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1、第三章固定化酶反應動力學酶的固定化外擴散對固定化酶反應動力學的影響內擴散對固定化酶反應動力學的影響擴散影響下的動力學假象3.1酶的固定化背景酶的固定化方法影響固定化酶活力的因素固定化對酶動力學特征的影響3.1.1背景游離酶參與反應的缺點：1）穩(wěn)定性差、液相中含量少，2）反應結束后不易回收、3）酶、底物和產物處于同一相，對產物分離不利固定化酶：即水不溶性酶，是通過物理的或化學的方法，將溶液酶轉變?yōu)樵谝欢ǖ目臻g內其運動受到完全約束，或受到局部約束的一種不溶于水但仍具有催化活性的酶，它能以固相狀態(tài)作用于底物進行催化反應
2、其優(yōu)點：可以長期保留在反應器內反復使用，易實現(xiàn)連續(xù)化生產；反應結束后易與產物分離，簡化了產物分離工藝，其大多數(shù)固定化酶穩(wěn)定性也比游離酶好缺點：活力會下降，反應易受傳質速率的控制，對大分子底物、產物不適用研究歷史：1916年，Nelson和Griffin發(fā)現(xiàn)酵母蔗糖酶能被吸附到骨碳粉末上，并在吸附狀態(tài)下具有催化活性；以后以色列科學家對酶的固定化方法、固定化的理化性質等進行了開創(chuàng)性的研究，1969年日本的千葉一郎將固定化氨基酸酰化酶應用于DL－氨基酸的拆分上，1971年國際酶工程會議給出了固定化酶的定義。3.1.2酶
3、的固定化方法載體結合法交聯(lián)法包埋法物理結合法離子結合法共價結合法凝膠包埋微膠囊包埋纖維素包埋影響固定化酶催化活力的因素構象效應：由于載體與酶之產的共價鍵作用，引起酶的活性部位發(fā)生扭曲變形，改變了酶活性部位的三維空間結構，減弱了酶與底物的結合力，導致酶的活性下降。位阻效應：由于載體選擇不當或載體空隙太小，致使酶的活性部位不易與底物結合，對酶的活性部位造成了空間障礙。分配效應：由于固定化酶載體的親水性、疏水性及靜電作用等，使得底物和產物及其效應物在微環(huán)境和宏觀環(huán)境中濃度不同的現(xiàn)象。擴散效應：底物、產物和效應物的遷移和
4、運轉速率受到限制的一種效應。酶的固定化對其動力學特征的影響原因：由于酶的活性中心的氨基酸殘基的空間結構和電荷狀態(tài)發(fā)生了變化，或者固定化酶的周圍形成了能對底物傳遞產生影響的擴散層或靜電的相互作用等。對底物專一性的改變穩(wěn)定性的改變最適pH值和溫度的改變米氏常數(shù)的改變3.2外擴散的限制作用特點液固相間的傳質速率外擴散的限制作用外擴散有效因子3.2.1外擴散的特點酶促反應過程與傳質過程是各自獨立的底物先從液相主體擴散到固定化酶的外表面發(fā)生反應產物從固定化酶的外表面擴散進入液相主體3.2.2液固相間的傳質速率由于攪拌，反應
5、體系中的液相主體的底物濃度處處相同，假定為S0，底物在顆粒表面因反應而消耗，同時由于液體的粘性，在固液表面附近產生一個滯流層，而固體表面液體流速率為0，因而在滯流層產生濃度梯度，進而導致物質的傳遞，且傳質阻力全部集中在滯流層。根據(jù)Fick第一定律，得液固相間的傳質速率為其中Ds為底物在液相中的分子擴散系數(shù)，m2/sa為固定化酶的比表面積，m-1S0SiRR+δ3.2.3外擴散的限制作用固定化酶外表面的反應速率可表示為當化學反應速率和傳質速率相差不大時，體系在穩(wěn)態(tài)條件下，有下式成立，傳質速率＝化學反應速率，即：求解
6、此方程，得出無因次化處理，令解之得：，當B>0時取+號；當B<0時，取-號，其中。這里，Da準數(shù)是對反應控制步驟時行描述的一個重要的無因次數(shù)群，其物理意義為，因此當Da>>1（50）時，此時固定化酶反應的控制步驟為傳質，此時Si=0,RSi=KLaS0，反之，當Da<<1(0.1)，此時固定化酶反應的控制步驟為動力學（化學反應速率），即Si=S0，，稱為最大本征反應速率。3.2.4外擴散有效因子，根據(jù)此定義式知：因此可以根據(jù)判斷外擴散的影響。因此在利用固定化酶進行反應時，總是希望盡可能接近1，此時應控制反應條件，
7、使Da準數(shù)盡可能地小，由知，可以通過降低固定化酶顆粒的粒徑，提高液體的流速及適當增加液相主體的底物濃度來使Da減小。的關系由圖中可以看出：當?shù)孜餄舛仍黾佣鳧a不變時，隨著底物濃度的增加，增加，即增加底物濃度，可以克服外擴散的影響，當?shù)孜餄舛炔蛔儠r，Da增加，減少，且當Da<0.1時，接近1?？捎^測丹克萊爾準數(shù)（）令，當傳質速率和反應速率相差不大時，在穩(wěn)定狀態(tài)下有下式成立，，因此得到，從此式中可以看出：當時，，外擴散影響可忽略，當時，，外擴散影響明顯。怎樣識別外擴散的影響？3.3內擴散的限制作用特點液體在微孔內的擴
8、散速率微孔內反應與擴散的關系式內擴散有效因子表觀泰勒模數(shù)3.3.1內擴散的特點對于多孔的固定化酶顆粒或膜，具有催化作用的部位基本上是在微孔的內表面，因此擴散過程和反應過程是同時發(fā)生的。在微孔內，由于內擴散阻力的存在，反應組分在微孔內的濃度分布是不均勻的，對于底物，其濃度在固定化酶外表面處最高，在顆?；蚰ぶ行奶幾畹?，形成了由表及里濃度逐漸降低的分布，由于反應和擴散同時進行，
