第三章讲义固定化生物催化剂反应过程动力学
生物催化剂的固定
可反应性对固定化技术的评价起到最重要的指导作用, 即提 高固定化生物催化剂的可反应性是固定化技术研究中所必须 遵循的一个指标。通过现有固定化技术获得的固定化生物催 化剂的表观催化能力通常远远小于其本身固有的催化能力, 其原因主要是受到由于固定化颗粒内部孔隙结构不合理所引 起的内扩散现象以及固定化颗粒内部存在的空间位阻所产生 的底物扩散障碍的影响。这些影响阻碍了生物催化剂与底物 的充分接触, 从而引起其实际催化能力下降。因此, 提高固定 化生物催化剂的实际催化能力, 即其可反应能力, 是当前固定 化技术研究中的重点。
1. 4
无载体固定化
利用某些微生物细胞具有自絮凝形成颗粒的能力作为一种细 胞固定化的方法, 是细胞固定化技术中的全新概念。与载体 固定化技术相比, 无载体固定化细胞技术具有非常突出的优 点 , 在自絮凝细胞颗粒形成过程中, 还可以形成适宜的微生 态环境, 使之有利于各细胞代谢过程之间的协调。絮凝剂产 生菌一般有两个来源: 一是从天然菌株中筛选出具有良好絮 凝特性的菌株并进行诱变处理 ; 另一种方法是利用原生质体 溶和技术 ,将絮凝剂产生菌中的产絮凝剂基因导入到所需的 工业菌株中去。无载体细胞固定化技术所具有的众多优点显 示了该工艺在传统发酵工业如酒精发酵、味精发酵、有机酸 发酵, 环境工程如污水处理等领域均具有广阔的应用前景, 同 时在现代生物工程领域如动植物细胞培养生产次级代谢产物 的过程中也具有应用价值。
生物催化剂为什么要固定化？
P
50
固定化技术研究中的最新方法
自1959 年首次实现大肠杆菌的细胞固定化以来, 生 物催化剂固定化技术发展到今天已形成了较为完备 的理论与方法。固定化技术使生物催化剂具有了与 其在游离状态下完全不同的特点 : 如与产物分离方 便; 生物催化剂可回收或循环使用; 生物催化剂稳定 性大大提高; 反应过程可得到严格控制等。这些特 点使价格昂贵的生物催化剂的应用成本大大降低, 从而使其在大规模工业化生产中得到应用成为可能。 传统的固化技术在此就不做介绍了。
3.固定化生物催化剂反应过程动力学作业参考
解：由题意可得
如果仅外扩散阻力被消除，其速率则为：
RS＝RSii RS 0i 2.72 10 0.46 1.25 104 kg / (s m3生物质)
4
解：根据
VP 2 RS R 2 RS 0.8 103 2 1.25 103 ( ) ( ) ( ) 8.04 11 S P De cSi 3 De cSi 3 1.3 10 0.85
Cs 0.85 1 K m 3.5 106
故为零级动力学
图3.21 固定化酶
R rmax 1 1 ( )2 3 K m De
Bi 外扩散速率 VP kL 内扩散速率 AP De
Da
2 1
Bi
1T 1 (1 1Da )
当无内扩散影响时，1＝， 1 1T 1 (1 Da )； 当无外扩散影响时，Da＝0，1T＝1
4、计算题：p128习题1，3，5, 15
3-1 某酶固定在无微孔的膜状载体上，已知该酶催化反应 的本征参数为rmax=6×10-2mol/(l· s) , Km=3×10-2mol/l该 反应底物在液相主体中的浓度为1×10-2mol/l ，在反应条 件下，流体的传质系数为4×10-1/s。试求： （1） 底物在固定化酶外表面上的反应速率为多少？ （2） 该反应的外扩散有效因子为多少？
并在同样条件下进行反应。 若该反应可按一级不可
逆反应处理，试求此时固定化酶的有效因子是多少？
3-15 黑曲霉能形成平均直径为5mm的团粒。氧在该团 粒中的有效扩散系数为1.75×10-9m2/s。在一固定床 反应器，氧在液相主体浓度为8×10-3kg/m3时，其消 耗速率时8.7×10-5kg/(s· m3生物质)，氧的消耗遵循零 级动力学。液固间传质系数为3.8×10-5m/s 试求： （1） 氧的消耗是否受到外扩散的影响？ （2） 外扩散有效因子是多少？ （3） 如果内外扩散阻力均消除，其速率是多少？ （4）如果仅外扩散阻力被消除，其速率又是多少？
生物反应器工程课件-3
酶固定化原因： 游离酶不易回收，易污染产物溶液； 固定化有益酶热稳定性； 为使用固定床和流化床反应器提供条
固定床 开始流态化 均匀流态化 颗粒飞出
(a)上行流动方式
(b)下行流动方式
分布板 流体 低流速 流体 流体 流体 高流速
图31-17 固定床反应器流动方式
图31-18 固定床到流化床的过渡过程
不同速率表示法及其参数的意义： 固定化作用 空间效应 游离酶 分配效应 本征动力学和参数 扩散作用
固有（本征）速率和参数 rmax c S 0 rp = K m + cS 0 r c ηT × max S 0 有效速率和参数 K m + cS 0 表观速率和动力学参数 rmax c S 0 K m + cS 0
注意：CSi表示颗粒表面底物浓度 在稳定态：
k L a (c S 0 − c Si ) = rmax c Si K m + c Si
方程求解的无因次化——减少变量： c S = c Si c S 0
K = K m cS 0
rmax Damköhler Da = k L ac S 0 丹克莱尔准数：
cS 1 − c S = Da K + cS 解得
应用实例与前景： 固定化青霉素酰化酶生产6－氨基青霉烷酸； 分子酶工程的相关过程工业化 3.1 固定化酶反应动力学特征 Rp(固定化酶本征动力学，传质与扩散速率） 3.1.1 固定化方法 3.1.2 固定化对动力学特性的影响 （1）活性的下降（表观米氏常数增加）； （2）热稳定性的增加
3.1.3 影响固定化酶反应动力学的因素 （1）空间效应 来源：酶分子的构象改变 （2）分配效应 基本概念：微环境、大环境（主体溶液） 分配效应结果：动力学常数相对游离酶而变 c Sg 分配系数 K = c Si （3）扩散效应
第三章 固定化酶及反应动力学0
共价结合法 是将酶蛋白分子上官能团和载体上的反应基团 通过化学价键形成不可逆的连接的方法。 在温和的条件下能偶联的酶蛋白基团包括有氨基、羧基、半 胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨 酸和苏氨酸的羟基等。 常用的载体包括天然高分子（纤维素、琼脂糖、葡萄糖凝胶 、胶原及其衍生物），合成高分子(聚酰胺、聚丙烯酰胺 、乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物等)和无机支持物（多孔玻璃 、金属氧化物等）。 共价结合法制备的固定化酶，酶和载体的连接键结合牢固， 使用寿命长，但制备过程中酶直接参与化学反应，常常 引起酶蛋白质的结构发生变化，导致酶活力的下降，往 往需要严格控制操作条件才能获得活力较高的固定化酶
01
概
述
固定化酶制备方法
吸附（载体结合）法：物理吸附(活性碳，硅胶等)，离子结合（离子交 换剂和离子交换树脂），共价结合。作用力增强，对酶影响加大。
物理法固定酶的优点在于酶不参加化学反应，整体结构保持不变，酶 的催化活性得到很好保留。但是，由于包埋物或半透膜具有一定的空 间或立体阻碍作用，因此对一些反应不适用。
固定化技术
01
什么是固定化酶？
水溶性酶
概
述
水不溶性载体
固定化技术 水不溶性酶 （固定化酶） 固定化：将酶通过物理或化学方法固定在载体上或限 制在一定空间内。
固定化酶（immobilized enzyme）
亦称固相酶或水不溶酶。是用物理的或化学 的方法使酶装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，但仍具有活性的酶。能以固相状态作用 于底物进行催化反应。 水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在水不 溶性凝胶或半透膜的微囊体中制成的。
第三章 固定化酶催化反应过程动力学
反应工程第三章 固定化酶反应过程动力学.
rso
•外扩散控制：酶的催化效率很高，底物的传质速率很慢。
R si k La(Cso - Csi ) kLaCso rd
•介于上述两种情况之间
第三章 固定化酶反应动力学
Rsi总是接近于动力学反应速度和扩散速度两者中比较小的那个。
Rs rso
rd Rsi
主体浓度co
第三章 固定化酶反应动力学
2.0×10-4
第三章 固定化酶反应动力学
3.3.3影响固定化酶促反应的主要因素
1）分子构象的改变
溶液酶
分子构象改变
2）位阻效应
第三章 固定化酶反应动力学
溶液酶
位阻效应
3）分配效应
第三章 固定化酶反应动力学
宏观环境
cS0 cSg
cSi
由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶 载体内部底物或产物浓度与溶液主体浓度不同的现象称为分 配效应。
E
有外扩散影响时的实际 反应速率 无外扩散影响时的固定 化酶外表面处的反应速
率
R si rso
R si
rmax csi Km csi
rso
rmax cso Km cso
E
cs (1 K) cs K
cs csi / cso
Km
Km cso
Da rmax k Lacso
第三章 固定化酶反应动力学
3.3.2 颗粒内的浓度分布与有效因子
（1）颗粒内的浓度分布
第三章 固定化酶反应动力学
De
(
dcS dr
4r2 )
r r
D
e
(
dcS dr
生物中的化学反应动力学
生物中的化学反应动力学随着科学技术的发展，我们对生命的认知也越来越深刻。
其中，生物化学反应动力学是研究化学反应速率和机理的重要分支，它不仅关注生物大分子的性质，还探讨了许多生命过程中的本质。
本文旨在介绍一些关于生物中的化学反应动力学的概念、原理和应用，进一步探索其背后的奥秘。
概念与原理生物中的化学反应动力学是指研究生物分子间相互作用的速率和机理。
其中，生化反应的速率由一系列因素决定，如反应物浓度、温度、催化剂、酶活性等。
为了更好地理解这些过程，我们需要掌握以下基本概念和原理。
1. 酶催化：生物体内的化学反应都是由酶催化完成的。
酶通常是大分子蛋白质，具有特定的立体构象和活性中心。
它们可以加速化学反应的速率，使得反应更快、更精准。
2. 反应速率：反应速率是指化学反应的进程快慢程度。
它取决于反应物与溶液中其他分子的碰撞概率，具有较高的浓度、温度、压力和化学反应时限等因素，都能对反应速率造成影响。
3. 反应平衡常数：反应平衡常数可以衡量一个反应体系中，反应物和生成物之间达到平衡的相对浓度。
对于一般的热平衡反应，平衡常数等于生成物浓度乘积与反应物浓度乘积的比值。
应用与实例生物中的化学反应动力学不仅仅是理论上的内容，它还有着广泛且重要的应用。
在生命科学研究、医学卫生、生物工程等领域，都有着它深刻的影响。
接下来，我们将举几个例子来说明它的应用价值。
1. 酶动力学研究：酶催化是生物体内化学反应的重要机制，而酶动力学研究正是探讨酶催化机理的重要分支。
在这方面的研究，可以帮助我们更好地理解酶的三维构象、催化中心和反应机制等关键内容，同时也对生物化学反应动力学有着深刻的启发意义。
2. 药物反应动力学研究：化学药物在生命体内的代谢过程也是一个生物化学反应动力学的过程。
探究药物代谢的动力学特征和代谢物的生成量、消失量及半衰期等数据，可以有助于评估药物的药效、毒性和药代动力学等方面，从而说明它的治疗作用和适应症。
3. 生物工程制剂的生产：在现代生物工程制剂的生产过程中，同样需要运用化学反应动力学的原理和实践。
催化反应的动力学原理及应用
催化反应的动力学原理及应用催化反应是指通过添加催化剂，促进反应速率的化学反应。
催化剂是一些能够适当降低反应能量的化学物质，通过改变反应机理，提高反应速率，使得反应在较温和的条件下能够进行。
催化反应的动力学原理是研究反应速率与催化剂、反应物、温度等因素之间的关系。
一、催化反应的基本原理催化反应的基本原理是“锁-钥”原理。
催化剂与反应物之间的相互作用类似于锁和钥匹配，只有钥匙和锁芯能够匹配，才能开启锁。
催化剂与反应物之间也需要匹配，只有经过正确配对的催化剂才能与反应物相互作用。
催化剂通过吸附反应物分子，在催化物表面形成了中间体，使反应活化能降低，反应速率增加。
催化反应的原理是在反应过程中引入催化剂，并通过改变反应物的能量状态，促进反应，减小反应能量障碍，从而加速反应速率。
二、催化反应的种类1. 酶催化反应：在生物有机体内，由于酶的存在，许多有机体的生化反应都能够进行。
酶能够形成酶反应中间体，将反应物转化为产物，具有高度构象选择性和反应选择性。
2. 金属复合物催化反应：金属离子中心可以形成配位键，使得反应物更容易进行电荷交换，从而加速反应速率。
3. 酸碱催化反应：酸性或碱性环境中，酸或碱可以吸附反应物，形成酸碱配对，使反应物处于更加有利的状态，从而加速反应速率。
三、动力学原理1. 反应速率：指单位时间内单位反应具有的物质变化量。
单位通常是mol/L.s。
2. 影响反应速率的因素：反应物浓度、温度、催化剂浓度等都会影响反应速率。
3. 反应级数：指反应中每一个反应物分子所带来的速率改变程度的因子。
4. 反应机理：指反应进行的基本过程及其序列，表明反应物在反应中的转化方式。
四、催化反应的应用催化反应在许多领域都有应用，例如化学合成、工业材料生产等。
1. 化学合成：许多药物、香料、医用化学品等都是通过催化反应来合成的。
酶催化合成是目前化学合成的热点领域之一，尤其在药物合成领域应用广泛。
2. 工业材料生产：许多材料的生产都需要催化反应，例如生产燃料、塑料、橡胶、化肥等。
第三章 酶促反应动力学(简)-2
内扩散阻力发生在多孔性固定化酶载体的 内部，它是底物传递到固定化酶内部的酶 部位时的一种扩散限制效应。内扩散限制 效应往往与酶催化的化学反应同时进行。 由于微环境内的化学反应造成底物的消耗 和产物的积累，形成浓度的不均匀性。而 在微环境内底物的消耗和产物的积累程度， 也常和这些物质的分子量大小有关。
二、固定化酶促反应中的过程分析
固定化酶促反应过程中，需考虑扩散传质 与催化反应的相互影响，注意外部与内部 扩散的不同传质方式。 内部扩散与催化反应有时是同时进行的， 两者相互影响。外扩散通常先于反应。应 区别对待。
为集中研究外扩散限制效应，常选择液体不能渗透的无 电活性的固定化酶膜或固定化酶颗粒作为研究的模型。
rmax [ S ] Rsi = = rs 0 (2 − 4 − 4) K m + [S ]
1 外扩散速率对酶催化反应速率的限制
(2) 当外扩散传质速率很慢，而酶表面上的反应速率很快，此时外扩散速率 成为反应的控制步骤。固定化酶外表面上底物浓度趋于零。 故：
扩散最大速率
Rsi = k L a[ S ] = rd (2 − 4 − 5)
3.3 固定化酶促反应动力学
一、 固定化酶催化的动力学特征
1 影响固定化酶动力学的因素 2 固定化酶反应动力学
二、固定化酶促反应中的过程分析
1 外扩散限制对酶催化反应速率的限制 2 内扩散限制效应
酶的固定化，不仅使酶的活性发生了变 化，而且由于固定化酶的引入，反应体系 变为多相体系，例如液-固体系、气-液-固 体系等。因此在研究固定化酶催化反应动 力学时，不仅要考虑酶催化反应的本征动 力学规律，更要研究反应物的质量传递规 律，研究物质的质量传递对酶催化反应过 程的影响。建立起同时包括物质传质速率 和催化反应速率的动力学方程；这种方程 一般称为宏观动力学方程。它是设计固定 化酶催化反应器和确定其操作条件的理论 基础。
生化工程知识点
生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。
技术产品的生产过程。
生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。
重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。
反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。
2）反应条件温和。
3）生物催化剂易失活，难以长期使用。
4）生产设备较简单、能耗较低。
5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。
6）反应机理复杂，较难检测与控制。
7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。
该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。
②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。
研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。
第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。
生物学中的化学反应动力学
生物学中的化学反应动力学化学反应动力学是研究化学反应速率与性质之间关系的学科，是化学和生物学等多个领域的重要组成部分。
在生物学领域中，化学反应动力学研究生理和生化过程中的化学反应，研究细胞的代谢过程，研究生命现象的基本原理。
一、化学反应动力学的基本概念化学反应动力学最基本的概念是化学反应速率。
化学反应速率是指化学反应物质在一定时间内消失或新生成量的比率，通常用摩尔/秒表示。
化学反应速率与化学反应的能量变化、物质的浓度、温度、催化剂等因素有密切关系。
化学反应速率的计算可以使用反应物消耗或生成的摩尔数随时间的变化曲线来实现。
更为准确的计算方法是使用反应物浓度与时间的变化关系来计算化学反应速率。
二、影响化学反应速率的因素化学反应速率与反应物物质浓度、温度、催化剂等因素密切相关。
1.反应物浓度：反应物浓度越高，化学反应速率越快。
这是因为当反应物浓度增加，分子碰撞的频率增加，从而使反应物分子之间的碰撞率也增加。
因此，反应物浓度是影响化学反应速率最重要的因素之一。
2.温度：温度越高，分子的平均动能越大，分子碰撞的能力和频率也越高，从而使得化学反应速率变快。
3.催化剂：催化剂是可以加速化学反应速率的物质。
催化剂可以通过改变反应物的排列方式、稳定中间体或改变反应活化能等多种机制来加速反应速率。
三、生化反应动力学的重要性生化反应动力学研究生理和生化过程中的化学反应，提供了基本原理来理解细胞内的代谢反应以及身体内部的各种动态物质交换。
它是研究生命现象基本原理的重要组成部分，可以为疾病诊断和治疗提供理论支持。
生化反应动力学主要应用于以下四个方面：1. 研究生物催化机理。
生物中的酶是一类高效催化剂，生化反应动力学可以研究酶的化学机制，探讨酶对反应物质的催化途径。
这有助于发现新的生物催化机制，有利于开发更有效的酶替代物，也有助于研究抑制剂如何阻碍酶的催化作用。
2. 研究细胞代谢。
生物学中代谢反应是一个复杂而又动态的过程，在该过程中大量化学反应发生。
《催化动力学》课件
在这个《催化动力学》PPT课件中，你将了解催化动力学的基本概念和应用。 探索催化剂的种类和作用，并了解反应速率、表面反应和体相反应的关系。 还将深入了解反应热力学和催化动力学的联系，以及工业催化实践和应用案 例。
什么是催化动力学
1 动态过程
催化动力学研究反应速 率随时间的变化，揭示 了反应过程中的动态性 质。
实验装置
数据收集
选择合适的反应器和催化剂， 控制温度、压力和反应物浓度。
记录反应速率随时间的变化， 获取反应动力学数据。
分析方法
使用光谱、质谱等技术分析反 应物和产物的结构和浓度。
工业催化实践和应用案例
1
合成氨
通过铁钼催化剂，将氮气和氢气在高温高压条件下反应，用于合成氨的工业生产。
2
炼，提高汽油和石脑油的产量。
3
碰撞机理
表面反应更受碰撞机理的影响，而体相反应更受溶解度和浓度的影响。
反应热力学和催化动力学的关系
反应热力学
研究反应的热力学性质，如反应焓变、反应熵变和反应自由能变化。
催化动力学
研究反应速率和催化剂对反应速率的影响，探索反应动力学机制。
关系
反应热力学和催化动力学相辅相成，共同揭示了反应的全貌。
催化动力学实验方法
2 催化作用
催化动力学研究催化剂 如何增加反应速率，发 挥其催化作用。
3 关键概念
催化反应的活化能、反 应机理和速率方程是催 化动力学的关键概念。
催化剂的种类和作用
金属催化剂
如铂、钯、铑等金属催化剂， 在许多有机反应中起着重要 作用。
酶催化剂
生物催化剂酶在生物体内调 控各种化学反应，保证生命 活动的正常进行。
阳离子催化剂
第3章 固定化酶催化反应过程动力学
6、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 E 。
（1） Da＝
rmax 最大反应速率 ＝ ，为丹克莱尔准数，无因次量 k L aCS 0 最大传质速率
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ηE＝1时，不存在外扩散影响，为动力学控制； 当ηE <1时，存在外扩散影响,宏观反应速率变慢； 当ηE " 1时，完全为扩散控制。 7、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。
CS = CS 0 + rmax 2 2 2 DiCS 0 。 (l − L )，其中存在有最大膜片厚度Lmax＝ 2D rmax
当酶反应动力学方程符合 M－M 方程时，无解析解，仅有数值解。 13、从宏观的角度来看，单计算颗粒内各位置的底物浓度并不能计算出宏观反应
14
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
此时，对此微分方程需要根据不同酶动力学特征进行求解。 当酶反应动力学方程为一级反应动力学时， rS =
r ) R ，其中φ＝ R 3 r sinh(3φ )
rmax CS ，可解得： Km
CS = CS 0
R sinh(3φ
rmax 。 Km iD
当酶反应动力学方程为零级反应动力学时， rS = rmax ，可解得：
散影响变得很明显；当 Φ > 10 时，对于一级动力学，η ≈ 学， η ≈
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有效分子扩散系数 De
De D p H p
二、微孔内的浓度分布 （球状固定化酶）
简化假设
• 载体和酶均匀分布 • 等温、等De • 不考虑酶的失活 • 扩散传质 • 浓度是半径的函数
S流入速率－S流出速率＝S消耗速率
D (d d S e C 4 rr 2 )r r D (d d S e 4 C rr 2 )r 4r2 r S r
外扩散 内扩散 内外扩散同时存在
第二节 外扩散对反应速 率的限制效应
一、外扩散传质速率
研究对象的简化 理论模型
Fick定律
NS
DdC S DdC S dr dL
R Sd kLa(C S0C S)i
二、宏观反应速率的求解
外表面扩散速率（Fick定律）
R Sd kLa(C S0C S)i
动力学控制 外扩散控制
消除外扩散的方法
对任意n级反应的有效因子
n=1 n=2
ra krCan
E1
1 1 Da
E24D 12a( 14D a1)2
四、外扩散限制与化学抑制同时存在
非竞争性抑制 底物抑制
1、非竞争性抑制
EI
RSI rS
rm C ax Si 1 Km CSi 1 CI
二、酶的固定化方法
载体结合法 交联法 包埋法
1、载体结合法
物理吸附法 共价键法 离子键法
1）物理吸附法
操作流程：将酶溶液 溶解于缓冲液中，加
活性炭、硅胶、硅藻 土、陶瓷。
入载体，振荡或者搅 拌一定时间后，抽滤、 酶活收率高
洗涤、冷冻干燥，得 结合力弱，易脱落
到固定化酶。
简便易行
第三章固定化生物催 化剂反应过程动力学
第三章
固定化生物催化剂 反应过程动力学
第一节 固定化生物催化剂概论
酶固定化的意义 酶固定化的方法 影响固定化酶反应动力学的因素
均相酶反应系统的缺点
酶随产物排出，无法重复使用； 增加产物纯化难度； 不稳定，易变性失活
一、什么是固定化酶？
通过物理或化学的方法使溶液酶结合在 不溶于水的载体上，或被限制在有限空 间内，能与反应液分离，保留在反应器 内或能够被回收并反复利用，不溶于水 但仍具有酶活力的酶
解与rs有关
1、M-M方程
D(d e d 2C 2S r2 rddS C r)rSK rm m a C C x SS
d2CS 2dCS 92 CS
2
dr r dr
1CS
R rmax
3 KmDe
无解析解，只有数值解
2、一级反应
d2CS
2
dr
2
dCS
r dr
kD 1R2eCS
d2
2
912
外表面反应速率
RSi
rmaxCSi Km CSi
动力学控制 RSi RSd
外扩散控制
RSi RSd
求取过程
RSi RSd
引入无因次变量
CS
[
2
1 4K
2
1]
DaK1
丹克莱尔准数★
定义式 物理意义 Da>>1 Da<<1
三、外扩散有效因子
E 无 有外 外扩 扩散 散影 影响 响 酶 酶时 时 外 外固 固 表 表定 定 面 面化 化 处 处的 的 ＝反 反 R rSS0i应 应
3、包埋法
将酶包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等 有限空间内
聚丙烯酰胺凝胶、海藻酸钙、琼脂。
特点
• 包埋法只适合于底物和产物均为小分子物质的 酶的固定化
• 酶活收率高 • 制备成本高
概念：酶活力收率
酶活力收率是指实际测定的固定化酶的活力(E3) 与固定化时所用的全部游离酶的活力(E1+E2+ E3)之比，包括因未固定化而损失的酶活(E1)
四、影响固定化酶动力学的因素
酶结构的改变 位阻效应 分配效应 扩散效应
1、酶结构的改变
2、位阻效应
立体障碍 与底物分子的大小、形状及性质有关。
3、分配效应
分配系数K=Csg / Csi
外扩散 内扩散
4、扩散效应
研究方法
建立包括传质速率和酶的催化反应速率在 内的反应速率方程
dr
方程的解
1
R 3
K1 De
C 1co3 s1r h ) (C 2sin 3 1h r )(
E3实测酶活 E1残留在溶液 E2固定化造成的 失活
概念：酶的活力表现率
酶的活力表现率是指实际测定的固定化酶 活力(E3)与被固定化的酶在溶液状态时的 总活力之比(E2+E3)
E3实测酶活
E1残留在溶液
E2固定化造成的 失活
三、酶固定化后的变化
底物专一性的改变 pH活性曲线和最适pH的变化 稳定性的变化
稳态操作点 非稳态操作点
第三节 扩散对反应速率的 限制效应
问题的引出 内扩散过程的特点
一、载体的结构参数
外表面积AP、比表面积Sg 平均微孔半径 颗粒体积VP、孔隙体积Vg 孔隙率
颗粒真实密度 t
颗粒表观密度 p 颗粒堆积密度 b
微孔内的扩散机理
以浓度差为推动力
2）共价键法
利用氨基、羟基、胍基、咪唑基等反应 活性高的未结合基团。
易失活、酶活收率低 结合牢固
3）离子键法
离子静电引力 离子交换树脂 操作简单 酶活收率高 结合力弱，易脱离
2、交联法
酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反 应
戊二醛
特点
• 不需要载体 • 反应剧烈，酶活收率低 • 结合牢固
固定化酶的优点
容易从反应体系中分离 可以重复使用 机械强度和稳定性增细胞
•1916年Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被骨炭粉末吸附 并在吸附状态下仍具有催化活性，后来科学家开始了固定 化酶的研究工作。 •首例工业化应用固定化酶是1969年由Chibata及其同事 在日本TanakeSciyaku公司实现的，他们将米曲酶 （Aspergillus oryzae）的氨基酰化酶固定后用于拆分 合成的外消旋DL-氨基酸，得到相应的旋光性的对映体。
Km CS0 rmaxCS 0
KI
CS (1 K
K CS
)
1 1 CI
KI
E
1
1 CI
KI
负协同效应
2、底物抑制
R SS
1
rmax Km
C Si
C Si K S
k L a (C S 0 C Si )
K C S 3 i ( 1 K C S 0 )C S 2 i ( 1 C S 0 )C S i C S 0 0