《固定化酶反》PPT课件

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1、第三章固定化酶反应动力学酶的固定化外扩散对固定化酶反应动力学的影响内扩散对固定化酶反应动力学的影响扩散影响下的动力学假象3.1酶的固定化背景酶的固定化方法影响固定化酶活力的因素固定化对酶动力学特征的影响3.1.1背景游离酶参与反应的缺点：1）稳定性差、液相中含量少，2）反应结束后不易回收、3）酶、底物和产物处于同一相，对产物分离不利固定化酶：即水不溶性酶，是通过物理的或化学的方法，将溶液酶转变为在一定的空间内其运动受到完全约束，或受到局部约束的一种不溶于水但仍具有催化活性的酶，它能以固相状态作用于底物进行催化反应

2、其优点：可以长期保留在反应器内反复使用，易实现连续化生产；反应结束后易与产物分离，简化了产物分离工艺，其大多数固定化酶稳定性也比游离酶好缺点：活力会下降，反应易受传质速率的控制，对大分子底物、产物不适用研究历史：1916年，Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被吸附到骨碳粉末上，并在吸附状态下具有催化活性；以后以色列科学家对酶的固定化方法、固定化的理化性质等进行了开创性的研究，1969年日本的千叶一郎将固定化氨基酸酰化酶应用于DL－氨基酸的拆分上，1971年国际酶工程会议给出了固定化酶的定义。3.1.2酶

3、的固定化方法载体结合法交联法包埋法物理结合法离子结合法共价结合法凝胶包埋微胶囊包埋纤维素包埋影响固定化酶催化活力的因素构象效应：由于载体与酶之产的共价键作用，引起酶的活性部位发生扭曲变形，改变了酶活性部位的三维空间结构，减弱了酶与底物的结合力，导致酶的活性下降。位阻效应：由于载体选择不当或载体空隙太小，致使酶的活性部位不易与底物结合，对酶的活性部位造成了空间障碍。分配效应：由于固定化酶载体的亲水性、疏水性及静电作用等，使得底物和产物及其效应物在微环境和宏观环境中浓度不同的现象。扩散效应：底物、产物和效应物的迁移和

4、运转速率受到限制的一种效应。酶的固定化对其动力学特征的影响原因：由于酶的活性中心的氨基酸残基的空间结构和电荷状态发生了变化，或者固定化酶的周围形成了能对底物传递产生影响的扩散层或静电的相互作用等。对底物专一性的改变稳定性的改变最适pH值和温度的改变米氏常数的改变3.2外扩散的限制作用特点液固相间的传质速率外扩散的限制作用外扩散有效因子3.2.1外扩散的特点酶促反应过程与传质过程是各自独立的底物先从液相主体扩散到固定化酶的外表面发生反应产物从固定化酶的外表面扩散进入液相主体3.2.2液固相间的传质速率由于搅拌，反应

5、体系中的液相主体的底物浓度处处相同，假定为S0，底物在颗粒表面因反应而消耗，同时由于液体的粘性，在固液表面附近产生一个滞流层，而固体表面液体流速率为0，因而在滞流层产生浓度梯度，进而导致物质的传递，且传质阻力全部集中在滞流层。根据Fick第一定律，得液固相间的传质速率为其中Ds为底物在液相中的分子扩散系数，m2/sa为固定化酶的比表面积，m-1S0SiRR+δ3.2.3外扩散的限制作用固定化酶外表面的反应速率可表示为当化学反应速率和传质速率相差不大时，体系在稳态条件下，有下式成立，传质速率＝化学反应速率，即：求解

6、此方程，得出无因次化处理，令解之得：，当B>0时取+号；当B<0时，取-号，其中。这里，Da准数是对反应控制步骤时行描述的一个重要的无因次数群，其物理意义为，因此当Da>>1（50）时，此时固定化酶反应的控制步骤为传质，此时Si=0,RSi=KLaS0，反之，当Da<<1(0.1)，此时固定化酶反应的控制步骤为动力学（化学反应速率），即Si=S0，，称为最大本征反应速率。3.2.4外扩散有效因子，根据此定义式知：因此可以根据判断外扩散的影响。因此在利用固定化酶进行反应时，总是希望尽可能接近1，此时应控制反应条件，

7、使Da准数尽可能地小，由知，可以通过降低固定化酶颗粒的粒径，提高液体的流速及适当增加液相主体的底物浓度来使Da减小。的关系由图中可以看出：当底物浓度增加而Da不变时，随着底物浓度的增加，增加，即增加底物浓度，可以克服外扩散的影响，当底物浓度不变时，Da增加，减少，且当Da<0.1时，接近1。可观测丹克莱尔准数（）令，当传质速率和反应速率相差不大时，在稳定状态下有下式成立，，因此得到，从此式中可以看出：当时，，外扩散影响可忽略，当时，，外扩散影响明显。怎样识别外扩散的影响？3.3内扩散的限制作用特点液体在微孔内的扩

8、散速率微孔内反应与扩散的关系式内扩散有效因子表观泰勒模数3.3.1内扩散的特点对于多孔的固定化酶颗粒或膜，具有催化作用的部位基本上是在微孔的内表面，因此扩散过程和反应过程是同时发生的。在微孔内，由于内扩散阻力的存在，反应组分在微孔内的浓度分布是不均匀的，对于底物，其浓度在固定化酶外表面处最高，在颗粒或膜中心处最低，形成了由表及里浓度逐渐降低的分布，由于反应和扩散同时进行，