3.固定化生物催化剂反应过程动力学

外扩散传质速率慢：
Rsi kLa Cs 0 rd
当Cs0值较低时，rs0>rd， 为外扩散控制：Rsi＝rd 当Cs0值较高时，rs0<rd， 为动力学控制：Rsi＝rso 当Cs0处于中间范围，称 为过渡区，反应速率与 扩散速率相差不大，若 要求取有外扩散影响下 的反应速率，即宏观反 应速率
3.2.2 外扩散有效因子ηE
有外扩散影响时的实际 反应速率 Rsi E 无外扩散影响时的反应 速率 rs 0
r max Csi Rsi Km Csi
r max Cso Rsi rso Km＋Cso
Cs (1 K ) E＝ Cs K
r max Cs0 Rsi ＝E rs 0 E Km Cs 0
过渡区宏观反应速率Rsi的求解 （1）由Csi值确定Rsi
r max Csi k L a (Cs 0 Csi ) Km Csi
Cs＝ 1＋ 2 1 2 4K
rmax Csi Cs 0 Csi k L a K m Csi
Cs＝Csi / Cs 0， Km / Cs 0 K r max Da kLa Cs0
1 K E Da
反应宏观速率： si kLa Cs 0 R
反应过程为反应动力学 控制时，Da 1
E 1
Rsi rs 0
3.2.2.3 有抑制时的 IE 1.非竞争性化学抑制
`
2 底物抑制
3 产物抑制
[例3-1]某酶固定在无微孔的球载体上，在无外扩 散时测得rmax=4×10-5mol/L，Km=2×10-5mol/L， 将其放在一底物浓度为1×10-5mol/L液相反应器 中，已知体积传质系数为4×10-1/s。求(1)底物在 固定化酶外表面上的反应速率 (2) 该固定化酶的 外扩散有效因子ηE。
4 105 解 : (1) Da 10 1 5 kLacso 4 10 110
km 2 105 K 2, 5 Cso 110
_
max
( 2 4 K ) Da K 1 11, C s 0.18 2
_ _
_
1 2
3.1.1.2 细胞的固定化
固定化细胞：当细胞受到物理、化学等因素的 约束而被限定在一定空间内，但仍保留其催 化活力并具有反复使用的特点的这种细胞。
细胞的固定化方法：载体结合法，自聚集法和包埋 法
3.1.2 固定化生物催化剂的催化特性 （1）活性的变化：固定化时，总会有一部
分未被固定而残留在溶液中，造成活性的部 分损失。同时由于各种原因也会下降。 酶活力表现率：指实际测定的固定化酶 的总活力与被固定化了的酶在溶液状态时 的总活力之比。 酶活力收率：指实际测定的固定化酶的 总活力与固定化时所用的全部游离酶的活 力之比。
Rsi：消耗速率（宏观反应速率，mol/(L· s)）
Rsd kLa (Cs 0 Csi )
Rsd：表面速率，mol/(L· s)
定态条件下，应存在Rsi=Rsd
r max Csi k L a (Cs 0 Csi ) Km Csi
外扩散传质速率快：
r max Cs 0 Rsi rs 0 Km Cs 0
2、交联法：用双功能试剂使酶与酶之间 交联的固定化方法。
与共价结合法比较：都是利用共价键固定酶的， 不同的是它不使用载体。
交联剂：戊二醛（形成希夫碱）；异氰酸脂 （形成肽键）；双重氮联苯胺（发生重氮偶合 反应） 此法反应条件比较激烈，酶活回收率低。
3、包埋法
类型：网格型和微囊型
优点：一般很少改变酶的高级结构，酶活回收率 较高，因此可用于许多酶的固定化，但必须巧妙 地设计反应条件。 缺点：只适合作用于小分子底物和产物的酶，因 为只有小分子才可以通过高分子凝胶的网格进行 扩散。

Da K 1
C＝Csi / Cs 0 s
Cs 1 Cs＝Da K Cs
r max Csi Rsi Km＋Csi
Da：Damkohler，丹克莱尔数
最大反应速率 Da 最大传质速率
当Da《1时，酶催化最大反应速率要大大慢 于底物的扩散速率，此时该反应过程为反应 动力学控制。 当Da 》1时，则底物最大扩散速率要大大慢 于酶催化底物的反应速率，此时该反应过程 为传质扩散控制。
第3章固定化生物催化剂反应过程动力学
基本要求：1．掌握宏观反应速率的定义、内外 扩散限制效应对酶催化反应速率的限制、有效 因子的计算；2．熟悉各种抑制效应的特点、有 效因子；3．了解扩散影响下的表观动力学参数、 固定化酶的失活。 教学重点和难点：外扩散存在下反应速度的计算。 内扩散存在下颗粒内组分的浓度分布和反应速度 计算。
（2）离子结合法：酶通过离子键结合于具 有离子交换基的水不溶性载体的固定化。
载体：多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换 树脂，（DEAE-纤维素） 优点：操作简单，条件温和，酶高级结构和活性 中心的氨基酸残基不易破坏；能得到酶活回收率 较高的固定化酶。 缺点：载体与酶的结合力弱，容易受缓冲液种类 或pH的影响，在离子强度高的条件下反应时， 酶易从载体上脱落。
r max Cs0 Rsi ＝E rs 0 E Km Cs 0
E 1：Rsi rs ，没有受到外扩散传质 速率的限制影响。 E 1：在某种程度上限制了 反应速率。 E 1：宏观反应速率由外扩 散传质速率所控制。
0
反应过程为外扩散控制 时，Da 1
ZFU K exp( ) RT
当载体与底物所带电荷相反时，即Z、U异号， K大于1 当载体与底物所带电荷相同时，即Z、U同号， K小于1
r max Csg rs Km Csg
K Csg / Csi
K exp( ZFU 的影响。 其根源在于使微环境 与主体溶液之间的浓 度出现了差异。
(a) 比表面积Sg：200~300m2/g（内表面积） (b) 微孔半径 (c) 空隙率
r
2Vg Sg
Vg VP
P
(d) 颗粒当量直径
6VP 体积相当直径： d v
1 3
AP 外表面积相当直径： d s 2 dS 比表面积相当直径： d Sg 6 3 dV
（2）稳定性：保存期t1/2增1倍；热稳定性
提高10倍以上(空间结构坚固)

（3） 最适温度和pH (4) 米氏常数（Km)
3.1.3 影响固定化生物催化剂特性的因素
(1) 空间效应
构象效应：在固定化过程中，由于存在着酶和载 体的相互作用从而引起酶的活性部位发生某种扭 曲变形，改变了酶活性部位的三维结构，减弱了 酶与底物的结合能力。 位阻效应：载体的存 在又可产生屏蔽效应
(3) 扩散效应
外扩散 内扩散
3.1.3 固定化酶的动力学形式 （1）游离酶本征动力学 （2）固定化酶本征动力学：空间效应 （3）固定化酶固有动力学：空间、分配 效应 （4）固定化酶宏观动力学：空间、分配 与扩散效应
对固定化酶动力学，不仅要考虑固定化酶本身的活 性变化，而且还要考虑到底物等物质的传质速率影 响。因此对这样一个实为非均相(液－固)体系所建 立的宏观动力学方程不仅包括酶的催化反应速率， 还包括传质速率。
3.1 固定化生物催化剂概论
固定化生物催化剂:通过物理或化学的方法将 生物催化剂束缚在一定的空间内并呈闭锁关态，但
仍具有生物催化活性的一种生物催化剂
固定化酶 固定化细胞
均相（水溶液）酶反应的缺点：分离难、费 用高、影响质量；难以重复使用；酶易变性 失活
固定化酶特点： 容易分离出来、反复使用 稳定性增加 连续化和自动化
假 设
传质机理仅为扩散效应，扩散效应 用费克定律描述 颗粒是均匀的 底物分配系数为1 固定化酶的催化活性无变化 底物和产物浓度仅沿r方向变化
平衡状态
对球形固定化颗粒来说，令其 半径为R，距中心为r处取一厚 度为dr的微元壳体，在微元壳 体内，底物浓度为[S]r，稳定状 态下，对底物S进行物料衡算， 则单位时间内扩散进入微元壳 体的底物量为：
微孔内液体分子的扩散速率，用Fick定 律描述：
p De D H p τ ：校正参数，曲节因子，弯
p
位阻扩散：
曲系数，沟路曲折系数等 De/D：0.5-0.8 微胶囊：De≈D
H f
3.3.2 颗粒内扩散-反应的基本关系式
3.3.2.1 球形固定化酶颗粒内部浓度分布
固定化酶颗粒是等温的
3.2 外扩散对反应速率的限制效应
研究模型：液体不能渗透的无电活性的固 定化酶膜或固定化酶颗粒 底物从液相主体扩散到达固定化酶的 外表面； 底物在固定化酶的外表面上进行反应； 产物从酶外表面扩散进入液相主体。
3.2.1外扩散限制时的表观反应速率 非带电的固定化酶，M-M方程
r max Csi Rsi Km Csi
Csi C s Cso 1.8 106 mol / l
Rsi
_
max Csi
K m Csi
_
3.3 106 mol /( L.s)
_
(2)E
C s (1 K ) Cs K
_ _
0.25
3.3内扩散对反应速率的限制效应 3.3.1液体在载体微孔内的扩散 1、载体结构参数
（3）共价结合法：酶以共价键结合于载体
的固定化方法，此法将载体有关基团活化，然 后与酶有关基团发生偶联反应。或是在载体上 接一个双功能基团，然后将酶偶联上去。
可与载体结合的酶的功能基团：氨基、羧基、 羟基、酚基等。 优点：它是载体结合法中应用最多的一种。 缺点：反应条件比较苛刻，操作复杂，并且易引起 酶高级结构产生变化，破坏了部分活性中心，酶活 回收率一般为30%左右。 方法：重氮法、溴化氰法等。