第三章 固定化酶反应动力学

•反应的总过程为外部传递和表面反应两者的集中反映，反 应的有效速率既与底物的传质系数有关，又与反应的动力 学参数有关vmax和Km。 •动力学控制：传质速度相当快，反应主要受到酶的催化反 rmax cso 应。
Rsi
•扩散控制：酶的催化效率很高，底物的传质速率很慢。
K m cso
rso
Rsi k L a(cso - csi ) k L acso rd
Z-底物分子所带电荷 F-法拉第常数 U-静电电势 R-气体常数 T-绝对温度 cSg-界面内侧底物浓度 cSi-界面外侧底物浓度
rS rmax
c Sg c Sg K M

c Si exp( ZFU / RT ) rS rmax c Si exp( ZFU / RT ) K M c Si rS rmax KM c Si exp( ZFU / RT ) c Si rS rmax c Si K ' M
第三章 固定化酶反应动力学
3.1 固定化酶反应动力学的特征
3.1.1 酶的固定化技术
交联
利用双功能试剂的作用，在酶分子间发生交联，凝集成网 状结构，构成固定化酶；
载体结合法
酶或细胞利用共价键或离子键、物理吸附等方法结合于水 不溶载体；
包埋
将酶包埋在凝胶的微细格子中或半透性的聚合膜所包埋， 使酶分子不能从凝胶的网格中漏出。
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
分子构想改变
第三章 固定化酶反应动力学
2）位阻效应
溶液酶
位阻效应
第三章 固定化酶反应动力学
3）分配效应
宏观环境
第三章 固定化酶反应动力学
(a) K 1; (b) K 1;(c) K 1
第三章 固定化酶反应动力学
Boltzman 分配定律 ZFU K exp c Sg / c Si RT
第三章 固定化酶反应动力学
100
50
E
10
5
1 0.5
cso Km
η E=？ β=？Da=？ Km=？rmax=?
0.1
混合法
第三章 固定化酶反应动力学
第三章 固定化酶反应动力学
第三章 固定化酶反应动力学
3.1.2 酶的固定化对其动力学特性的影响
活性的改变（通常情况活性下降） 稳定性改变（通常稳定性增强） 底物专一性改变 最适pH和最适温度改变 动力学常数改变
第三章 固定化酶反应动力学
在分析固定化酶的反应与外部或内部物质传递之间的相互关系时， 采用的数学方法不同。为了简化起见，在讨论外部扩散时，忽略 固定化酶颗粒内部的扩散问题；讨论内部扩散时，假定固定化酶 颗粒外部传质阻力小，颗粒表面处的底物浓度与液体大环境中浓 度相等。
第三章 固定化酶反应动力学
3.2 外部扩散过程
3.2.1 外扩散速率对酶反应速率的限制效应
4）扩散效应
第三章 固定化酶反应动力学
4）扩散限制
第三章 固定化酶反应动力学
水溶液 构象改变、位阻效应
固定化酶
本征速率和本征动力学参数
本征速率和动力学参数 分配效应 固有速率和动力学参数
扩散限制
有效速率和动力学参数
第三章 固定化酶反应动力学
固定化酶促反应中，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，两者相互耦合，外部扩 散通常先于反应。
第三章 固定化酶反应动力学
因此，当反应过程为外 扩散控制时，Da 1，cs 0 cs K 1 cs Da Da K cs cs cs (1 K) 1 K E＝ E＝ K cs Da 此时反应宏观速率可表 示为 R si k L acS0 为一级反应动力学特性 。 当反应过程为反应动力 学控制时，Da 1, 并有 E 1 R si rS0
1.Da<<1时，动力学控制； 2.Da>>1时，扩散传貭控制。
第三章 固定化酶反应动力学

化工上引用效率因子来描述固体催化剂颗粒催化反应进行的有效程 度，固定化酶同为固体催化剂，效率因子定义为：
Rsi 有外扩散影响时的实际 反应速率 E 无外扩散影响时的固定 化酶外表面处的反应速 率 rso
底物由主体向固定化酶颗粒表 面的扩散速率RSd正比于传质 表面积和传质推动力。
反应速率
RSd=kLa(cso -csi)
式中： kL----液膜传质系数 a-----传质比表面积 cso---液体主体中的底物浓度 CSi—固定化酶表面处底物浓度
rmaxcsi Rsi K m csi
第三章 固定化酶反应动力学
cs 1 cs Da K cs
第三章 固定化酶反应动力学
cs

2
1
4K
2
1
Da K 1
α>0,取“+”，反之取“-”，根据此式即可确定表面浓度!确定了 表面浓度后即可确定宏观反应速率Rsi
第三章 固定化酶反应动力学
rmax 最大反应速率 Da k L acso 最大传貭速率
cs (1 K ) E cs K
第三章 固定化酶反应动力学
rmaxcso Rsi E rso E K m cso
cs (1 K ) (1)E 1, cs 1 csi cso cs K (2)E 1, 有外扩散效应，限制了 反应速率 (3)E 1, 宏观反应速率受扩散的 控制
•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小的那个。
Rs rso Rsi
rd
主体浓度co
第三章 固定化酶反应动力学
当达到稳定状态时：
rmax csi Rsi Rsd k La(cso - csi ) K m csi
rmax csi cso csi k L a K m csi rmax Km 引入：cs csi / cso , K m , Da cso k L acso