第5章

動力學(xué)相關(guān)問題（三）固定化動力學(xué)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)動力學(xué)的因素

均相酶反應(yīng)系統(tǒng)的缺點酶隨產(chǎn)物排出，無法重復(fù)使用；增加產(chǎn)物純化難度；不穩(wěn)定，易變性失活

一、什么是固定化酶？通過物理或化學(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固定化酶的優(yōu)點容易從反應(yīng)體系中分離可以重復(fù)使用機械強度和穩(wěn)定性增加便于連續(xù)化、自動化生產(chǎn)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)的旋光性的對映體。

二酶的固定化方法1.酶的固定化（immobilizationofenzyme)把原來游離的水溶性酶，設(shè)法限制或固定于某局部的空間或固體載體上。優(yōu)點：不溶于水，易于與產(chǎn)物分離；可反復(fù)使用；可連續(xù)化生產(chǎn)；穩(wěn)定性好。缺點： 固定化過程中往往會引起酶的失活。固定化方法1.載體結(jié)合法物理吸附法共價鍵法離子鍵法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間后，抽濾、洗滌、冷凍干燥，得到固定化酶。2）共價鍵法利用氨基、羥基、胍基、咪唑基等反應(yīng)活性高的未結(jié)合基團。易失活、酶活收率低結(jié)合牢固3）離子鍵法離子靜電引力離子交換樹脂操作簡單酶活收率高結(jié)合力弱，易脫離2.交聯(lián)法酶與具有兩個或兩個以上官能團的試劑反應(yīng)戊二醛特點不需要載體反應(yīng)劇烈，酶活收率低結(jié)合牢固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。特點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固定化方法比較固定化酶的應(yīng)用固定化酶的性質(zhì)：游離的酶固定化后會引起的酶性質(zhì)的改變

一般認(rèn)為其原因可能有下列幾種：分子構(gòu)象的改變和屏蔽效應(yīng)微環(huán)境的影響(溫度、pH….)

底物在載體和溶液間存在著分配效應(yīng)擴散效應(yīng)1.酶構(gòu)象改變和位阻效應(yīng)2.分配效應(yīng)分配系數(shù)K=Csg/Csi3.擴散效應(yīng)外擴散內(nèi)擴散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)速率方程外擴散內(nèi)擴散內(nèi)外擴散同時存在第二節(jié)

外擴散對反應(yīng)速率的限制效應(yīng)一、外擴散傳質(zhì)速率研究對象的簡化理論模型Fick定律二、宏觀反應(yīng)速率的求解外表面擴散速率（Fick定律）外表面反應(yīng)速率動力學(xué)控制外擴散控制求取過程若則：引入無量綱：定義：Damkohler（丹克萊爾）準(zhǔn)數(shù)（a）丹克萊爾準(zhǔn)數(shù)的物理意義物理意義：Da>>1

擴散速率大大小于反應(yīng)速率，過程為外擴散速率控制有csi≈0；Da<<1

反應(yīng)速率大大小于擴散速率，過程為反應(yīng)速率控制有csi＝cs0;三、外擴散有效因子當(dāng)ηE＜1，表示擴散阻力在一定程度上限制了反應(yīng)本征速率；當(dāng)ηE＜＜1，表示擴散阻力在完全控制了反應(yīng)本征速率；即外擴散控制ηE與Da的關(guān)系令由定義可得：（b）ηE與Da的關(guān)系當(dāng)Da>>1，外擴散控制，（b）由（a）（b)可得：當(dāng)Da<<1，反應(yīng)動力學(xué)控制，表觀動力學(xué)參數(shù)有擴散限制的表觀反應(yīng)速率為：Hornby等Schuler等Kobayashi等上式看出：Km*包含了本征動力學(xué)參數(shù)rmax和Km和傳質(zhì)系數(shù)KLa，并且存在Km*＞Km的關(guān)系。消除外擴散影響有擴散限制的表觀反應(yīng)速率為：KL的計算比較困難，常用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式來確定：如(Ranz-Marshall)：若要減少外擴散阻力，主要途徑是提高流體流速，進而提高傳質(zhì)系數(shù)KL,以增加外擴散傳質(zhì)速率和顆粒外表面的底物濃度。第三節(jié)

擴散對反應(yīng)速率的

限制效應(yīng)內(nèi)擴散過程的特點一、載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)外表面積AP、比表面積Sp平均微孔直徑r顆粒體積VP、孔隙體積Vg孔隙率微孔內(nèi)的擴散機理流體擴散時，其在微孔內(nèi)收到的擴散阻力來自于兩方面：1.來自于分子間的擴散（Fick定律）2.另一種來自于分子與孔壁間的碰撞，稱為努森（Knudson）擴散對液體主要為分子擴散：有效擴散系數(shù)擴散系數(shù)曲節(jié)因子（微孔內(nèi)實際距離與最短距離之比）顆?？紫堵饰蛔枰蜃樱ㄎ⒖變?nèi)最大與最小截面積之比）分子運動的平均自由程微孔直徑微孔內(nèi)的擴散有效擴散系數(shù)擴散系數(shù)曲節(jié)因子表示內(nèi)部的微孔是曲折的顆?？紫堵饰蛔枰蜃颖硎疚⒖椎慕孛娣e是變化的對固定化酶凝膠，De/D≈0.5－0.8；對微膠囊固定化酶，由于膠囊內(nèi)為液相，則：De＝D;對于固定化細(xì)胞，De＝f（φc，Dc）De0De值可通過試驗方法進行確定，提高De值的主要方法是增加顆?？紫堵屎臀⒖装霃?。二、微孔內(nèi)的濃度分布

（球狀固定化酶）簡化假設(shè)載體和酶均勻分布等溫、等De不考慮酶的失活擴散傳質(zhì)濃度是半徑的函數(shù)S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

邊界條件：r＝R，cs=csir=0,dcs/dr=01.M-M方程引入：無解析解，只有數(shù)值解邊界條件：同一處，隨著φ值增加，底物濃度在減少；當(dāng)時，當(dāng)時，為最低值。（c）（c）內(nèi)擴散有效因子球形固定化酶

梯勒（Thiele）模數(shù)Φ定義式物理意義:φ值的大小反映了以固定化顆粒外表面濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率與其內(nèi)擴散速率的相對大小。Φ值越大，表示內(nèi)擴散相對于反應(yīng)速率慢，內(nèi)擴散阻力和對反應(yīng)速率的限制程度越大，有效因子η越??；反之，φ越小，內(nèi)擴散阻力對反應(yīng)速率的限制程度越小，有效因子η則越大。（c）影響內(nèi)擴散大小的因素顆粒粒度當(dāng)固定化顆粒粒度增大，則φ值增加，η值下降；反之，η值增加，φ值下降。這表明：減少固定化顆粒尺寸有助于改善顆粒內(nèi)的擴散狀況。對大型工業(yè)反應(yīng)器，采用小顆粒的固定化催化劑，雖能減少內(nèi)擴散阻力，但會導(dǎo)致流體通過床層的壓力降增大，會帶來不利影響。實際生產(chǎn)中，允許存在一定程度的內(nèi)擴散限制。顆?；钚援?dāng)單位體積固定化顆粒負(fù)載的生物催化劑活性很高時，表示底物的反應(yīng)速率會很大，此時擴散速率的限制效應(yīng)會明顯增大。實際生產(chǎn)中，允許存在一定程度的內(nèi)擴散限制。影響內(nèi)擴散大小的因素顆?？紫堵屎涂讖揭蛭⒖變?nèi)的擴散系數(shù)De與顆粒的孔隙率和孔徑均成正比，因此，孔隙率較高或微孔孔徑較大的固定化生物催化劑進行催化時，φ值減小，η值增大。反應(yīng)溫度當(dāng)提高反應(yīng)溫度，反應(yīng)速率和擴散速率均有所提高。但由于反應(yīng)活化能遠(yuǎn)高于擴散活化能，將導(dǎo)致反應(yīng)速率增加較快，擴散速率增加較慢，致使內(nèi)擴散速率對反應(yīng)速率的限制程度增加，φ值增大，η值減少。但對生物反應(yīng)，反應(yīng)溫度一般不高，這種限制效應(yīng)不明顯。表觀梯勒（Thiele）模數(shù)Φ（Weisz’s模數(shù)）定義式RS為存在內(nèi)擴散實測的表觀反應(yīng)速率；CSi為顆粒外表面濃度，無外擴散時Csi=CS0對M-M反應(yīng)：球形顆粒為例：表觀梯勒（Thiele）模數(shù)Φ（Weisz’s模數(shù)）對于值，存在以下規(guī)律：當(dāng)內(nèi)擴散影響明顯Weisz’s判據(jù)第四節(jié)內(nèi)外擴散同時存在時的限制效應(yīng)當(dāng)兩種阻力同時存在并同時影響反應(yīng)過程的速率，為例描述擴散因素對反應(yīng)過程的總體影響，提出了總有效因子，也稱綜合有效因子?？傆行б蜃拥耐茖?dǎo)傳質(zhì)速率＝以外表面底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率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)速率當(dāng)無內(nèi)擴散影響時：當(dāng)無外擴散影響時：（d）引入Biot準(zhǔn)數(shù)當(dāng)Bi∞外擴散阻力忽略當(dāng)Bi0內(nèi)擴散阻力忽略（d）倒數(shù)形式：第五節(jié)

擴散影響下的表觀動力學(xué)特性一、對反應(yīng)速率與濃度關(guān)系的影響二、對反應(yīng)級數(shù)的影響任意n級反應(yīng)