酶动力学问题,当体系达到平衡时,外扩散速率与球体表面上的本征反应速率一致,因此,将已知条件代入得:变换为一元二次方程后求解得:[SS]=0.18x10-5mol/L所以vsurface=kLax([Sb]-[SS])=0.4x(1-0.18)x10-5 =0.328x10-5mol/(Ls)第22页,课件共36页,创作于2023年2月3.4.2DiffusionEffectsinEnzymesimmobilizedinAPorousMatrixTheenzymesareimmobilizedinapermeablecatalyticpellet.Thesubstratediffusesthroughthetortuouspathwayamongporesandreactswithenzymeimmobilizedonporesurface.Bulkandsurfaceconcentrationarethesame,assumingenzymeisimmobilizedwithapelletthathasapproximatelysphericalshape.第23页,课件共36页,创作于2023年2月(I).ConcentrationdistributioninAPorousMatrixrr+ΔrRFick’smassdiffusionlawWhere,JSismassdiffusionrateofsubstrate, DeiseffectivediffusivityofsubstratewithintheporousmatrixMassdiffusion第24页,课件共36页,创作于2023年2月MassBalancefor
TheShellAccumulationinsidethevolumeAmountenterthevolumeAmountexitthevolumeConsumedinsidethevolume=--AtsteadystateRearrange,rr+ΔrR第25页,课件共36页,创作于2023年2月TakelimitasΔr→0Also,fortheM-Mmodel,Rearrange,第26页,课件共36页,创作于2023年2月Withboundaryconditions:LetwhereφiscalledThielemodulus.Thenthepreviousdifferentialequationcanbewrittenaswithdimensionlessboundaryconditions:第27页,课件共36页,创作于2023年2月Solutions:Thereactionrateisnotaffectedbythesubstrateconcentration:Let,Integrationgives,whereC1andC2areintegrationconstants.Zero-orderreactionrate,when第28页,课件共36页,创作于2023年2月WhenS=0,wecangetthecriticalradius,Namely,Withtheboundaryconditionswecansolveout,第29页,课件共36页,创作于2023年2月First-orderreactionrate,whenwhereφ1iscalledThielemodulus.第30页,课件共36页,创作于2023年2月(II).ThielemodulusForaspherical
porousmatrix,first-orderreactionrate,DefinitionofThielemodulusIt’sameasureoftheextentofinternaldiffusionresistancesThielemoduluscalculation第31页,课件共36页,创作于2023年2月Wheninternaldiffusionlimitstheenzymaticreactionrate,therateconstantandvaluesarenottrueintrinsicrateconstants,butapparentones.Toobtaintrue
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