生化工程第七章固定化酶和細(xì)胞演示文稿

生化工程第七章固定化酶和細(xì)胞演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)（優(yōu)選）生化工程第七章固定化酶和細(xì)胞目前二頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)2、微環(huán)境效應(yīng)—分配效應(yīng)

固定化酶處于主體溶液中，形成非均相反應(yīng)系統(tǒng)。在固定化酶附近的環(huán)境稱為微環(huán)境，而主體溶液則稱為大環(huán)境。由于載體和底物的疏水性、親水性以及靜電作用，使微環(huán)境與大環(huán)境有不同的性質(zhì)，從而形成底物和各種效應(yīng)物的不均勻分布，這種效應(yīng)稱為分配效應(yīng)。目前三頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)3、擴(kuò)散阻力

用固定化酶進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，底物必須從主體溶液傳遞到固定化酶內(nèi)部的催化部位。反應(yīng)后，產(chǎn)物又沿著相反路線從酶的催化部位傳遞到主體溶液。這些傳遞過(guò)程包括被動(dòng)分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散，傳遞過(guò)程中存在著一個(gè)擴(kuò)散速率限制問(wèn)題。這種擴(kuò)散限制效應(yīng)在擴(kuò)散效率很低時(shí)，而酶的催化活力又相當(dāng)高時(shí)特別顯著。目前四頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)底物從反應(yīng)液移向載體表面（外擴(kuò)散）底物從載體表面移向酶活性中心（內(nèi)擴(kuò)散）酶反應(yīng)產(chǎn)物由反應(yīng)位點(diǎn)移向載體表面（內(nèi)擴(kuò)散）產(chǎn)物移到反應(yīng)液中（外擴(kuò)散）總的反應(yīng)速度取決于最慢的步驟3、擴(kuò)散阻力目前五頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)3、擴(kuò)散阻力限速步驟有可能是外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散或酶反應(yīng)。存在的擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)使固定化酶、固定化細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)行為偏離其液態(tài)下的動(dòng)力學(xué)行為。目前六頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)4、外擴(kuò)散限制的分析及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響

外擴(kuò)散發(fā)生在固定化酶周圍的處于停滯狀態(tài)的液膜層。由于存在外擴(kuò)散阻力，底物將在固定化酶周圍形成濃度梯度。滯流層的厚度在一定限度內(nèi)，它受固定化酶界面周圍溶液的相對(duì)速度的影響。外擴(kuò)散限制隨反應(yīng)體系攪拌速度的增加而減少。目前七頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)4、外擴(kuò)散限制的分析及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響存在外擴(kuò)散限制的固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：

V=Vm=K·E，E為固定化酶濃度Km(app)：表觀米氏常數(shù)在操作上使流體的湍動(dòng)程度大，能改變或消除外擴(kuò)散的影響。Vm·SS+Km(app)目前八頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)5、內(nèi)擴(kuò)散限制的分析以及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響

內(nèi)擴(kuò)散阻力發(fā)生在多孔性固定化酶載體的內(nèi)部，它是底物傳遞到固定化酶內(nèi)部時(shí)的一種擴(kuò)散限制效應(yīng)。目前九頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)5、內(nèi)擴(kuò)散限制的分析以及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響

在微環(huán)境內(nèi)底物的消耗和產(chǎn)物的積累程度，也常和這些物質(zhì)的分子量大小有關(guān)。

目前十頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)5、內(nèi)擴(kuò)散限制的分析以及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響

大分子物質(zhì)在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散時(shí)，其擴(kuò)散系數(shù)較小，以致在微環(huán)境中形成嚴(yán)重的底物枯竭和產(chǎn)物的大量積累，這會(huì)嚴(yán)重影響酶促反應(yīng)速度。

目前十一頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)5、內(nèi)擴(kuò)散限制的分析以及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響

內(nèi)擴(kuò)散限制對(duì)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，比外擴(kuò)散更為突出，因?yàn)橥鈹U(kuò)散限制可以通過(guò)攪拌來(lái)基本消除，而內(nèi)擴(kuò)散限制無(wú)法消除。在固定化酶、固定化細(xì)胞的內(nèi)部，不存在流體流動(dòng)，其傳質(zhì)完全依賴于分子被動(dòng)擴(kuò)散作用。定義η為有效系數(shù)：η==V有V無(wú)有微孔內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)下的反應(yīng)速度無(wú)微孔內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)的反應(yīng)速度目前十二頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)5、內(nèi)擴(kuò)散限制的分析以及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響固定化酶、細(xì)胞的反應(yīng)速度：

V=ηVm·Sa/(Km+Sa)Sa：載體表面底物濃度η是與內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)Φ有關(guān)的因子Φ=R√Vm/Km·Deη∝1/ΦR為固定化顆粒半徑目前十三頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)8.4均相酶反應(yīng)器

1、影響均相酶反應(yīng)速度的因素，通常有下列三方面：（1）濃度因素:酶濃度底物濃度產(chǎn)物濃度濃度因素是所有影響因素中最基本的因素；是均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的主要內(nèi)容。目前十四頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)（2）外部反應(yīng)環(huán)境因素是指反應(yīng)環(huán)境中的溫度、壓力、pH以及溶劑的介電常數(shù)、離子強(qiáng)度等。（3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素

是指底物和酶的結(jié)構(gòu)。目前十五頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)2、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理及操作參數(shù)

為了設(shè)計(jì)酶反應(yīng)器以及確定反應(yīng)操作條件，首先必須了解：反應(yīng)速度特性以及溫度、pH等因素的影響，建立反應(yīng)速率方程式；反應(yīng)器的形式和反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)以及傳熱特點(diǎn)；產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。目前十六頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)2、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理及操作參數(shù)通常，物料平衡、熱量平衡、反應(yīng)速率和流動(dòng)特性等各關(guān)系式都可同時(shí)應(yīng)用于反應(yīng)器設(shè)計(jì)。參與反應(yīng)的各組分均服從于質(zhì)量守恒定律，這是設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。目前十七頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)表示反應(yīng)器性能的重要操作參數(shù)：

空間時(shí)間、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)率；當(dāng)有副反應(yīng)發(fā)生時(shí)，選擇率也是重要的參數(shù)。①空間時(shí)間（簡(jiǎn)稱空時(shí)，spacetime）表示反應(yīng)物在連續(xù)操作反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間?？諘r(shí)的倒數(shù)

稱為空速(spacevelocity)。

目前十八頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)PFR:CSTR:：反應(yīng)器容積(L)；

q：加入反應(yīng)器的底物溶液體積流量。

目前十九頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)②轉(zhuǎn)化率x，又稱為反應(yīng)率。表示加入反應(yīng)器中底物的轉(zhuǎn)化率。間歇操作:

S0:初始底物濃度；St:經(jīng)反應(yīng)時(shí)間t后的底物濃度

連續(xù)操作:Sin:流入反應(yīng)器溶液中的底物濃度Sout:流出反應(yīng)器溶液中的底物濃度目前二十頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)③生產(chǎn)率Pr（生產(chǎn)能力productivity）

指反應(yīng)器單位體積單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)物生成量。間歇式反應(yīng)器：Pr=pt/t,連續(xù)式反應(yīng)器：Pr=pout/t.目前二十一頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)式中asp代表1摩爾底物能生成目的產(chǎn)物P的理論量（摩爾），其數(shù)值取決于反應(yīng)的計(jì)量式。④選擇率Ssp(selectivity)當(dāng)反應(yīng)過(guò)程中有副反應(yīng)發(fā)生，除生成目的產(chǎn)物外，還生成其它產(chǎn)物時(shí)，通常使用選擇率這個(gè)概念。Ssp是指實(shí)際轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物量與全部底物可生成產(chǎn)物的理論量之比。目前二十二頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)3、理想的均相酶反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué)

對(duì)三種最基本的反應(yīng)器型式進(jìn)行討論。間歇攪拌罐（BSTR）活塞流反應(yīng)器（PFR）全混流反應(yīng)器（CSTR）目前二十三頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前二十四頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)（1）PFR的操作特性方程物料在PFR反應(yīng)器中的停留時(shí)間dlFFS0

S

dV=Adll=0l=LSS+dS以底物S進(jìn)行物料衡算：流入量=流出量+反應(yīng)量+積累量FSF（S+dS）-rsdV0目前二十五頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)流入量=流出量+反應(yīng)量+積累量FSF（S+dS）-rsdV0-FdS=-rsdV=-rsAdlτ=-∫

dS-rs-rs=將米氏方程代入目前二十六頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)這是BSTR和PFR的酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)操作方程式。

在邊界條件：

L=0，S=S0；l=L，s=S，積分：

得：目前二十七頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)（2）CSTR的操作特性方程

穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)于底物S進(jìn)行整個(gè)反應(yīng)器的物料衡算：流入量=流出量+反應(yīng)量+積累量

FS0FSt

-rsV0FFS0

St

整理：-rs=將米氏方程代入目前二十八頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)整理：CSTR操作特性方程為：目前二十九頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)在工程上要求，在最短的操作時(shí)間內(nèi)，用最少量的（固定化）酶，達(dá)到最大的產(chǎn)物生成量、最高的底物轉(zhuǎn)化率，以使生產(chǎn)成本最低。(這些條件稱之為反應(yīng)器效率。)下面比較CSTR和PFR的反應(yīng)器效率目前三十頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)（3）PFR和CSTR反應(yīng)器的生產(chǎn)時(shí)間比較為了方便比較，把操作方程改寫為：……CSTR

……PFR

目前三十一頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)PFR和CSTR的生產(chǎn)時(shí)間比較x應(yīng)在80﹪以上。達(dá)同樣的轉(zhuǎn)化率，F(xiàn)值差別很大。而且越小，差別越顯著。

結(jié)論：PFR的停留時(shí)間小于CSTR的停留時(shí)間目前三十二頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)…PFR

（4）PFR和CSTR反應(yīng)器的用酶量比較

…CSTR

目前三十三頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)轉(zhuǎn)化率x愈高，

Km/S0

越小，用酶量的差別越大。反應(yīng)器體積一定，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，ECSTR/EPFR

與轉(zhuǎn)化率的比較在給定的反應(yīng)體系下，反應(yīng)器中的裝酶量為定值，達(dá)一定x下反應(yīng)器所需酶量愈少，反應(yīng)器的反應(yīng)容量能力也就愈大?？梢?jiàn)PFR的生產(chǎn)能力比CSTR的大。

目前三十四頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)8.5固定化酶、固定化細(xì)胞反應(yīng)器及動(dòng)力學(xué)目前三十五頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前三十六頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前三十七頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)目前三十八頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)2、固定化酶、細(xì)胞反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)固定化酶、固定化細(xì)胞反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué)行為與理想酶反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)不同。其主要原因是：（1）反應(yīng)器中流體是非理想流動(dòng)（2）固定化酶、固定化細(xì)胞反應(yīng)中存在著擴(kuò)散效應(yīng)。

目前三十九頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)（1）非理想反應(yīng)器

PFR和CSTR是理想反應(yīng)器的兩個(gè)極端，實(shí)際的反應(yīng)器物料流動(dòng)狀態(tài)介于平推流和全混流之間。偏離理想流動(dòng)的原因是返混。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于接近PFR的反應(yīng)器，用擴(kuò)散模型來(lái)描述；對(duì)于接近STR型反應(yīng)器，可將其視為多極STR串聯(lián)起來(lái)的反應(yīng)器處理。

CSTRPFR目前四十頁(yè)\總數(shù)四十三頁(yè)\編于十七點(diǎn)（2）擴(kuò)散效應(yīng)

盡管動(dòng)力學(xué)方程要求其中的參數(shù)應(yīng)與過(guò)程發(fā)生的機(jī)制聯(lián)系在一起，然而如果將固定化顆粒粒度、孔徑等等都代入動(dòng)力學(xué)方程，復(fù)雜程度會(huì)太大，所以從實(shí)用簡(jiǎn)單的角度出發(fā)，用表觀米代常數(shù)Km(app)、表觀最大速率Vmax(app)代替Km和Vm、或以有效系數(shù)乘之，就可如對(duì)待理想酶反應(yīng)一樣進(jìn)行解析，這樣即簡(jiǎn)潔又有用。

V=ηVm·Sa/(Km+Sa)，V=Vm·SS+Km(app)目前四十一頁(yè)\總數(shù)四十三