第3章 固定化酶催化反应过程动力学

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1、生物反应工程习题精解第三章固定化酶催化反应过程动力学第3章固定化酶催化反应过程动力学一、基本内容：酶的固定化是为了解决游离酶分子在催化反应过程中不易回收、稳定性差、操作成本太高而采用的一种方法。酶固定化后必然会对其催化反应动力学有一定的影响。因此，本章主要分析来阐明固定化酶与游离酶催化反应动力学的区别，并对重要的扩散效应进行了详尽的研究。1、固定化酶是通过物理或化学方法，将游离酶转变成为在一定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，但仍具有活性的酶。主要优点有：易于分离、可反复使用、增加稳定性、提高机械强度、便于生产连续化和

2、自动化、降低酶催化反应操作成本等。2、酶的固定化方法有：吸附法、包埋法、共价法、交联法。每种固定化方法均有利有弊，要根据实际情况进行选择。3、影响固定化酶动力学的因素有：空间效应（包括构象效应和位阻效应）、分配效应（包括亲水效应、疏水效应和静电效应）和扩散效应（包括外扩散效应和内扩散效应）。不同因素对酶动力学影响结果见下图：游离酶固定化酶空间效应本征速率和动力学参数改变的本征速率和动力学参数分配效应固有速率和动力学参数扩散效应宏观速率和动力学参数4、固定化酶催化反应外扩散效应。固定化酶与溶液中底物反应过程包括三步：（1）底物从液相主体扩散到

3、固定化酶表面；（2）底物在固定化酶表面进行反应；（3）产物从固定化酶表面扩散到液相主体。其中酶催化反应速率可由M－M方rCmaxSi程表示R=；底物由液相扩散到催化剂表面速率可表示为SiKC+mSirCmaxSiR=ka(C−C)。在稳态时，应存在R=R，即ka()C−=C。SdLS0SiSiSdLS0SiKC+mSi5、固定化酶催化反应外扩散效应影响下反应速率的求解。主要包括两个方面：由表面浓度CSi求解和由有效因子η求解。E（1）表面浓度CSi求解。由式12生物反应工程习题精解第三章固定化酶催化反应过程动力学rCrCmaxSimaxSi

4、ka()CC−=⇒CC−=LS00SiSSiKC++kaKCmSiLmSiCKrSimmax引入CK＝，＝，定义Da=SCCkaCSS00LS0C2S可得：10−⇒CC＝Da+（＋KDa-1）＝C−KSSSKC+S2−±aa+4K解一元二次方程可得：Ca＝，其中=K＋Da-1S2当a>0时，取“＋”号，当a<0时，取“-”号。（2）有效因子η求解。E有外扩散影响时的实际反应速率RSi由定义可知：η==E无扩散影响时的反应速率RS0因此，RR=ηSiS0E6、固定化酶催化反应外扩散效应影响的判断依据。主要有两个：Da和η。Er最大反应速率ma

5、x（1）Da＝＝，为丹克莱尔准数，无因次量kaC最大传质速率LS0当Da!1时，反应速率远快于传质速率，为扩散控制；当Da"1时，反应速率远慢于传质速率，为动力学控制。（2）当η＝1时，不存在外扩散影响，为动力学控制；E当η<1时，存在外扩散影响,宏观反应速率变慢；E当η"1时，完全为扩散控制。E7、改变固定化酶催化反应外扩散效应影响的方法。主要从Da考虑，提高底物浓度和体积传质系数（提高搅拌速度或提高反应流速）可增加Da，减少外扩散的影响；降低固定化最大反应速率也可以减少外扩散的影响。反之亦反。RSi8、表观丹克莱尔准数Da＝的引入，避免

6、了本征动力学参数求取的不便，kaCLS0通过作图可获取外扩散有效因子。9、化学抑制与扩散的负协同效应是指随着外扩散限制程度的增大，化学抑制的程度相对减小，外扩散的限制作用在一定程度上掩盖了化学抑制的影响。10、固定化酶的内扩散阻力主要来自于微孔内的阻力，其大小与固定化酶内部的13生物反应工程习题精解第三章固定化酶催化反应过程动力学物理结构参数、反应物系的性质等因素有关。11、由于内扩散阻力的影响，反应组分在固定化酶内的浓度分布是不均匀的。因此有必要对固定化酶内底物浓度进行计算。计算每一点的浓度，需要进行物料衡算：进入－离开＋生成－消耗＝积累

7、。对于酶反应时，积累项为零；对于底物222衡算时，生成项为零。因此可得：NNii44ππrr−+(∆r)=4πri∆rirrr+∆rS22NNiirr−+()∆r1rr+∆r变换可得：i=r2S∆rr2d(-Nir)1当∆→rr0时，可变换成：i=2SdrrdCS2d(Diir)dCdr1S代入N=-Dii，可得：=r2Sdrdrr22dCdCrSSS即：i+=2rdrdrD此时，对此微分方程需要根据不同酶动力学特征进行求解。rmax当酶反应动力学方程为一级反应动力学时，r=C，可解得：SSKmrRsinh(3φ)RRrmaxCC=，其中φ

8、＝。SS0rKsinh(3φ)3iDm当酶反应动力学方程为零级反应动力学时，r=r，可解得：SmaxrDmax226iCS0CC=+()r−R，其中存在有最大颗粒半径R＝。SS0