生物反应工程原理第二章

外扩散过程
Da准数是决定外扩散 效率的唯一参数。 Da准数定义： 外扩散效率因子定义：
内扩散过程
准数是决定内扩散 效率的主要参数。 西勒准数定义： 内扩散效率因子定义：
Da<<1，过程为反应控制； <<0.3时，过程为反应控 Da>>1，过程为外扩散控 制； >>0.3时，过程为内 制 扩散控制。
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。
CSS
CS
外扩散过程分析 外扩散速率：
酶促反应速率： 达到平衡时，
即
N, r
rmax
Nmax
N ，r Nmax
(CSS ，rout)
0 CSS CS
(CSS ， rout)
rmax
0 CSS CS
Da准数 :
2.3.1.2 酶和细胞固定化方法
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
交联法
O O E O E E O E
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
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）
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)。
＋A
E
－P
－A
EA
＋P
EG
＋B －B
－Q
EQ
＋Q
E
（ EG：修饰过的酶 ）
简单机制
＋A ＋B
－Q
－P
E
－A
EA
－B
EAB
EPQ
＋Q
EP
＋P
E
双底物酶促反应动力学
反应机理：
解之，得
式中：
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。
具有大量内孔的球形固定化酶颗粒 dr r
内扩散效率因子
R
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稳定状态下，对底物进行物料衡算：
流入量－流出量＝反应量
整理,得
两侧同除
,得
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
边界条件:
, ,
该微分方程无解析解，只能用数值法求解。
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 :
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
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）
随机机制（分支机制）
EB E EA EAB EP Q EQ
EP E
（不形成三元复合物）反应模型
当 时， 过程为外扩散控制。 当 时， 过程为反应控制。
式中:
表明C*为Da准数的函数，即
(
时,
)
表明
为C*的函数，即
可见，Da准数是决定效率因子 的基本准数。
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
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
作业
P50 9， 12，13
表面浓度越趋近于零，
越小，越趋近于零。
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 。
2.3.2.2 内部扩散过程
引入无因次参数，则
无解析解，只有数值解。
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。
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。