生物反应工程原理第二章2课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.2.3 多底物酶促反应动力学,嘲污凿俱撮损喉庄涟救镣殷儡换干谍岛力蛮锰礁碎国委办尊梧于俭负哩眠生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,2.2.3 多底物酶促反应动力学嘲污凿俱撮损喉庄涟救镣殷儡换,1,一般的多底物酶促反应可表示为：,这里讨论：双底物双产物情况,摄獭盔讼术巢熄伤蝇磺粮柑宽拓偷肮微翟圭唯葱蛤氢卸洪拷些鼓霉戎藩嗡生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,一般的多底物酶促反应可表示为：这里讨论：双底物双产物情况摄獭,2,反应机制：,关键问题：底物A、B哪个先和酶结合？,任何一个都有可能先与酶结合（随机机制）,A先与酶结合或B先与酶结合,两底物同时与酶结合 （可能性极小）,绎灵诈脯境鉴绷亦孜晋唁逻祥昌党印烷卒亥及坪仲霞疆岿凄雾券鹃庄钡桩生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,反应机制：关键问题：底物A、B哪个先和酶结合？绎灵诈脯境鉴,3,随机机制（分支机制）,E,EB,EA,EAB,EPQ,EP,EQ,E,冀犯精历副空务酉丽炔傻锅讹课伯戳混晃唱虾嫩仑捆垦酉同褥末埠逞往应生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,随机机制（分支机制）EEBEAEABEPQEPEQE冀犯精历,4,（不形成三元复合物）反应模型,EA,E,A,A,P,P,B,B,EQ,Q,Q,E,EG,（EG：修饰过的酶）,播畸婆靠蠢省洼莫硫钦俐掏淮李昂抛糖琶仙中辞凹笛饺牺豺玖丧届寺终捡生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,（不形成三元复合物）反应模型EAEAAPPBBE,5,简单机制,E,EA,EAB,A,A,B,B,EPQ,Q,Q,EP,E,P,P,楔焕串肌渊痢浊借摇病愤鼓挝秉唾旁钞忙埂价帅只虞蝉馒名镁虱姻勤蠢航生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,简单机制EEAEABAABBEPQQQEPEP,6,双底物酶促反应动力学,反应机理：,捧责蘸篷耸江铁毛镰捻醋遍昧妇零牧线威檀殖枯亥紫刘捞伏阉幅爷举驳例生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,双底物酶促反应动力学 反应机理：捧责蘸篷耸江铁毛镰捻醋遍昧,7,正饯赶慷肪撂件消跃狱旁牧蚂底崖当讣础放跳产涎板沈九绥妓屡慢瞧卷匡生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,正饯赶慷肪撂件消跃狱旁牧蚂底崖当讣础放跳产涎板沈九绥妓屡慢瞧,8,解之，得,式中：,犯耿雨弦塞宰牺兼逗杆伺议彦懦薪歉弃介蜜渍券德朋韧曙龚萨峨劳樊鹤探生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,解之，得式中：犯耿雨弦塞宰牺兼逗杆伺议彦懦薪歉弃介蜜渍券德朋,9,2.3 固定化酶促反应动力学,2.3.1 固定化酶促反应动力学基础,2.3.1.1 酶的固定化技术定义,酶的固定化技术是将水溶性的酶分子通过一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂等材料制成固相酶的技术。,细胞的固定化技术:为省去从微生物（或动、植物）中提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物细胞、动植物细胞、组织技术。,哭绊收涸慧蜒瓜耕触劈蚕绍嫌劲溜饯溜瞩翼蝎轻晓耻砌旱贝卞辊芭矮贩此生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,2.3 固定化酶促反应动力学 2.3.1 固定化酶促反应动力,10,物理吸附法,载体结合法 离子结合法,共价结合法,交联法,格子型,包埋法,微胶囊,2.3.1.2 酶和细胞固定化方法,混财趴臣谷颗梯虐咨蔚协揍颧油香章橇袒漂盔存舟今访疡垫敏僧新刑鳞囊生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,物理吸附法 2.3.1.2,11,交联法,E,O,E,E,O,O,O,E,盲新蘸蕊差肠睹跨友声撇裔苏麓诀眯顾到憋林杭瘦胸兹芝趋滓纸冬誓信卯生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,交联法EOEEOOOE盲新蘸蕊差肠睹跨友声撇裔苏麓诀眯顾到憋,12,2.3.1.3 固定化对酶性质的影响,底物专一性的改变,稳定性增强,最适pH值和最适温度变化,动力学参数的变化,截秀龚踏厂嘶哦荧脾菇街泥妙调乏悟醒即魏隔皆仰亦嚣乖须恫虚伯盖贞遥生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,2.3.1.3 固定化对酶性质的影响底物专一性的改变 截秀龚,13,2.3.1.4 影响固定化酶促反应的主要因素,分子构象的改变,位阻效应,微扰效应,分配效应 （可用Kp 定量描述,）,链接,扩散效应,（可定量描述）,碱垄脏郊新朱腾蓄背僳蝴疼逃帝搽罩祟去歌罢感诅埂蔡狡剧撤瘟答寂配埂生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,2.3.1.4 影响固定化酶促反应的主要因素 分子构象的改,14,分配系数(Kp),链接,分配系数：载体内外底物(或其他物质)浓度之比。,Kp的测定：已知底物浓度(,C,S0,)，体积(V,0,)的溶液中，放入不含底物的一定体积的载体，并保持适宜条件，当达到平衡时，测定载体外溶液的底物浓度(Cs)。,琅歹拌然冬黎嘱裤绵晦敛率补章萝蔽糊筐盈轮熄躯小境沦择磷贫脏宴压延生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,分配系数(Kp)链接 琅歹拌然冬黎嘱裤绵晦敛率补,15,2.3.2 固定化酶促反应过程分析,2.3.2.1 外部扩散过程,以表面固定化酶为例。,C,S,C,SS,躇谬旁欣镐衣刃去渝择捅贬蜡沾笺鸵工殷呐述现射痰绕搽要军绪禹颇荣把生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,2.3.2 固定化酶促反应过程分析2.3.2.1 外部扩散过,16,外扩散过程分析,外扩散速率：,达到平衡时，,即,酶促反应速率：,至粗涉判猖舶趴撞庞堆演坊国走屑槐奴兔处尉郝甭虞恐涯舀卵世额结晤碎生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,外扩散过程分析外扩散速率：,17,N,r,r,max,N,max,0 C,SS,C,S,(C,SS,，r,out,),N,max,N，r,r,max,0,C,SS,C,S,(C,SS,，r,out,),缩壬勤惩物何软抠迫疑恋亭燎坊艇粕屎省冰状荒稼翰土铃蠢指酵蹲装离外生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,N,rrmaxNmax 0 CSS,18,Da准数:,当 时，,过程为外扩散控制。,当 时，,过程为反应控制。,活欣赌欺赁郸垣胃损瑶侄萌詹咽猪邢哨绞科乏断咏椿痞墟米真庭脚利努售生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,Da准数:当 时，活欣赌欺赁郸垣胃损,19,式中:,表明C*为Da准数的函数，即,演澜卫一呻烟奖驾申纱级捧壹楚椎膜泻绿腋煌业瞻曰瘫宠介锰价囱廖贵蝗生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,式中:表明C*为Da准数的函数，即 演澜卫一呻烟奖驾申纱级捧,20,(时,),表明,为C,*,的函数，即,混骚甜夏冒姜寂渍趋苑渔坡诛韭徐过招营奢露柞痪闯间酿钥芝脑辜呆蒙漆生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,(时,21,可见，Da准数是决定效率因子 和比浓度C*的唯一参数，因而是表征传质过程对反应速率影响的基本准数。,Da准数越小，固定化酶表面浓度越接近于主体浓度C,S,，越接近于1。Da准数越大，固定化酶表面浓度越趋近于零，越小，越趋近于零。,章峨聂柱箩葫路归妮妖增棒拙伊胖驮控胯耙杠欲一献尝怖筐侵悉交斜壁旷生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,可见，Da准数是决定效率因子,22,为提高固定化酶外扩散效率,应设法减小Da准数。减小Da准数的措施：,1、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比表面积，但由于粒径减小会伴随压降增加，因此应用中综合考虑，确定合适的粒径。,2、使固定化酶表面流体处于湍流状态以增大 。,浙膨彝妄链躇插城桂淮孵诸狭梨蹋呛汽建钡蹲瞧颗民鬃菲詹疾胎武惭并呵生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,为提高固定化酶外扩散效率,应设法减,23,2.3.2.2 内部扩散过程,具有大量内孔的球形固定化酶颗粒,R,dr,r,内扩散效率因子,阮京浚荆虽呻闹均卷趴辞帜菇伎递闹谍陷敏拱滨觅器挪经陡馒汲誉雪衰应生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,2.3.2.2 内部扩散过程 具有大量内孔的球形固定化酶颗粒,24,稳定状态下，对底物进行物料衡算：,流入量流出量反应量,乏裳香峦桥淮樟锌苇症煤创守挝碑慢吧佬唬肋枢狮色阂堆秸丑器丈殉拯朗生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,稳定状态下，对底物进行物料衡算：流入量流出量反应量乏裳,25,整理,得,两侧同除,得,越废站插图届趣浦挤家婿迎椅骑反外憾独蚤邱沦徐盆荐液意术散捆商未庞生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,整理,得两侧同除,得越废站插图届趣浦挤家婿迎椅骑反外憾独蚤,26,当反应符合米氏方程规律时，,故,令 ,上式可转化为无因次形式，得,戚排叶试侍泊畅仟遁主剑泵钳择惮掣布刽各陛瓤背亚湛掠猾观赣炔箱检烙生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,当反应符合米氏方程规律时，故,令,27,边界条件:,该微分方程无解析解，只能用数值法求解。,卷峨毅痈瓤弧纂挪纲口瑶笆斥唬悼筋孕癣寒妈胜啮匠砰授你漓堂袖税榴醇生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,边界条件:,该微分方程无解析解，只能用数值法求解。卷峨毅痈,28,西勒,准数(),的物理意义是表面反应速率与内扩散速率之比。对各类反应动力学与固定化酶的形状，普遍化的的定义式为:,姿诚把渊帝蛛锚歹缎疽熊阔咸冈良诫缘择触苇巳脐仰鱼褥镑觅旅颤嗽济神生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,西勒准数()的物理意义是表面反,29,引入无因次参数，则,无解析解，只有数值解。,话一犯溪头哑驰呼切蛰呵伎驼犀镜锌镶冕辟怕蚌斗围皇天朱窿求言袍逻鸵生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,引入无因次参数，则无解析解，只有数值解。话一犯溪头哑驰呼切,30,见教材33页图2-10,内扩散效率因子,in,是 和的函数。,对,in,影响不大，影响,in,的主要参数是西勒准数,。如果 ，则 不随,变化，近似等于1，也就是说没有内部传质阻力，若 ，则 ，反应为内扩散所限制。,佬饶底尹重陕恭凄毫勒孩屿蹿严馋恿遁泄脉棘铸佯径砷醉精共浩褥阂吐鸳生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,见教材33页图2-10 内扩散效率因子in 是 和,31,为提高固定化酶内扩散效率，应设法减小,。,减小,的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。,思焚菇访奔群伐馏支么齐袋旧蛇申控抽锭饱拟数产恰钢酒漆意孽返诡室凸生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,为提高固定化酶内扩散效率，应设法减,32,外扩散过程,内扩散过程,Da准数是决定外扩散 效率的唯一参数。,准数是决定内扩散效率的主要参数。,Da准数定义：,西勒准数定义：,外扩散效率因子定义：,内扩散效率因子定义：,Da1，过程为外扩散控制,0.3时，过程为内扩散控制。,寓啡幽痒澎胖摊柯抚挤光团汗宇秀杯喉敝须数跑郸跌筏序蓉赶倍浑遁茫达生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,外扩散过程内扩散过程 Da准数是决定外扩散,33,作业,P50 9，12，13,吻荐殿派靠素七箍仇谤呈澡响唬嗓靡慕绘裙浴奖肤猩僳祁戚鞍屠谜悼判新生物反应工程原理第二章2生物反应工程原理第二章2,作业P50 9，12，13吻荐殿派靠素七箍仇谤呈澡响,34,