生物反应工程原理第二章2
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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。
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
两源自文库同除
,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 :
引入无因次参数，则 无解析解，只有数值解。
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)。
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。
E
EA
EQ
（不形成三元复合物）反应模型
＋A
－P
＋B
－Q
E
EA
EG
EQ
E
－A
＋P
－B
＋Q
（ EG：修饰过的酶 ）
简单机制
＋A
＋B
－Q
－P
E
EA
EAB EPQ
EP ＋P
E
－A
－B
＋Q
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
可见，Da准数是决定效率因子 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 的基本准数。
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 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：
2.2.3 多底物酶促反应动力学
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）
EP EB
E
EAB
EPQ
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
具有大量内孔的球形固定化酶颗粒
dr r
R
内扩散效率因子
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
共价结合法 交联法
格子型 包埋法
微胶囊
交联法
O E
O
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）
内扩散过程
Da准数是决定外扩散
准数是决定内扩散
效率的唯一参数。
效率的主要参数。
Da准数定义： 外扩散效率因子定义：
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。
作业
P50 9， 12，13
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
(CSS，rout)
0 CSS
CS
N，r Nmax
rmax
0
(CSS，rout) CSS CS
Da准数 :
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
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。
外扩散过程
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。
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
两源自文库同除
,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 :
引入无因次参数，则 无解析解，只有数值解。
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)。
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。
E
EA
EQ
（不形成三元复合物）反应模型
＋A
－P
＋B
－Q
E
EA
EG
EQ
E
－A
＋P
－B
＋Q
（ EG：修饰过的酶 ）
简单机制
＋A
＋B
－Q
－P
E
EA
EAB EPQ
EP ＋P
E
－A
－B
＋Q
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
可见，Da准数是决定效率因子 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 的基本准数。
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 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：
2.2.3 多底物酶促反应动力学
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）
EP EB
E
EAB
EPQ
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
具有大量内孔的球形固定化酶颗粒
dr r
R
内扩散效率因子
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
共价结合法 交联法
格子型 包埋法
微胶囊
交联法
O E
O
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）
内扩散过程
Da准数是决定外扩散
准数是决定内扩散
效率的唯一参数。
效率的主要参数。
Da准数定义： 外扩散效率因子定义：
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。
作业
P50 9， 12，13
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
(CSS，rout)
0 CSS
CS
N，r Nmax
rmax
0
(CSS，rout) CSS CS
Da准数 :
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
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。
外扩散过程