固定化生物催化剂反应过程动力学.ppt
《固定化生物催化剂反应过程动力学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固定化生物催化剂反应过程动力学.ppt（94页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基本要求：
基本要求：
1掌握宏观反应速率的定义、内外掌握宏观反应速率的定义、内外扩散限制效应对酶催化反应速率的限制、有效扩散限制效应对酶催化反应速率的限制、有效因子的计算；因子的计算；2熟悉各种抑制效应的特点、有熟悉各种抑制效应的特点、有效因子；效因子；3了解扩散影响下的表观动力学参数、了解扩散影响下的表观动力学参数、固定化酶的失活。
固定化酶的失活。
教学重点和难点：
教学重点和难点：
外扩散存在下反应速度的计算。
外扩散存在下反应速度的计算。
内扩散存在下颗粒内组分的浓度分布和反应速度内扩散存在下颗粒内组分的浓度分布和反应速度计算。
计算。
第第3章章固定化生物催化剂反应过程动力学固定化生物催化剂反应过程动力学3.1固定化生物催化剂概论固定化生物催化剂概论固定化酶固定化酶固定化细胞固定化细胞固定化生物催化剂固定化生物催化剂:
通过物理或化学的方法将通过物理或化学的方法将生物催化剂生物催化剂束缚在一定的空间内并呈闭锁关态，但束缚在一定的空间内并呈闭锁关态，但仍具有生物催化活性的一种生物催化剂仍具有生物催化活性的一种生物催化剂均相（水溶液）酶反应的缺点：
均相（水溶液）酶反应的缺点：
分离难、费分离难、费用高、影响质量；难以重复使用；酶易变性用高、影响质量；难以重复使用；酶易变性失活失活l容易分离出来、反复使用容易分离出来、反复使用固定化酶特点：
固定化酶特点：
l稳定性增加稳定性增加l连续化和自动化连续化和自动化3.1.1.1酶的固定化酶的固定化固定化固定化酶的制备方法：
酶的制备方法：
载体结合法、载体结合法、交联法、交联法、包埋法。
包埋法。
1、载体结合法：
、载体结合法：
将酶结合于水不溶性载体将酶结合于水不溶性载体的方法。
的方法。
类型：
类型：
物理吸附法、离子结合法和共价结物理吸附法、离子结合法和共价结合法等合法等
（1）物理吸附法：
）物理吸附法：
酶被物理吸附于不溶性酶被物理吸附于不溶性载体。
载体。
特点：
特点：
酶活性中心不易被破坏，酶结构变化少；酶活性中心不易被破坏，酶结构变化少；酶与载体相互作用力弱，酶易脱落的缺点。
酶与载体相互作用力弱，酶易脱落的缺点。
载体：
载体：
活性炭、多孔玻璃、氧化铝、硅胶、淀粉、活性炭、多孔玻璃、氧化铝、硅胶、淀粉、合成树脂等。
合成树脂等。
3.1.1生物催化剂的固定化生物催化剂的固定化
（2）离子结合法：
）离子结合法：
酶通过离子键结合于具酶通过离子键结合于具有离子交换基的水不溶性载体的固定化。
有离子交换基的水不溶性载体的固定化。
载体：
载体：
多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换树脂，（树脂，（DEAE-纤维素）纤维素）优点：
优点：
操作简单，条件温和，酶高级结构和活性操作简单，条件温和，酶高级结构和活性中心的氨基酸残基不易破坏；能得到酶活回收率中心的氨基酸残基不易破坏；能得到酶活回收率较高的固定化酶。
较高的固定化酶。
缺点：
缺点：
载体与酶的结合力弱，容易受缓冲液种类载体与酶的结合力弱，容易受缓冲液种类或或pH的影响，在离子强度高的条件下反应时，的影响，在离子强度高的条件下反应时，酶易从载体上脱落。
酶易从载体上脱落。
（3）共价结合法：
）共价结合法：
酶以共价键结合于载体酶以共价键结合于载体的固定化方法，此法将载体有关基团活化，然的固定化方法，此法将载体有关基团活化，然后与酶有关基团发生偶联反应。
或是在载体上后与酶有关基团发生偶联反应。
或是在载体上接一个双功能基团，然后将酶偶联上去。
接一个双功能基团，然后将酶偶联上去。
优点：
优点：
它是载体结合法中应用最多的一种。
它是载体结合法中应用最多的一种。
缺点：
缺点：
反应条件比较苛刻，操作复杂，并且易引起反应条件比较苛刻，操作复杂，并且易引起酶高级结构产生变化，破坏了部分活性中心，酶活酶高级结构产生变化，破坏了部分活性中心，酶活回收率一般为回收率一般为30%左右。
左右。
可与载体结合的酶的功能基团：
可与载体结合的酶的功能基团：
氨基、羧基、氨基、羧基、羟基、酚基等。
羟基、酚基等。
方法：
方法：
重氮法、溴化氰法等。
重氮法、溴化氰法等。
2、交联法：
、交联法：
用双功能试剂使酶与酶之间用双功能试剂使酶与酶之间交联的固定化方法。
交联的固定化方法。
交联剂：
交联剂：
戊二醛（形成希夫碱）；异氰酸脂戊二醛（形成希夫碱）；异氰酸脂（形成肽键）；双重氮联苯胺（发生重氮偶合（形成肽键）；双重氮联苯胺（发生重氮偶合反应）反应）此法反应条件比较激烈，酶活回收率低。
此法反应条件比较激烈，酶活回收率低。
与共价结合法比较：
与共价结合法比较：
都是利用都是利用共价键共价键固定酶的，固定酶的，不同的是它不使用不同的是它不使用载体载体。
3、包埋法、包埋法类型：
类型：
网格型和微囊型网格型和微囊型优点：
优点：
一般很少改变酶的高级结构，酶活回收率一般很少改变酶的高级结构，酶活回收率较高，因此可用于许多酶的固定化，但必须巧妙较高，因此可用于许多酶的固定化，但必须巧妙地设计反应条件。
地设计反应条件。
缺点：
缺点：
只适合作用于小分子底物和产物的酶，因只适合作用于小分子底物和产物的酶，因为只有小分子才可以通过高分子凝胶的网格进行为只有小分子才可以通过高分子凝胶的网格进行扩散。
扩散。
3.1.1.2细胞的固定化细胞的固定化固定化细胞：
当细胞受到物理、化学等因素的固定化细胞：
当细胞受到物理、化学等因素的约束而被限定在一定空间内，但仍保留其催约束而被限定在一定空间内，但仍保留其催化活力并具有反复使用的特点的这种细胞。
化活力并具有反复使用的特点的这种细胞。
细胞的固定化方法：
细胞的固定化方法：
载体结合法，自聚集法和包埋载体结合法，自聚集法和包埋法法3.1.2固定化生物催化剂的催化特性固定化生物催化剂的催化特性
（1）活性的变化：
）活性的变化：
固定化时，总会有一部固定化时，总会有一部分未被固定而残留在溶液中，造成活性的部分未被固定而残留在溶液中，造成活性的部分损失。
同时由于各种原因也会下降分损失。
同时由于各种原因也会下降。
l酶活力表现率：
酶活力表现率：
指实际测定的固定化酶指实际测定的固定化酶的总活力与被固定化了的酶在溶液状态时的总活力与被固定化了的酶在溶液状态时的总活力之比。
的总活力之比。
l酶活力收率：
酶活力收率：
指实际测定的固定化酶的指实际测定的固定化酶的总活力与固定化时所用的全部游离酶的活总活力与固定化时所用的全部游离酶的活力之比。
力之比。
（2）稳定性：
）稳定性：
保存期保存期t1/2增增1倍；热稳定性倍；热稳定性提高提高10倍以上倍以上（空间结构坚固空间结构坚固）v（3）最适温度和最适温度和pHv（4）米氏常数（米氏常数（Km）3.1.3影响固定化影响固定化生物催化剂生物催化剂特性的因素特性的因素
（1）空间效应空间效应构象效应：
构象效应：
在固定化过程中，由于存在着酶和载在固定化过程中，由于存在着酶和载体的相互作用从而引起酶的活性部位发生某种扭体的相互作用从而引起酶的活性部位发生某种扭曲变形，改变了酶活性部位的三维结构，减弱了曲变形，改变了酶活性部位的三维结构，减弱了酶与底物的结合能力。
酶与底物的结合能力。
位阻效应：
位阻效应：
载体的存载体的存在又可产生屏蔽效应在又可产生屏蔽效应
（2）分配效应（微环境效应）：
分配效应（微环境效应）：
当固定化酶处当固定化酶处在反应体系的主体溶液中时，反应体系成为固液非在反应体系的主体溶液中时，反应体系成为固液非均相体系。
由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电均相体系。
由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶载体内部底物或产物浓度与溶作用等引起固定化酶载体内部底物或产物浓度与溶液主体浓度不同的现象。
液主体浓度不同的现象。
静电效应静电效应的影响为例讨论分配效应对酶催化的影响为例讨论分配效应对酶催化动力学的影响。
动力学的影响。
根据根据Boltzman分配定律：
分配定律：
通常酶可能被固定在带电荷的酶膜上或载体上。
底通常酶可能被固定在带电荷的酶膜上或载体上。
底物在溶液中也会离子化，这样在固定的电荷和移动物在溶液中也会离子化，这样在固定的电荷和移动的离子之间，常会发生静电交互作用，产生分配效的离子之间，常会发生静电交互作用，产生分配效应。
使底物或产物浓度之间出现不均匀分布。
应。
使底物或产物浓度之间出现不均匀分布。
l当载体与底物所带电荷相反时，即当载体与底物所带电荷相反时，即Z、U异号，异号，K大于大于1l当载体与底物所带电荷相同时，即当载体与底物所带电荷相同时，即Z、U同号，同号，K小于小于1静电效应的影响主要静电效应的影响主要表现在对表现在对Km的影响。
的影响。
其根源在于使其根源在于使微环境微环境与主体溶液之间的浓与主体溶液之间的浓度度出现了差异。
出现了差异。
Z、U异号，异号，Km小于小于Km；Z、U同号，同号，Km大于大于Km；任何一方电荷为零，任何一方电荷为零，Km不变不变（3）扩散效应扩散效应l外扩散外扩散l内扩散内扩散3.1.3固定化酶的动力学形式固定化酶的动力学形式
（1）游离酶本征动力学）游离酶本征动力学
（2）固定化酶本征动力学：
）固定化酶本征动力学：
空间效应空间效应（3）固定化酶固有动力学：
）固定化酶固有动力学：
空间、分配空间、分配效应效应（4）固定化酶宏观动力学：
）固定化酶宏观动力学：
空间、分配空间、分配与扩散效应与扩散效应对固定化酶动力学，不仅要考虑固定化酶本身的活对固定化酶动力学，不仅要考虑固定化酶本身的活性变化，而且还要考虑到底物等物质的传质速率影性变化，而且还要考虑到底物等物质的传质速率影响。
因此对这样一个实为非均相响。
因此对这样一个实为非均相（液固液固）体系所建体系所建立的宏观动力学方程不仅包括立的宏观动力学方程不仅包括酶的催化反应速率酶的催化反应速率，还包括还包括传质速率传质速率。
3.2外扩散对反应速率的限制效应外扩散对反应速率的限制效应研究模型：
研究模型：
液体不能渗透的液体不能渗透的无电活性的固无电活性的固定化酶膜定化酶膜或或固定化酶颗粒固定化酶颗粒l底物从液相主体扩散到达固定化酶的底物从液相主体扩散到达固定化酶的外表面；外表面；l底物在固定化酶的外表面上进行反应；底物在固定化酶的外表面上进行反应；l产物从酶外表面扩散进入液相主体。
产物从酶外表面扩散进入液相主体。
3.2.1外扩散限制时的表观反应速率外扩散限制时的表观反应速率非带电的固定化酶，非带电的固定化酶，M-M方程方程Rsi：
消耗速率（宏观反应速率，：
消耗速率（宏观反应速率，mol/（Ls））Rsd：
表面速率，：
表面速率，mol/（Ls）定态条件下，应存在定态条件下，应存在Rsi=Rsd外扩散传质速率快：
外扩散传质速率快：
外扩散传质速率慢：
外扩散传质速率慢：
l当当Cs0值较高时，值较高时，rs0rd，为外扩散控制：
为外扩散控制：
Rsirdl当当Cs0处于中间范围，称处于中间范围，称为过渡区，反应速率与为过渡区，反应速率与扩散速率相差不大，若扩散速率相差不大，若要求取有外扩散影响下要求取有外扩散影响下的反应速率，即的反应速率，即宏观反宏观反应速率应速率过渡区宏观反应速率过渡区宏观反应速率Rsi的求解的求解
（1）由）由Csi值确定值确定RsiDa：
Damkohler，丹克莱尔数，丹克莱尔数当当Da1时，酶催化最大反应速率要大大慢于时，酶催化最大反应速率要大大慢于底物的扩散速率，此时该反应过程为反应动底物的扩散速率，此时该反应过程为反应动力学控制。
力学控制。
当当Da1时，则底物最大扩散速率要大大慢时，则底物最大扩散速率要大大慢于酶催化底物的反应速率，此时该反应过程于酶催化底物的反应速率，此时该反应过程为传质扩散控制。
为传质扩散控制。
3.2.2外扩散有效因子外扩散有效因子E3.2.2.3有抑制时的有抑制时的1.非竞争性化学抑制非竞争性化学抑制3.2.2.3有抑制时的有抑制时的2底物抑制底物抑制3产物抑制产物抑制例例3-1某酶固定在无微孔的球载体上，在无外扩某酶固定在无微孔的球载体上，在无外扩散时测得散时测得rmax=410-5mol/L，Km=210-5mol/L，将，将其放在一底物浓度为其放在一底物浓度为110-5mol/L液相反应器中，液相反应器中，已知体积传质系
升级会员 