《3.固定化生物催化剂反应过程动力学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3.固定化生物催化剂反应过程动力学（94页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基本要求 1 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 有效因子的计算 2 熟悉各种抑制效应的特点 有效因子 3 了解扩散影响下的表观动力学参数 固定化酶的失活 教学重点和难点 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计算 第3章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 固定化酶 固定化细胞 固定化生物催化剂 通过物理或化学的方法将生物催化剂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 均相 水溶液 酶反应的缺点 分离难 费用高 影响质量 难以重复使用 酶易变性失活 容易分离出来 反复使用 固定化酶特
2、点 稳定性增加 连续化和自动化 3 1 1 1酶的固定化固定化酶的制备方法 载体结合法 交联法 包埋法 1 载体结合法 将酶结合于水不溶性载体的方法 类型 物理吸附法 离子结合法和共价结合法等 1 物理吸附法 酶被物理吸附于不溶性载体 特点 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 载体 活性炭 多孔玻璃 氧化铝 硅胶 淀粉 合成树脂等 3 1 1生物催化剂的固定化 2 离子结合法 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 载体 多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换树脂 DEAE 纤维素 优点 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
3、易破坏 能得到酶活回收率较高的固定化酶 缺点 载体与酶的结合力弱 容易受缓冲液种类或pH的影响 在离子强度高的条件下反应时 酶易从载体上脱落 3 共价结合法 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 优点 它是载体结合法中应用最多的一种 缺点 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 酶活回收率一般为30 左右 可与载体结合的酶的功能基团 氨基 羧基 羟基 酚基等 方法 重氮法 溴化氰法等 2 交联法 用双功能试剂使酶与酶之间交联的固定化方法 交联剂 戊二醛 形成希
4、夫碱 异氰酸脂 形成肽键 双重氮联苯胺 发生重氮偶合反应 此法反应条件比较激烈 酶活回收率低 与共价结合法比较 都是利用共价键固定酶的 不同的是它不使用载体 3 包埋法 类型 网格型和微囊型 优点 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 但必须巧妙地设计反应条件 缺点 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扩散 3 1 1 2细胞的固定化 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 载体结合法 自聚集法和包埋法 3 1 2固定化生物催化剂
5、的催化特性 1 活性的变化 固定化时 总会有一部分未被固定而残留在溶液中 造成活性的部分损失 同时由于各种原因也会下降 酶活力表现率 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之比 酶活力收率 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力之比 2 稳定性 保存期t1 2增1倍 热稳定性提高10倍以上 空间结构坚固 3 最适温度和pH 4 米氏常数 Km 3 1 3影响固定化生物催化剂特性的因素 1 空间效应 构象效应 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 位阻
6、效应 载体的存在又可产生屏蔽效应 2 分配效应 微环境效应 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液主体浓度不同的现象 静电效应的影响为例讨论分配效应对酶催化动力学的影响 根据Boltzman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 产生分配效应 使底物或产物浓度之间出现不均匀分布 当载体与底物所带电荷相反时 即Z U异号 K大于1 当载体与底物所带电荷相同时 即Z U同号 K小于1 静电效应的影响主
7、要表现在对Km的影响 其根源在于使微环境与主体溶液之间的浓度出现了差异 Z U异号 Km 小于Km Z U同号 Km 大于Km 任何一方电荷为零 Km不变 3 扩散效应 外扩散 内扩散 3 1 3固定化酶的动力学形式 1 游离酶本征动力学 2 固定化酶本征动力学 空间效应 3 固定化酶固有动力学 空间 分配效应 4 固定化酶宏观动力学 空间 分配与扩散效应 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 液 固 体系所建立的宏观动力学方程不仅包括酶的催化反应速率 还包括传质速率 3 2外扩散对反应速率的限制效应 研究模型 液
8、体不能渗透的无电活性的固定化酶膜或固定化酶颗粒 底物从液相主体扩散到达固定化酶的外表面 底物在固定化酶的外表面上进行反应 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 非带电的固定化酶 M M方程 Rsi 消耗速率 宏观反应速率 mol L s Rsd 表面速率 mol L s 定态条件下 应存在Rsi Rsd 外扩散传质速率快 外扩散传质速率慢 当Cs0值较高时 rs0 rd 为动力学控制 Rsi rso 当Cs0值较低时 rs0 rd 为外扩散控制 Rsi rd 当Cs0处于中间范围 称为过渡区 反应速率与扩散速率相差不大 若要求取有外扩散影响下的反应速率 即宏观反
9、应速率 过渡区宏观反应速率Rsi的求解 1 由Csi值确定Rsi Da Damkohler 丹克莱尔数 当Da 1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力学控制 当Da 1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 此时该反应过程为传质扩散控制 3 2 2外扩散有效因子 E 3 2 2 3有抑制时的 1 非竞争性化学抑制 3 2 2 3有抑制时的 2底物抑制 3产物抑制 例3 1 某酶固定在无微孔的球载体上 在无外扩散时测得rmax 4 10 5mol L Km 2 10 5mol L 将其放在一底物浓度为1 10 5mol L液相反应器中 已知体积传
10、质系数为4 10 1 s 求 1 底物在固定化酶外表面上的反应速率 2 该固定化酶的外扩散有效因子 E 3 3内扩散对反应速率的限制效应 3 3 1液体在载体微孔内的扩散 1 载体结构参数 a 比表面积Sg 200 300m2 g 内表面积 b 微孔半径 c 空隙率 d 颗粒当量直径 体积相当直径 外表面积相当直径 比表面积相当直径 形状系数 e 颗粒密度 表观密度 真密度 堆密度 2 液体在微孔内扩散 分子扩散 正常扩散 扩散的阻力来自于分子之间的碰撞 扩散速率主要受到分子之间相互碰撞的影响 而与微孔直径的大小无关 努森 Knudson 扩散 扩散过程的阻力主要来自子分子与孔壁之间的碰撞 而
11、分子之间的碰撞影响较小 它常发生在微孔直径较小的情况 当 2r l 10 2时 为分子扩散 当 2r 10时 为努森扩散 介于上述范围之间属于两种扩散机理并存 微孔内液体分子的扩散速率 用Fick定律描述 p 校正参数 曲节因子 弯曲系数 沟路曲折系数等 位阻扩散 De D 0 5 0 8微胶囊 De D 3 3 2颗粒内扩散 反应的基本关系式 3 3 2 1球形固定化酶颗粒内部浓度分布 假设 固定化酶颗粒是等温的 传质机理仅为扩散效应 扩散效应用费克定律描述 颗粒是均匀的 底物分配系数为1 固定化酶的催化活性无变化 底物和产物浓度仅沿r方向变化 平衡状态 对球形固定化颗粒来说 令其半径为R
12、距中心为r处取一厚度为dr的微元壳体 在微元壳体内 底物浓度为 S r 稳定状态下 对底物S进行物料衡算 则单位时间内扩散进入微元壳体的底物量为 3 3 3一级反应的内扩散限制 Cs Km 3 3 3 2内扩散有效因子 存在内扩散影响 无外扩散影响 一 球粒 稳态下 无外扩散时 对一级不可逆反应 二 膜状固定化酶 一级不可逆反应 生物膜类似 膜双面接触底物则取L L 2 三 圆柱状固定化酶 一级不可逆反应 一级 零级贝塞尔函数 3 3 3 3梯勒模数 Thielemodulus 例3 3 以相同的酶和裁体做成三种体积相等而形状不同的固定化酶颗粒 一种为球形 一种为高与直径相等的圆柱体 一种为高
13、与直径相等而壁厚为直径1 3的圆环体 催化剂颗粒体积均为0 1cm3 颗粒表观密度为1 2g cm3 所进行的酶催化反应可作为一级不可逆反应处理 在反应条件下 反应速率常数为50cm3 s g颗粒 催化剂微孔内的有效扩散系数为0 01cm2 s 在该反应体系中 单位体积液相中含有的固定化酶量为20g L 液相中底物浓度为0 1mol L 并且可不考虑外扩散阻力和分配效应等因紊的影响 试求相应于上述三种固定化酶颗粒的反应速率分别为多少 假定对不同形状的固定化酶均可采用球形的计算有效因子的公式进行 计算的反应速率的单位分别用mol s g颗粒 mol s cm3液相 表示 3 3 4零级反应动力学
14、 Cs Km k0 rmax 积分并考虑边界条件 3 3 5M M型反应 数值解见图 3 3 6表观梯勒模数法 一级动力学 零级动力学 Weisz判据 0 3时 1 3时 内扩散影响变得非常明显 10时 对一级动力学有 1 1 对零级动力学有 0 2 3 4 1内外扩散同时存在时的有效因子 Biot准数 Bi 3 4 2影响内扩散限制效应的各种因素 1 固定化酶的结构特性 a 颗粒度 Vp Ap b 微孔孔径 De c 本征反应 rmax Km 2 酶的化学抑制 一级不可逆反应的非竞争抑制 酶变性亦与其类似 3 分配效应的影响 球形固定化酶 膜片状固定化酶 M M方程 4 外扩散限制的影响 3
15、 6扩散影响下的表观动力学参数与稳定性 3 6 1表观反应级数 3 6 2表观活化能 例 一级不可逆反应 rs krcs 3 6 3表观稳定性 球形M M反应 当无内扩散影响时 当内扩散影响严重时 失活遵循一级动力学 对一级不可逆反应 球形固定化酶 可得到 例3 7 根据已知实验结果估计固定化酶催化反应的本征动力学参数和内扩散的影响 假定反应本征动力学具有M M方程的形式 为了估计固定化酶的扩散与本征动力学参数 现进行两组实验 一组用大颗粒半径为60 m 使其为内扩散控制 另一组用小颗粒半径为10 m 使其为动力学控制 两者均为球形固定化酶颗粒 根据底物浓度与反应速率关系作得E H图 如例图3
16、A 试根据图形和有关数据 估计参数 解 1 对小颗粒固定化酶 由于为动力学控制 无内扩散影响 因此在E H图上为一直线 对大颗粒固定化酶 为内扩散控制 在E H图上应为一曲线 2 对小颗粒固定化酶 其速率方程为M M方程 按E H作图法的公式应为 3 对大颗粒固定化酶 为内扩散控制 其速率可表示为 总结 3 1固定化酶催化的动力学特征 简单介绍固定化酶的方法 酶固定化后活性和稳定性的变化 扩散效应 3 2外扩散限制效应 详细介绍外扩散产生的原因 外扩散对速度的影响 反应速度的求取 有效因子的定义 计算 3 3内扩散限制效应 详细介绍固定化酶颗粒的结构的描述 颗粒内组分的浓度分布 反应速度计算 内扩散的有效因子的定义与计算 3 4内外扩散同时存在时的限制效应 3 5扩散影响下的表观动力学参数与稳定性 详细介绍扩散对反应速率与浓度关系的影响和扩散对反应速率与温度关系的影响 简单介绍扩散对固定化酶失活速率的影响 作业 1 简述影响固定化酶动力学的因素 2 外扩散有效因子的定义 内扩散有效因子的定义 3 什么是丹克莱尔数 Da 梯勒模数 并简述怎样用它们判断外 内扩散对总反应速率的影响 4 计
