生化工程第七章2固定化酶和细胞2.pptVIP

8.3 固定化对酶反应动力学的影响 影响固定化酶反应动力学的因素可归纳下列几个方面： 1、酶分子构相的改变和载体屏障效应 1、酶分子构相的改变和载体屏障效应 载体的存在引起屏蔽效应，使酶分子的活性基团不易与底物或效应物接触，从而影响固定化酶的活性。 2、 微环境效应—分配效应 固定化酶处于主体溶液中，形成非均相反应系统。在固定化酶附近的环境称为微环境，而主体溶液则称为大环境。由于载体和底物的疏水性、亲水性以及静电作用，使微环境与大环境有不同的性质，从而形成底物和各种效应物的不均匀分布，这种效应称为分配效应。 3、扩散阻力 用固定化酶进行反应时，底物必须从主体溶液传递到固定化酶内部的催化部位。反应后，产物又沿着相反路线从酶的催化部位传递到主体溶液。这些传递过程包括被动分子扩散和对流扩散，传递过程中存在着一个扩散速率限制问题。这种扩散限制效应在扩散效率很低时，而酶的催化活力又相当高时特别显著。 底物从反应液移向载体表面（外扩散） 底物从载体表面移向酶活性中心（内扩散） 酶反应 产物由反应位点移向载体表面（内扩散） 产物移到反应液中（外扩散） 总的反应速度取决于最慢的步骤 3、扩散阻力 限速步骤有可能是外扩散、内扩散或酶反应。 存在的扩散效应会使固定化酶、固定化细胞的动力学行为偏离其液态下的动力学行为。 4、外扩散限制的分析及对酶反应动力学的影响 外扩散发生在固定化酶周围的处于停滞状态的液膜层。 由于存在外扩散阻力，底物将在固定化酶周围形成浓度梯度。 滞流层的厚度在一定限度内，它受固定化酶界面周围溶液的相对速度的影响。 外扩散限制随反应体系搅拌速度的增加而减少。 4、外扩散限制的分析及对酶反应动力学的影响 存在外扩散限制的固定化酶反应动力学方程为： V= Vm=K·E，E为固定化酶浓度 Km(app)：表观米氏常数 在操作上使流体的湍动程度大，能改变或消除外扩散的影响 。 5、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响 内扩散阻力发生在多孔性固定化酶载体的内部，它是底物传递到固定化酶内部时的一种扩散限制效应。 5、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响 在微环境内底物的消耗和产物的积累程度，也常和这些物质的分子量大小有关。 5、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响 大分子物质在多孔介质中扩散时，其扩散系数较小，以致在微环境中形成严重的底物枯竭和产物的大量积累，这会严重影响酶促反应速度。 5、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响 内扩散限制对酶促反应动力学的影响，比外扩散更为突出，因为外扩散限制可以通过搅拌来基本消除，而内扩散限制无法消除。 在固定化酶、固定化细胞的内部，不存在流体流动，其传质完全依赖于分子被动扩散作用。 5、内扩散限制的分析以及对酶反应动力学的影响 固定化酶、细胞的反应速度： V=η Vm·Sa/(Km+Sa) Sa ：载体表面底物浓度 η是与内扩散系数Φ有关的因子 Φ=R√Vm/Km·De η∝1/Φ R为固定化颗粒半径 8.4 均相酶反应器 1、影响均相酶反应速度的因素，通常有下列三方面： （1）浓度因素: 酶浓度 底物浓度 产物浓度 浓度因素是所有影响因素中最基本的因素；是均相酶反应动力学的主要内容。 （2）外部反应环境因素 是指反应环境中的温度、压力、pH以及溶剂的介电常数、离子强度等。 （3）内部结构因素 是指底物和酶的结构。 2、酶反应器的设计原理及操作参数 为了设计酶反应器以及确定反应操作条件，首先必须了解： 反应速度特性以及温度、pH等因素的影响，建立反应速率方程式； 反应器的形式和反应器内流体流动状态以及传热特点； 产物的产量和质量。 2、酶反应器的设计原理及操作参数 通常，物料平衡、热量平衡、反应速率和流动特性等各关系式都可同时应用于反应器设计。 参与反应的各组分均服从于质量守恒定律，这是设计的出发点。 表示反应器性能的重要操作参数： 空间时间、转化率和生产率； 当有副反应发生时，选择率也是重要的参数。 ①空间时间 （简称空时，space time） 表示反应物在连续操作反应器内停留的时间。 PFR : CSTR : ②转化率x，又称为反应率。 表示加入反应器中底物的转化率。 间歇操作 : S0:初始底物浓度；St:经反应时间t后的底物浓度 连续操作 : Sin:流入反应器溶液中的底物浓度 Sout:流出反应器溶液中的底物浓度 ③生产率Pr（生产能力productivity） 指反应器单位体积单位时间内的产物生成量。 间歇式反应