第三章 固定化生物催化劑反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)

第三章固定化生物催化劑反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)第1頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章

固定化生物催化劑

反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)第2頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)固定化生物催化劑概論

酶固定化的意義酶固定化的方法影響固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的因素

第3頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月均相酶反應(yīng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)酶隨產(chǎn)物排出，無(wú)法重復(fù)使用；增加產(chǎn)物純化難度；不穩(wěn)定，易變性失活

第4頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、什么是固定化酶？

通過(guò)物理或化學(xué)的方法使溶液酶結(jié)合在不溶于水的載體上，或被限制在有限空間內(nèi)，能與反應(yīng)液分離，保留在反應(yīng)器內(nèi)或能夠被回收并反復(fù)利用，不溶于水但仍具有酶活力的酶

第5頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化酶的優(yōu)點(diǎn)容易從反應(yīng)體系中分離可以重復(fù)使用機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性增加便于連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)第6頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月固定化技術(shù)的發(fā)展固定化酶固定化細(xì)胞1916年Nelson和Griffin發(fā)現(xiàn)酵母蔗糖酶能被骨炭粉末吸附并在吸附狀態(tài)下仍具有催化活性，后來(lái)科學(xué)家開始了固定化酶的研究工作。首例工業(yè)化應(yīng)用固定化酶是1969年由Chibata及其同事在日本TanakeSciyaku公司實(shí)現(xiàn)的，他們將米曲酶（Aspergillusoryzae）的氨基?；腹潭ê笥糜诓鸱趾铣傻耐庀鼶L-氨基酸，得到相應(yīng)的旋光性的對(duì)映體。

第7頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、酶的固定化方法

載體結(jié)合法交聯(lián)法包埋法第8頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、載體結(jié)合法物理吸附法共價(jià)鍵法離子鍵法第9頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）物理吸附法活性炭、硅膠、硅藻土、陶瓷。酶活收率高結(jié)合力弱，易脫落簡(jiǎn)便易行操作流程：將酶溶液溶解于緩沖液中，加入載體，振蕩或者攪拌一定時(shí)間后，抽濾、洗滌、冷凍干燥，得到固定化酶。第10頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）共價(jià)鍵法利用氨基、羥基、胍基、咪唑基等反應(yīng)活性高的未結(jié)合基團(tuán)。易失活、酶活收率低結(jié)合牢固第11頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）離子鍵法離子靜電引力離子交換樹脂操作簡(jiǎn)單酶活收率高結(jié)合力弱，易脫離第12頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、交聯(lián)法酶與具有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的試劑反應(yīng)戊二醛第13頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)不需要載體反應(yīng)劇烈，酶活收率低結(jié)合牢固第14頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、包埋法將酶包埋在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內(nèi)聚丙烯酰胺凝膠、海藻酸鈣、瓊脂。第15頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)包埋法只適合于底物和產(chǎn)物均為小分子物質(zhì)的酶的固定化酶活收率高制備成本高第16頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月概念：酶活力收率

酶活力收率是指實(shí)際測(cè)定的固定化酶的活力(E3)與固定化時(shí)所用的全部游離酶的活力(E1+E2+E3)之比，包括因未固定化而損失的酶活(E1)第17頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月概念：酶的活力表現(xiàn)率

酶的活力表現(xiàn)率是指實(shí)際測(cè)定的固定化酶活力(E3)與被固定化的酶在溶液狀態(tài)時(shí)的總活力之比(E2+E3)第18頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、酶固定化后的變化

底物專一性的改變pH活性曲線和最適pH的變化穩(wěn)定性的變化第19頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、影響固定化酶動(dòng)力學(xué)的因素

酶結(jié)構(gòu)的改變位阻效應(yīng)分配效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng)第20頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、酶結(jié)構(gòu)的改變

第21頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、位阻效應(yīng)

立體障礙與底物分子的大小、形狀及性質(zhì)有關(guān)。

第22頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、分配效應(yīng)分配系數(shù)K=Csg/Csi第23頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、擴(kuò)散效應(yīng)

外擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散第24頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月研究方法建立包括傳質(zhì)速率和酶的催化反應(yīng)速率在內(nèi)的反應(yīng)速率方程外擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散內(nèi)外擴(kuò)散同時(shí)存在第25頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)

外擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)速率的限制效應(yīng)第26頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、外擴(kuò)散傳質(zhì)速率研究對(duì)象的簡(jiǎn)化理論模型第27頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Fick定律第28頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、宏觀反應(yīng)速率的求解外表面擴(kuò)散速率（Fick定律）外表面反應(yīng)速率第29頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)力學(xué)控制外擴(kuò)散控制第30頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月求取過(guò)程引入無(wú)因次變量第31頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月丹克萊爾準(zhǔn)數(shù)★定義式物理意義Da>>1Da<<1第32頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、外擴(kuò)散有效因子動(dòng)力學(xué)控制外擴(kuò)散控制消除外擴(kuò)散的方法第33頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)任意n級(jí)反應(yīng)的有效因子n=1n=2第34頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、外擴(kuò)散限制與化學(xué)抑制同時(shí)存在非競(jìng)爭(zhēng)性抑制底物抑制第35頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制第36頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月負(fù)協(xié)同效應(yīng)第37頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、底物抑制第38頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)非穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)第39頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)

擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)速率的

限制效應(yīng)問(wèn)題的引出內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程的特點(diǎn)第40頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)外表面積AP、比表面積Sg平均微孔半徑顆粒體積VP、孔隙體積Vg孔隙率第41頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顆粒真實(shí)密度顆粒表觀密度顆粒堆積密度第42頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)理以濃度差為推動(dòng)力Knudson擴(kuò)散分子擴(kuò)散（Fick定律）有效分子擴(kuò)散系數(shù)De第43頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、微孔內(nèi)的濃度分布

（球狀固定化酶）簡(jiǎn)化假設(shè)載體和酶均勻分布等溫、等De不考慮酶的失活擴(kuò)散傳質(zhì)濃度是半徑的函數(shù)第44頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

第45頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解與rs有關(guān)第46頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、M-M方程第47頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月無(wú)解析解，只有數(shù)值解第48頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、一級(jí)反應(yīng)第49頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方程的解第50頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常數(shù)的求解第51頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顆粒內(nèi)底物濃度分布函數(shù)第52頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、零級(jí)反應(yīng)第53頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月臨界半徑Rc最大顆粒半徑Rmax第54頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、微孔內(nèi)的濃度分布

（膜狀固定化酶）第55頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理論模型（單面擴(kuò)散）第56頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月輸入－輸出＝消耗第57頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、米氏方程第58頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、一級(jí)反應(yīng)第59頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、零級(jí)反應(yīng)臨界厚度最大厚度第60頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月梯勒模數(shù)Φ定義式物理意義動(dòng)力學(xué)控制內(nèi)擴(kuò)散控制第61頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、內(nèi)擴(kuò)散有效因子第62頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、球形固定化酶

第63頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一級(jí)反應(yīng)第64頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第65頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月零級(jí)反應(yīng)第66頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、膜狀固定化酶

單面擴(kuò)散

雙面擴(kuò)散第67頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、影響內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)的因素一級(jí)反應(yīng)的梯勒模數(shù)通式第68頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)內(nèi)外擴(kuò)散同時(shí)存在時(shí)的限制效應(yīng)一級(jí)不可逆反應(yīng)第69頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、總有效因子實(shí)際反應(yīng)速率/本征反應(yīng)速率第70頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月總有效因子的推導(dǎo)傳質(zhì)速率＝以外表面底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率第71頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以外表面底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率＝以主體溶液底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率第72頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月引入Biot準(zhǔn)數(shù)第73頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)

生物膜和菌絲團(tuán)的擴(kuò)散反應(yīng)模型第74頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、生物膜的擴(kuò)散反應(yīng)模型生物膜的厚度第75頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物膜擴(kuò)散-反應(yīng)模型假設(shè)生物膜內(nèi)為單一菌種單一限制性底物生物膜擬穩(wěn)態(tài)薄的平板生物膜生物膜內(nèi)細(xì)胞相同第76頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、菌絲團(tuán)的擴(kuò)散反應(yīng)模型絲狀菌第77頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)外傳遞速率的影響第78頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)

擴(kuò)散影響下的表觀動(dòng)力學(xué)特性第79頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、對(duì)反應(yīng)速率與濃度關(guān)系的影響第80頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)的影響任意n級(jí)反應(yīng)第81頁(yè)，課件共87頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第82頁(yè)，課件