第三章 固定化酶反
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Ns Ds
积 L ( S 0 Si )
Rd N s a
Ds
a( S 0 Si ) K L a( S 0 Si )
其中Ds为底物在液相中的分子扩散系数，m2/s
a为固定化酶的比表面积，m-1 KL表示在液体流动的垂直方向上单位面积、单位时间所通过的底物的量
颗粒表面因反应而消耗，同时由于液体的粘性，在固液表面附近产生一个滞
流层，而固体表面液体流速率为0，因而在滞流层产生浓度梯度，进而导致物 质的传递，常在底物浓度为主体浓度99%处假想有一个边界层，边界层理论 认为： 1）边界层外底物浓度是均匀的（产物浓度也均匀） 2）颗粒表面外各处的液膜厚度相等，且边界层厚度与流速有关 3）边界层内无反应发生，传质阻力全部集 中在边界层内 4）定常态下，液膜内物质传递只有分子扩散， 且传质速率一定，即
性质有关。当酶固定在多聚阳离子载体上，最适pH将向酸性一侧移动；
若酶固定在多聚阴离子载体上，最适pH将向碱性一侧移动。如果催化产 物为酸性，则固定化酶的最适pH要比游离酶低一些，若产物为中性，则
无变化。但pH变化不会超过2个pH单位。
最适温度可较游离酶高，如醋酸纤维素迭氮衍生物固定化的胰蛋白 酶的糜蛋白酶的最适温度比游离酶分别高5~15℃。
Si R R+δ S0
N s 4r 2 常数
Ns——以面积为基准的传质通量，即单位时间沿半径方向通过单位截面积的底
物的量Kg/(m2s)或mol/(m2s) Ns与浓度的关系可用Fick第一定律来表示，
N s Ds dS r dr
给定边界条件
r R, Sr Si ; r R , Sr S0
底物和产物及其效应物在微环境和宏观环境中浓度不同的现象。
• 扩散效应：底物、产物和效应物的迁移和运转速率受到限制的一种效 应。
酶的固定化对其动力学特征的影响
• 原因：由于酶的活性中心的氨基酸残基的空间结构和电荷状态发生了 变化，或者固定化酶的周围形成了能对底物传递产生影响的扩散层或 静电的相互作用等。 • 对底物专一性的改变 • 稳定性的改变 • 最适pH值和温度的改变 • 米氏常数的改变
• 外扩散的限制作用
• 外扩散有效因子
• 外扩散与化学抑制同时存在时动力学
3.2.1 外扩散的特点
• 酶促反应过程与传质过程是各自独立的 • 底物先从液相主体扩散到固定化酶的外表面
• 发生反应
• 产物从固定化酶的外表面扩散进入液相主体
3.2.2 液固相间的传质速率
• 由于搅拌，反应体系中的液相主体的底物浓度处处相同，假定为S0，底物在
• • 游离酶参与反应的缺点：1）稳定性差、液相中含量少，2）反应结束后不易回收、 3）酶、底物和产物处于同一相，对产物分离不利 固定化酶：即水不溶性酶，是通过物理的或化学的方法，将溶液酶转变为在一定
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催化活
性的酶，它能以固相状态作用于底物进行催化反应 • • • 其优点：可以长期保留在反应器内反复使用，易实现连续化生产；反应结束后易 与产物分离，简化了产物分离工艺，其大多数固定化酶稳定性也比游离酶好 缺点：活力会下降，反应易受传质速率的控制，对大分子底物、产物不适用 研究历史：1916年，Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被吸附到骨碳粉末上，并 在吸附状态下具有催化活性；以后以色列科学家对酶的固定化方法、固定化的理 化性质等进行了开创性的研究，1969年日本的千叶一郎将固定化氨基酸酰化酶应 用于DL－氨基酸的拆分上，1971年国际酶工程会议给出了固定化酶的定义。
若有扩散阻力，则表观米氏常数变大，若分配系数大于米氏常数， 则表观米氏常数减少。
酶的固定化，不仅使酶的活性发生了改变，而且由于固定化酶的
引入，反应体系变为多相体系。因此在研究固定化酶催化反应动力学 时，要同时考虑物质传递对酶促反应过程的影响。
3.2 外扩散的限制作用
• 特点
• 液固相间的传质速率
由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化酶分子，使酶的底物
特异性发生改变。如胰蛋白酶固定在羧甲基纤维素上时，对二肽和多肽的
作用保持不变，但对酪蛋白的作用仅为游离酶的3%。 固定化酶的稳定性好，主要表现为热稳定性、保存和使用稳定性的 增加，另外，对蛋白酶的抵抗性和对变性剂的耐受性也增强了。 酶最适pH值的变化的原因与载体的带电性质及酶所催化所得产物的
3.2.3 外扩散的限制作用
• 固定化酶外表面的反应速率可表示为
RSi rmax Si K m Si
当化学反应速率和传质速率相差不大时，体系在稳态条件下，有下
式成立，传质速率＝化学反应速率，即： Rd RS K L a( S0 Si )
i
rmax Si K m Si
3.1.2 酶的固定化方法
物理结合法 • 载体结合法 离子结合法 共价结合法 • 交联法：主要靠双功能试剂戊二醛等使酶分子发生交联 凝胶包埋 • 包埋法 微胶囊包埋 纤维素包埋
影响固定化酶催化活力的因素
• 构象效应：由于载体与酶之间的共价键作用，引起酶的活性部位发生 扭曲变形，改变了酶活性部位的三维空间结构，减弱了酶与底物的结 合力，导致酶的活性下降。 • 位阻效应：由于载体选择不当或载体空隙太小，致使酶的活性部位不 易与底物结合，对酶的活性部位造成了空间障碍。 • 分配效应：由于固定化酶载体的亲水性、疏水性及静电作用等，使得
第三章 固定化酶反应动力学
• • • • • 酶的固定化 外扩散对固定化酶反应动力学的影响 内扩散对固定化酶反应动力学的影响 内外扩散同时存在时的限制效应 扩散影响下的动力学假象
3.1 酶的固定化
• • • • 背景 酶的固定化方法 影响固定化酶活力的因素 固定化对酶动力学特征的影响
3.1.1 背景
求解此方程，得出
r r 1 Si [ S0 max K m ( max S0 K m ) 4 K m S0 ] 2 KLa KLa
积 L ( S 0 Si )
Rd N s a
Ds
a( S 0 Si ) K L a( S 0 Si )
其中Ds为底物在液相中的分子扩散系数，m2/s
a为固定化酶的比表面积，m-1 KL表示在液体流动的垂直方向上单位面积、单位时间所通过的底物的量
颗粒表面因反应而消耗，同时由于液体的粘性，在固液表面附近产生一个滞
流层，而固体表面液体流速率为0，因而在滞流层产生浓度梯度，进而导致物 质的传递，常在底物浓度为主体浓度99%处假想有一个边界层，边界层理论 认为： 1）边界层外底物浓度是均匀的（产物浓度也均匀） 2）颗粒表面外各处的液膜厚度相等，且边界层厚度与流速有关 3）边界层内无反应发生，传质阻力全部集 中在边界层内 4）定常态下，液膜内物质传递只有分子扩散， 且传质速率一定，即
性质有关。当酶固定在多聚阳离子载体上，最适pH将向酸性一侧移动；
若酶固定在多聚阴离子载体上，最适pH将向碱性一侧移动。如果催化产 物为酸性，则固定化酶的最适pH要比游离酶低一些，若产物为中性，则
无变化。但pH变化不会超过2个pH单位。
最适温度可较游离酶高，如醋酸纤维素迭氮衍生物固定化的胰蛋白 酶的糜蛋白酶的最适温度比游离酶分别高5~15℃。
Si R R+δ S0
N s 4r 2 常数
Ns——以面积为基准的传质通量，即单位时间沿半径方向通过单位截面积的底
物的量Kg/(m2s)或mol/(m2s) Ns与浓度的关系可用Fick第一定律来表示，
N s Ds dS r dr
给定边界条件
r R, Sr Si ; r R , Sr S0
底物和产物及其效应物在微环境和宏观环境中浓度不同的现象。
• 扩散效应：底物、产物和效应物的迁移和运转速率受到限制的一种效 应。
酶的固定化对其动力学特征的影响
• 原因：由于酶的活性中心的氨基酸残基的空间结构和电荷状态发生了 变化，或者固定化酶的周围形成了能对底物传递产生影响的扩散层或 静电的相互作用等。 • 对底物专一性的改变 • 稳定性的改变 • 最适pH值和温度的改变 • 米氏常数的改变
• 外扩散的限制作用
• 外扩散有效因子
• 外扩散与化学抑制同时存在时动力学
3.2.1 外扩散的特点
• 酶促反应过程与传质过程是各自独立的 • 底物先从液相主体扩散到固定化酶的外表面
• 发生反应
• 产物从固定化酶的外表面扩散进入液相主体
3.2.2 液固相间的传质速率
• 由于搅拌，反应体系中的液相主体的底物浓度处处相同，假定为S0，底物在
• • 游离酶参与反应的缺点：1）稳定性差、液相中含量少，2）反应结束后不易回收、 3）酶、底物和产物处于同一相，对产物分离不利 固定化酶：即水不溶性酶，是通过物理的或化学的方法，将溶液酶转变为在一定
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催化活
性的酶，它能以固相状态作用于底物进行催化反应 • • • 其优点：可以长期保留在反应器内反复使用，易实现连续化生产；反应结束后易 与产物分离，简化了产物分离工艺，其大多数固定化酶稳定性也比游离酶好 缺点：活力会下降，反应易受传质速率的控制，对大分子底物、产物不适用 研究历史：1916年，Nelson和Griffin发现酵母蔗糖酶能被吸附到骨碳粉末上，并 在吸附状态下具有催化活性；以后以色列科学家对酶的固定化方法、固定化的理 化性质等进行了开创性的研究，1969年日本的千叶一郎将固定化氨基酸酰化酶应 用于DL－氨基酸的拆分上，1971年国际酶工程会议给出了固定化酶的定义。
若有扩散阻力，则表观米氏常数变大，若分配系数大于米氏常数， 则表观米氏常数减少。
酶的固定化，不仅使酶的活性发生了改变，而且由于固定化酶的
引入，反应体系变为多相体系。因此在研究固定化酶催化反应动力学 时，要同时考虑物质传递对酶促反应过程的影响。
3.2 外扩散的限制作用
• 特点
• 液固相间的传质速率
由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化酶分子，使酶的底物
特异性发生改变。如胰蛋白酶固定在羧甲基纤维素上时，对二肽和多肽的
作用保持不变，但对酪蛋白的作用仅为游离酶的3%。 固定化酶的稳定性好，主要表现为热稳定性、保存和使用稳定性的 增加，另外，对蛋白酶的抵抗性和对变性剂的耐受性也增强了。 酶最适pH值的变化的原因与载体的带电性质及酶所催化所得产物的
3.2.3 外扩散的限制作用
• 固定化酶外表面的反应速率可表示为
RSi rmax Si K m Si
当化学反应速率和传质速率相差不大时，体系在稳态条件下，有下
式成立，传质速率＝化学反应速率，即： Rd RS K L a( S0 Si )
i
rmax Si K m Si
3.1.2 酶的固定化方法
物理结合法 • 载体结合法 离子结合法 共价结合法 • 交联法：主要靠双功能试剂戊二醛等使酶分子发生交联 凝胶包埋 • 包埋法 微胶囊包埋 纤维素包埋
影响固定化酶催化活力的因素
• 构象效应：由于载体与酶之间的共价键作用，引起酶的活性部位发生 扭曲变形，改变了酶活性部位的三维空间结构，减弱了酶与底物的结 合力，导致酶的活性下降。 • 位阻效应：由于载体选择不当或载体空隙太小，致使酶的活性部位不 易与底物结合，对酶的活性部位造成了空间障碍。 • 分配效应：由于固定化酶载体的亲水性、疏水性及静电作用等，使得
第三章 固定化酶反应动力学
• • • • • 酶的固定化 外扩散对固定化酶反应动力学的影响 内扩散对固定化酶反应动力学的影响 内外扩散同时存在时的限制效应 扩散影响下的动力学假象
3.1 酶的固定化
• • • • 背景 酶的固定化方法 影响固定化酶活力的因素 固定化对酶动力学特征的影响
3.1.1 背景
求解此方程，得出
r r 1 Si [ S0 max K m ( max S0 K m ) 4 K m S0 ] 2 KLa KLa