生物反應(yīng)工程原理課件

1、生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理2.2.3 2.2.3 多底物酶促反應(yīng)動力學(xué)多底物酶促反應(yīng)動力學(xué)生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理一般的多底物酶促反應(yīng)可表示為：一般的多底物酶促反應(yīng)可表示為： RQPCBA這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況QPBA 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理反應(yīng)機(jī)制：反應(yīng)機(jī)制：關(guān)鍵問題：底物關(guān)鍵問題：底物A A、B B哪個先和酶結(jié)合？哪個先和酶結(jié)合？ u 任何一個都有可能先與酶結(jié)合任何一個都有可能先與酶結(jié)合 （隨機(jī)機(jī)制）（隨機(jī)機(jī)制）u A A先與酶結(jié)合或先與酶結(jié)合或B B先與酶結(jié)合先與酶結(jié)合 u 兩底物同時與酶結(jié)合兩底物同時與酶結(jié)合 （可能性極?。赡苄?/p>

2、極?。╇S機(jī)機(jī)制（分支機(jī)制）隨機(jī)機(jī)制（分支機(jī)制）EEBEAEABEPQEPEQE（不形成三元復(fù)合物）反應(yīng)模型（不形成三元復(fù)合物）反應(yīng)模型EAEAAPPBBEQQQEEG （ EG：修飾過的酶：修飾過的酶 ）簡單機(jī)制簡單機(jī)制EEAEABAABBEPQQQEPEPP生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理雙底物酶促反應(yīng)動力學(xué)雙底物酶促反應(yīng)動力學(xué) 反應(yīng)機(jī)理：反應(yīng)機(jī)理：EAAEPEEABAEB B B AKAKBKBK2k生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理EABCkr2 AEAAEKCCC AEABAEBKCCCBEBBEKCCC BEABBEAKCCC EABEBEAEEOCCCCC EABEBEAEEOCCC

3、CC 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理解之，得解之，得)(maxBBAABACKCKCCrr 式中：式中：EOCkr2max 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理2.3 固定化酶促反應(yīng)動力學(xué) 2.3.1 2.3.1 固定化酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)固定化酶促反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ) 2.3.1.1 2.3.1.1 酶的固定化技術(shù)定義酶的固定化技術(shù)定義 酶的固定化技術(shù)是將水溶性的酶分子通過一定的方式，酶的固定化技術(shù)是將水溶性的酶分子通過一定的方式，如靜電吸附，共價鍵等與載體如角叉菜膠、離子交換樹脂如靜電吸附，共價鍵等與載體如角叉菜膠、離子交換樹脂等材料制成固相酶的技術(shù)。等材料制成固相酶的技術(shù)。 細(xì)胞的固定化技術(shù)細(xì)胞的

4、固定化技術(shù): : 為省去從微生物（或動、植物）中為省去從微生物（或動、植物）中提取酶的操作，確保酶的穩(wěn)定性，采用直接固定化微生物提取酶的操作，確保酶的穩(wěn)定性，采用直接固定化微生物細(xì)胞、動植物細(xì)胞、組織技術(shù)。細(xì)胞、動植物細(xì)胞、組織技術(shù)。生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理 物理吸附法物理吸附法 載體結(jié)合法載體結(jié)合法 離子結(jié)合法離子結(jié)合法 共價結(jié)合法共價結(jié)合法 交聯(lián)法交聯(lián)法 格子型格子型 包埋法包埋法 微膠囊微膠囊2.3.1.2 2.3.1.2 酶和細(xì)胞固定化方法酶和細(xì)胞固定化方法 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理交聯(lián)法交聯(lián)法EOEEOOOE生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理2.3.1.3 2.3.1.

5、3 固定化對酶性質(zhì)的影響固定化對酶性質(zhì)的影響 底物專一性的改變底物專一性的改變 穩(wěn)定性增強(qiáng)穩(wěn)定性增強(qiáng) 最適最適pHpH值和最適溫度變化值和最適溫度變化 動力學(xué)參數(shù)的變化動力學(xué)參數(shù)的變化 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理2.3.1.4 2.3.1.4 影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素 分子構(gòu)象的改變分子構(gòu)象的改變 位阻效應(yīng)位阻效應(yīng) 微擾效應(yīng)微擾效應(yīng) 分配效應(yīng)分配效應(yīng) （可用（可用Kp Kp 定量描述定量描述）鏈接 擴(kuò)散效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng) （可定量描述）（可定量描述）生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理分配系數(shù)分配系數(shù) (Kp)(Kp)鏈接 分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物分配系數(shù)：載體內(nèi)外底

6、物( (或其他物質(zhì)或其他物質(zhì)) )濃度之比。濃度之比。 Kp Kp的測定：的測定： 已知底物濃度已知底物濃度( (C CS0S0 ) )，體積，體積(V(V0 0) )的溶液的溶液中，放入不含底物的一定體積的載體，并保持適宜中，放入不含底物的一定體積的載體，并保持適宜條件，當(dāng)達(dá)到平衡時，測定載體外溶液的底物濃度條件，當(dāng)達(dá)到平衡時，測定載體外溶液的底物濃度(Cs)(Cs)。生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理2.3.2 2.3.2 固定化酶促反應(yīng)過程分析固定化酶促反應(yīng)過程分析2.3.2.1 2.3.2.1 外部擴(kuò)散過程外部擴(kuò)散過程 以表面固定化酶為例。以表面固定化酶為例。SSmSSoutCKCrr

7、maxCSCSSooutoutrr SmSoCKCrr max生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理外擴(kuò)散過程分析外擴(kuò)散過程分析SSmSSoutCKCrr maxoutrN )(maxSSSLSSmSSCCakCKCr 外擴(kuò)散速率：外擴(kuò)散速率： 達(dá)到平衡時，達(dá)到平衡時，即即 )(SSSLCCakN 酶促反應(yīng)速率：酶促反應(yīng)速率： SLaCkN max生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理N, rrmaxNmax 0 CSS CS(CSS，rout)NmaxN，rrmax0 CSS CS(CSS，rout)maxmaxNr0, 0outSSC maxmaxNr1,outSSSCC 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程

8、原理Da準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) :maxmaxNrDa 當(dāng)當(dāng) 時，時， 過程為外擴(kuò)散控制。過程為外擴(kuò)散控制。 當(dāng)當(dāng) 時，時， 過程為反應(yīng)控制。過程為反應(yīng)控制。1 Da1 Da0, 0outSSC 1,outSSSCC 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理式中式中:)(maxSSSLSSmSSCCakCKCr *maxmaxmax)(1(CCKCaCkrNrDaSL SmSSSCKKCCC ,*表明表明C*為為Da準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，即準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，即 )(*DafC 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理( 時時, )*maxmaxCKCCKCCKCrCKCrrrSSmSSSmSSSmSSooutout mSKC maxrro

9、 表明表明為為C*的函數(shù)，即的函數(shù)，即 out *)(Cgout 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理 可見，Da準(zhǔn)數(shù)是決定效率因子 和比濃度C*的唯一參數(shù)，因而是表征傳質(zhì)過程對反應(yīng)速率影響的基本準(zhǔn)數(shù)。 Da準(zhǔn)數(shù)越小，固定化酶表面濃度越接近于主體濃度CS， 越接近于1。Da準(zhǔn)數(shù)越大，固定化酶表面濃度越趨近于零， 越小，越趨近于零。out out out 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理 為提高固定化酶外擴(kuò)散效率為提高固定化酶外擴(kuò)散效率,應(yīng)設(shè)法減小應(yīng)設(shè)法減小Da準(zhǔn)數(shù)。減小準(zhǔn)數(shù)。減小Da準(zhǔn)數(shù)的措施：準(zhǔn)數(shù)的措施： 1、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面積，但由于粒徑減小

10、會伴隨壓降增加，面積，但由于粒徑減小會伴隨壓降增加，因此應(yīng)用中綜合考慮，確定合適的粒徑。因此應(yīng)用中綜合考慮，確定合適的粒徑。 2、使固定化酶表面流體處于湍流狀態(tài)以、使固定化酶表面流體處于湍流狀態(tài)以增大增大 。Lk生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理2.3.2.2 內(nèi)部擴(kuò)散過程內(nèi)部擴(kuò)散過程 具有大量內(nèi)孔的球形固定化酶顆粒Rdrroininrr 內(nèi)擴(kuò)散效率因子內(nèi)擴(kuò)散效率因子生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理穩(wěn)定狀態(tài)下，對底物進(jìn)行物料衡算：穩(wěn)定狀態(tài)下，對底物進(jìn)行物料衡算： drrrdrdCDerdrdCDedrrSrSrdrrSr22244)(4 流入量流出量反應(yīng)量流入量流出量反應(yīng)量生物反應(yīng)工程原理生物反

11、應(yīng)工程原理整理整理, ,得得drrrdrdCDerdrdCDedrrdrrSrSrdrrSr222244)(24 drrrdrdCrdrDedrdCdrdCDerSdrrSrrSrdrrSr22484 Dedrr24 兩側(cè)同除兩側(cè)同除 , ,得得DerdrdCrdrCdSSrSr 222生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理當(dāng)反應(yīng)符合米氏方程規(guī)律時，當(dāng)反應(yīng)符合米氏方程規(guī)律時，SrmSrSCKCrr max)(2max22SrmrSSrSrCKDeCrdrdCrdrCd 故故, ,令令 , , , , , ,SSSrXCCC Rrl mSSKC mDeKrR9max22 上式可轉(zhuǎn)化為無因次形式，得上式

12、可轉(zhuǎn)化為無因次形式，得 XXXXccdldcldlcd 192222生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理邊界條件邊界條件: :0 l0 dldcX1 l1 Xc, , ,該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理西勒西勒準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)( ) 的物理意義是表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率的物理意義是表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率之比。對各類反應(yīng)動力學(xué)與固定化酶的形狀，之比。對各類反應(yīng)動力學(xué)與固定化酶的形狀，普遍化的普遍化的 的定義式為的定義式為 :21,2 SSeqSCCssPPdCsDerrAV生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理SSmSSRrSrSSmS

13、SRrSroininCKCrdrdCDeRCKCrRdrdCDeRrr maxmax323344 引入無因次參數(shù)，則引入無因次參數(shù)，則 11321lXindldcin 無解析解，只有數(shù)值解。無解析解，只有數(shù)值解。 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理見教材見教材33頁圖頁圖2-10 內(nèi)擴(kuò)散效率因子內(nèi)擴(kuò)散效率因子 in 是是 和和 的函數(shù)。的函數(shù)。 對對 in影響不大，影響影響不大，影響 in的主要參的主要參數(shù)是西勒準(zhǔn)數(shù)數(shù)是西勒準(zhǔn)數(shù) 。如果。如果 ，則，則 不隨不隨 變化，近似等于變化，近似等于1，也就是說，也就是說沒有內(nèi)部傳質(zhì)阻力，若沒有內(nèi)部傳質(zhì)阻力，若 ，則則 ，反應(yīng)為內(nèi)擴(kuò)散所限制。，反應(yīng)為內(nèi)擴(kuò)散所限制。3 . 0 3 . 01inin 生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理 為提高固定化酶內(nèi)擴(kuò)散效率，為提高固定化酶內(nèi)擴(kuò)散效率，應(yīng)設(shè)法減小應(yīng)設(shè)法減小 。 減小減小 的措施主要是適當(dāng)降低固的措施主要是適當(dāng)降低固定化酶顆粒粒徑。定化酶顆粒粒徑。生物反應(yīng)工程原理生物反應(yīng)工程原理外擴(kuò)散過程外擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程 Da準(zhǔn)數(shù)是決定外擴(kuò)散準(zhǔn)數(shù)是決定外擴(kuò)散 效率的唯一參數(shù)。效率的唯一參數(shù)。 準(zhǔn)數(shù)是決定內(nèi)擴(kuò)散準(zhǔn)數(shù)