第三章固定化酶催化反應過程(wfw)

1、專題六1 1、水溶性酶應用過程中的一些不足、水溶性酶應用過程中的一些不足酶的穩(wěn)定性較差酶的穩(wěn)定性較差：除了某些耐高溫的酶：除了某些耐高溫的酶( (如如-淀粉酶、淀粉酶、TaqTaq酶等酶等) )及可及可以耐受較低的以耐受較低的pHpH條件條件( (胃蛋白酶等胃蛋白酶等)以外，大多數(shù)的酶在高溫、強酸、以外，大多數(shù)的酶在高溫、強酸、強堿和重金屬離子等外界因素影響下，都容易變性失活。強堿和重金屬離子等外界因素影響下，都容易變性失活。 酶的一次性使用酶的一次性使用：酶一般都是在溶液中與底物反應，這樣酶在反應系：酶一般都是在溶液中與底物反應，這樣酶在反應系統(tǒng)中，與底物和產(chǎn)物混在一起，反應結(jié)束后，即使酶仍

2、有很高的活力，統(tǒng)中，與底物和產(chǎn)物混在一起，反應結(jié)束后，即使酶仍有很高的活力，也難于回收利用。這種一次性使用酶的方式，不僅使生產(chǎn)成本提高，也難于回收利用。這種一次性使用酶的方式，不僅使生產(chǎn)成本提高，而且難于連續(xù)化生產(chǎn)。而且難于連續(xù)化生產(chǎn)。 產(chǎn)物的分離純化較困難產(chǎn)物的分離純化較困難：酶反應后成為雜質(zhì)與產(chǎn)物混在一起，無疑給：酶反應后成為雜質(zhì)與產(chǎn)物混在一起，無疑給產(chǎn)物的進一步的分離純化帶來一定的困難。產(chǎn)物的進一步的分離純化帶來一定的困難。 固定化酶固定化酶、概述、概述: :通過物理或化學的方法使溶液酶轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝煌ㄟ^物理或化學的方法使溶液酶轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢ǖ目臻g內(nèi)其運動受到約束（完全或局部）定的空間內(nèi)其運動

3、受到約束（完全或局部）的一種不溶于水，但仍具活性的酶。它以固的一種不溶于水，但仍具活性的酶。它以固相狀態(tài)作用于底物進行催化反應。相狀態(tài)作用于底物進行催化反應。水溶性酶水溶性酶水不溶性載體水不溶性載體水不溶性酶水不溶性酶（固定化酶）（固定化酶）固定化技術(shù)固定化技術(shù)2 2、固定化酶固定化酶（固相酶或水不溶酶）：（固相酶或水不溶酶）：3 3、固定化酶的研究歷史、固定化酶的研究歷史固定化酶的研究從固定化酶的研究從5050年代開始，年代開始，19531953年德國的年德國的 Grubhofer和和Schleith采用采用聚氨基苯乙烯樹脂聚氨基苯乙烯樹脂為載體與羧為載體與羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸

4、酶等結(jié)合，制成固肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等結(jié)合，制成固定化酶。定化酶。6060年代后期，固定化技術(shù)迅速發(fā)展起來。年代后期，固定化技術(shù)迅速發(fā)展起來。19691969年，日本年，日本的千煙一郎首次在工業(yè)上生產(chǎn)應用的千煙一郎首次在工業(yè)上生產(chǎn)應用固定化氨基酰化酶從固定化氨基?；笍腄L-DL-氨基酸連續(xù)生產(chǎn)氨基酸連續(xù)生產(chǎn)L-L-氨基酸氨基酸，實現(xiàn)了酶應用史上的一大，實現(xiàn)了酶應用史上的一大變革。變革。在在19711971年召開的第一次國際酶工程學術(shù)會議上，確定固年召開的第一次國際酶工程學術(shù)會議上，確定固定化酶的統(tǒng)一英文名稱為定化酶的統(tǒng)一英文名稱為Immobilized enzyme。優(yōu)點優(yōu)點:

5、 :(1)(1) 在催化反應以后，固定化在催化反應以后，固定化酶容易酶容易從反應系從反應系統(tǒng)統(tǒng)中中分離分離出來，可以出來，可以反復使用反復使用，固定化后的酶，固定化后的酶大多數(shù)情況下其大多數(shù)情況下其穩(wěn)定性增加穩(wěn)定性增加. .(2)(2) 產(chǎn)物不受污染產(chǎn)物不受污染, ,容易精制容易精制; ;(3)(3)固定化酶有一定的形狀和機械強度，可以裝固定化酶有一定的形狀和機械強度，可以裝 填在反應器中長期使用，便于實現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)填在反應器中長期使用，便于實現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動化。化和自動化。缺點：缺點： (1)(1)存在擴散限制。適于催化小分子物質(zhì)。存在擴散限制。適于催化小分子物質(zhì)。 (2)(2)酶活性下降。

6、酶活性下降。4 4、固定化酶的優(yōu)缺點、固定化酶的優(yōu)缺點： 固定化酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應用固定化酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應用: :5 5、固定化酶應用、固定化酶應用: :泵泵儲罐反應產(chǎn)物離心離心機機消消旋旋反反應應器器固定固定化酶化酶柱子柱子晶體 L-AlaL-Ala A-D-AlaA-L-Ala A-D-Ala固定化氨基酸?；干a(chǎn)固定化氨基酸?；干a(chǎn)L-L-氨基酸氨基酸; ;乙酰乙酰 -DL Ala L Ala +乙酸乙酸 乙酰乙酰 -D Ala固定化葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)固定化葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)高果糖漿高果糖漿-世界上生產(chǎn)規(guī)世界上生產(chǎn)規(guī)模最大，應用最為成功的模最大，應用最為成功的一種固定化酶一種固定化酶.

7、.固定化酶在生化制藥中的應用固定化酶在生化制藥中的應用: :固定化的青霉素固定化的青霉素酰化酶生產(chǎn)制造各種半合成的青霉素和頭孢霉?；干a(chǎn)制造各種半合成的青霉素和頭孢霉素素 ; ;固定化谷氨酸脫羧酶可以生產(chǎn)固定化谷氨酸脫羧酶可以生產(chǎn)-氨基丁酸氨基丁酸, ,制成了制成了CO2CO2電極電極, ,可用于測定谷氨酸的含量?？捎糜跍y定谷氨酸的含量。固定化酶在醫(yī)學上的應用固定化酶在醫(yī)學上的應用: :固定化纖溶酶治療血固定化纖溶酶治療血栓栓, ,用固定化脲酶和微膠囊活性炭組成人工腎等用固定化脲酶和微膠囊活性炭組成人工腎等 固定化酶在分析檢測和環(huán)境保護中的應用固定化酶在分析檢測和環(huán)境保護中的應用 ( (生物

8、傳感器是由生物活性物質(zhì)與換能器組成的分析系統(tǒng)生物傳感器是由生物活性物質(zhì)與換能器組成的分析系統(tǒng), ,可以簡便、快速地測定各種特異性很強的物質(zhì)可以簡便、快速地測定各種特異性很強的物質(zhì) ) ) 固定化葡萄糖氧化酶傳感器是其中應用最為廣泛的一種固定化葡萄糖氧化酶傳感器是其中應用最為廣泛的一種, ,將葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶和一種顯色劑一起固定在試將葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶和一種顯色劑一起固定在試紙上紙上, ,只要將該試紙浸入被檢尿樣中幾秒鐘就可以馬上檢只要將該試紙浸入被檢尿樣中幾秒鐘就可以馬上檢測出尿樣的葡萄糖是否超標測出尿樣的葡萄糖是否超標, ,從而斷定該婦女是有血糖、從而斷定該婦女是有血糖、尿糖還

9、是妊娠。尿糖還是妊娠。 生化分析中最常用的生化分析中最常用的H H電極也絕大多數(shù)是固定化酶產(chǎn)品電極也絕大多數(shù)是固定化酶產(chǎn)品: :固固定化青霉素酶電極定化青霉素酶電極 重組海洛因酯酶傳感器檢測違禁藥品重組海洛因酯酶傳感器檢測違禁藥品 用聚丙烯酰胺凝膠包埋細菌電極可快速測定污水中的用聚丙烯酰胺凝膠包埋細菌電極可快速測定污水中的BODBOD。載體結(jié)合法、交聯(lián)法、包埋法載體結(jié)合法、交聯(lián)法、包埋法. .1 1）載體結(jié)合法：）載體結(jié)合法：將酶結(jié)合于水不溶性載體的將酶結(jié)合于水不溶性載體的一種固定化方法。一種固定化方法。物理吸附法物理吸附法離子結(jié)合法離子結(jié)合法共價結(jié)合法共價結(jié)合法結(jié)合的形式結(jié)合的形式6 6、固

10、定化酶的制備方法、固定化酶的制備方法: :離子結(jié)合法離子結(jié)合法：酶通過：酶通過離子鍵結(jié)合離子鍵結(jié)合于具有離子交換基的于具有離子交換基的水不溶性載體的固定化方法。水不溶性載體的固定化方法。載體載體: :多糖類離子交換劑和合成高分子離子交換樹脂。多糖類離子交換劑和合成高分子離子交換樹脂。DEAEDEAE纖維素、纖維素、GMGM纖纖維素等。維素等。特點特點: :操作簡單，條件溫和，酶活回收率較高操作簡單，條件溫和，酶活回收率較高, , 受緩沖液種類或受緩沖液種類或pHpH的影響，的影響，易從載體上脫落。易從載體上脫落。物理吸附法物理吸附法：酶被：酶被物理吸附物理吸附( (氫鍵氫鍵, ,疏水鍵疏水鍵)

11、 )于不溶于不溶性載體的一種固定化方法。性載體的一種固定化方法。載體載體: :活性炭、多孔玻璃、氧化鋁、硅膠、淀粉、合成樹脂等?；钚蕴?、多孔玻璃、氧化鋁、硅膠、淀粉、合成樹脂等。特點特點: :酶活性中心不易被破壞，酶結(jié)構(gòu)變化少，酶與載體相互作用力弱，酶活性中心不易被破壞，酶結(jié)構(gòu)變化少，酶與載體相互作用力弱，酶易脫落。酶易脫落。共價結(jié)合法共價結(jié)合法：酶以：酶以共價鍵結(jié)合共價鍵結(jié)合于載體的固定化方于載體的固定化方法，是載體結(jié)合法中應用最多的一種。法，是載體結(jié)合法中應用最多的一種。將載體有關(guān)基團活化，與酶有關(guān)基團發(fā)生偶聯(lián)反應；或在載將載體有關(guān)基團活化，與酶有關(guān)基團發(fā)生偶聯(lián)反應；或在載體上接一個雙功能

12、試劑，然后將酶偶聯(lián)上去?？膳c載體結(jié)合的體上接一個雙功能試劑，然后將酶偶聯(lián)上去?？膳c載體結(jié)合的酶的功能團有氨基、羧基、羥基、酚基等。酶的功能團有氨基、羧基、羥基、酚基等。代表性的方法有重代表性的方法有重氮法、溴化氰法等。氮法、溴化氰法等。特點特點: :反應條件比較苛刻，操作復雜，并引起酶高級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反應條件比較苛刻，操作復雜，并引起酶高級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，破壞了部分活性中心，酶活回收率為變化，破壞了部分活性中心，酶活回收率為3030左右。左右。用雙功能或用雙功能或多功能試劑多功能試劑使酶與酶之間交聯(lián)的固使酶與酶之間交聯(lián)的固定化方法。它是利用共價鍵固定酶的，它定化方法。它是利用共價鍵固定酶的，它不使用

13、不使用載體。載體。交聯(lián)劑交聯(lián)劑: :形成希夫堿的戊二醛、形成肽鍵的異氰酸酯、發(fā)生形成希夫堿的戊二醛、形成肽鍵的異氰酸酯、發(fā)生重氮偶合反應的雙重氮聯(lián)苯胺等。重氮偶合反應的雙重氮聯(lián)苯胺等。特點特點: :結(jié)合牢固，可以長時間使用結(jié)合牢固，可以長時間使用, ,反應條件較激烈、酶活回反應條件較激烈、酶活回收率低收率低, ,顆粒較小顆粒較小, ,使用不便。使用不便。2 2）交聯(lián)法）交聯(lián)法：可將交聯(lián)法與吸附法或包埋法聯(lián)合使用，以取長補短可將交聯(lián)法與吸附法或包埋法聯(lián)合使用，以取長補短。網(wǎng)格型和微囊型兩種。網(wǎng)格型和微囊型兩種。將酶包埋在高分子凝膠細微網(wǎng)格中的稱為網(wǎng)格將酶包埋在高分子凝膠細微網(wǎng)格中的稱為網(wǎng)格型；將

14、酶包埋在高分子半透膜中的稱為微囊型。型；將酶包埋在高分子半透膜中的稱為微囊型。特點特點: :酶的高級結(jié)構(gòu)改變少，酶活回收率較高，包埋法酶的高級結(jié)構(gòu)改變少，酶活回收率較高，包埋法只適合作用于小分子底物和產(chǎn)物的酶，因為只有小分子只適合作用于小分子底物和產(chǎn)物的酶，因為只有小分子才可以通過高分子凝膠的網(wǎng)格進行擴散。才可以通過高分子凝膠的網(wǎng)格進行擴散。v適于網(wǎng)格型的高分子化合物有聚丙烯酰胺、聚適于網(wǎng)格型的高分子化合物有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、淀粉、明膠、海藻酸等。乙烯醇、淀粉、明膠、海藻酸等。 3 3）包埋法）包埋法v微囊型微囊型特點特點: :固定化酶顆粒一般為直徑固定化酶顆粒一般為直徑是幾微米到幾百微米

15、的球狀體，比是幾微米到幾百微米的球狀體，比網(wǎng)格型顆粒小得多網(wǎng)格型顆粒小得多, ,有利于底物和有利于底物和產(chǎn)物擴散產(chǎn)物擴散; ;半透膜能阻止蛋白質(zhì)分半透膜能阻止蛋白質(zhì)分子滲漏和進入，注入體內(nèi)既可避免子滲漏和進入，注入體內(nèi)既可避免引起免疫過敏反應，也可使酶免遭引起免疫過敏反應，也可使酶免遭蛋白水解酶的降解，具有較大的醫(yī)蛋白水解酶的降解，具有較大的醫(yī)學價值學價值.但反應條件要求高，制備成但反應條件要求高，制備成本也高。本也高。制備方法制備方法: :界面沉淀法界面沉淀法、界界面聚合法面聚合法、二級乳化法二級乳化法和和脂質(zhì)脂質(zhì)體包埋法體包埋法等等. .這是一種采用表面活性劑和磷脂酰膽堿等物質(zhì)，形成液膜來

16、包埋酶的方法 。固定化方法固定化方法吸附法吸附法包埋包埋法法共價共價結(jié)合結(jié)合法法交聯(lián)法交聯(lián)法物理吸附法物理吸附法離子吸附法離子吸附法制備難易制備難易易易易易較難較難難難較難較難結(jié)合程度結(jié)合程度弱弱中等中等強強強強強強活力回收活力回收高，酶易流失高，酶易流失高高高高低低中等中等再生再生可能可能可能可能不能不能不能不能不能不能費用費用低低低低低低高高中等中等底物專一性底物專一性 不變不變不變不變不變不變可變可變可變可變v發(fā)展方向發(fā)展方向: :將酶固定在生物膜或超濾膜上將酶固定在生物膜或超濾膜上, ,制造出來的生物膜反應器制造出來的生物膜反應器; ;固定化細胞技術(shù)固定化細胞技術(shù)注注: :通過不同方法

17、制得的固定化酶，必須制成不同型式通過不同方法制得的固定化酶，必須制成不同型式的組件裝在反應器中進行酶催化反應，例如制成顆粒狀、的組件裝在反應器中進行酶催化反應，例如制成顆粒狀、膜狀、管狀膜狀、管狀( (中空纖維中空纖維) )。酶的固定化，不僅使酶的活性發(fā)生了變化，而酶的固定化，不僅使酶的活性發(fā)生了變化，而且由于固定化酶使反應體系變?yōu)槎嘞囿w系，例如且由于固定化酶使反應體系變?yōu)槎嘞囿w系，例如液一固體系液一固體系, ,氣氣- -液液- -固等，因此研究需結(jié)合以下固等，因此研究需結(jié)合以下兩個方面兩個方面: :考慮酶催化反應的本征動力學規(guī)律考慮酶催化反應的本征動力學規(guī)律; ;研究反應物的質(zhì)量傳遞規(guī)律，及

18、其對酶催化反研究反應物的質(zhì)量傳遞規(guī)律，及其對酶催化反應過程的影響。應過程的影響。固定化酶催化反應動力學本質(zhì)固定化酶催化反應動力學本質(zhì)宏觀動力學方程宏觀動力學方程: :同時包括物質(zhì)傳質(zhì)速率和催化反應同時包括物質(zhì)傳質(zhì)速率和催化反應速率的動力學方程。是設(shè)計固定化酶催化反應器和速率的動力學方程。是設(shè)計固定化酶催化反應器和確定其操作條件的理論基礎(chǔ)。確定其操作條件的理論基礎(chǔ)。溶液酶溶液酶固定化酶，其性質(zhì)將會發(fā)生很大的變化。這固定化酶，其性質(zhì)將會發(fā)生很大的變化。這種變化因酶的種類、所催化的反應、所用的載體和采用種變化因酶的種類、所催化的反應、所用的載體和采用的固定化方法的不同而不同。的固定化方法的不同而不同

19、。3 31 1 固定化酶催化的動力學特征固定化酶催化的動力學特征 一、酶的固定化對其動力學特性的影響一、酶的固定化對其動力學特性的影響(1)(1)活性的變化。固定化時，部分酶未被固定活性的變化。固定化時，部分酶未被固定而殘留在溶液中，造成了酶的部分損失；同時由而殘留在溶液中，造成了酶的部分損失；同時由于各種原因也會造成已被固定化的酶的活性有所于各種原因也會造成已被固定化的酶的活性有所下降。下降。固定化酶的動力學仍服從固定化酶的動力學仍服從MMMM方程，可通過米方程，可通過米氏常數(shù)氏常數(shù)K K反映酶在固定化前后活性的變化。反映酶在固定化前后活性的變化。某些游離酶和固定化酶的米氏常數(shù)某些游離酶和固

20、定化酶的米氏常數(shù)酶酶固定化試劑固定化試劑底物底物Km/(mol/L)肌酸激酶無對氨苯基纖維素ATPATP6.510-48.010-4乳酸脫氫酶無丙酰-玻璃NADHNADH7.810-65.510-5-糜蛋白酶無可溶性醛葡聚糖ATEEATEE1.010-31.310-3無花果蛋白酶無CM-纖維-70BAEEBAEE210-2210-2胰蛋白酶無馬來酸/1,2-亞乙基BAABAA6.810-3210-4ATP-三磷酸腺苷;NADH-煙酰胺腺嘌呤二核苷酸;ATEE-N-乙酰-L-酪氨酸乙酯;BAEE-N-苯酰精氨酸乙酯;BAA-苯酰精氨酰胺大多數(shù)酶在固定化后，其大多數(shù)酶在固定化后，其KmKm值增加，

21、表示催化反應活性將下降。也值增加，表示催化反應活性將下降。也有少數(shù)酶固定化后活性無變化，甚至有所增大。有少數(shù)酶固定化后活性無變化，甚至有所增大。評價活性變化的兩種指標：酶活力表現(xiàn)評價活性變化的兩種指標：酶活力表現(xiàn)率和酶活力收率。率和酶活力收率。v酶活力表現(xiàn)率酶活力表現(xiàn)率：實際測定的固定化酶的實際測定的固定化酶的總活力與被固定化了的酶在溶液狀態(tài)時的總活力與被固定化了的酶在溶液狀態(tài)時的總活力之比?？偦盍χ?。v酶活力收率酶活力收率：實際的固定化酶的總活力實際的固定化酶的總活力與固定化時所用的全部游離酶的活力之比與固定化時所用的全部游離酶的活力之比?；盍Ρ憩F(xiàn)率活力表現(xiàn)率= =固定化酶總活力固定化酶總

22、活力/ (/ (加入酶的總活力加入酶的總活力- -上清液中未偶聯(lián)酶活力上清液中未偶聯(lián)酶活力) )100%100%活力收率活力收率=固定化酶總活力固定化酶總活力/加入酶的總活力加入酶的總活力100%半衰期半衰期: :在連續(xù)測定條件下，固定化酶在連續(xù)測定條件下，固定化酶( (細胞細胞) )的活力下的活力下降為最初活力一半所經(jīng)歷的連續(xù)工作時間，以降為最初活力一半所經(jīng)歷的連續(xù)工作時間，以t t1/21/2表示。表示。理論推測酶固定化后，其半衰期將增加一倍。理論推測酶固定化后，其半衰期將增加一倍。熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性: :也有所提高，要比溶液酶提高也有所提高，要比溶液酶提高1010多倍。這是多倍。這是因為酶

23、固定化后，酶的空間結(jié)構(gòu)變得更為堅固，加熱時不因為酶固定化后，酶的空間結(jié)構(gòu)變得更為堅固，加熱時不易變形，增加了酶的熱穩(wěn)定性。易變形，增加了酶的熱穩(wěn)定性。酶被固定化后，其穩(wěn)定性有所增加，酶被固定化后，其穩(wěn)定性有所增加，保存和使保存和使用時用時的穩(wěn)定性均有提高。的穩(wěn)定性均有提高。(2)(2)穩(wěn)定性的變化穩(wěn)定性的變化: :構(gòu)象效應：構(gòu)象效應：酶在固定化過程中，由于酶和載體的相互作酶在固定化過程中，由于酶和載體的相互作用，引起了酶的活性部位發(fā)生某種扭曲變形，改變了酶活性用，引起了酶的活性部位發(fā)生某種扭曲變形，改變了酶活性部位的三維結(jié)構(gòu)，減弱了酶與底物的結(jié)合能力的現(xiàn)象。部位的三維結(jié)構(gòu)，減弱了酶與底物的結(jié)合

24、能力的現(xiàn)象。屏蔽效應（位阻效應）屏蔽效應（位阻效應）：載體的存在使酶分子的活性載體的存在使酶分子的活性基團不易與底物相接觸，從而對酶的活性部位造成了空間障基團不易與底物相接觸，從而對酶的活性部位造成了空間障礙，使酶的活性下降。如在葡聚糖凝膠上共價交聯(lián)胰蛋白酶礙，使酶的活性下降。如在葡聚糖凝膠上共價交聯(lián)胰蛋白酶的活性低于結(jié)合在瓊脂糖的活性，原因是葡聚糖凝膠的空間的活性低于結(jié)合在瓊脂糖的活性，原因是葡聚糖凝膠的空間屏障大于瓊脂糖。屏障大于瓊脂糖。 二、二、固定化酶動力學的影響因素固定化酶動力學的影響因素 (1)(1)空間效應空間效應: :酶的活性部位和變構(gòu)部位的性質(zhì)取決于酶酶的活性部位和變構(gòu)部位的

25、性質(zhì)取決于酶分子的三維空間結(jié)構(gòu)分子的三維空間結(jié)構(gòu)。 當固定化酶處在反應體系的主體溶液中時，反應體系當固定化酶處在反應體系的主體溶液中時，反應體系成為固液非均相體系。由于固定化酶的親水性、疏水性成為固液非均相體系。由于固定化酶的親水性、疏水性及靜電作用等引起固定酶載體內(nèi)部底物或產(chǎn)物濃度與溶及靜電作用等引起固定酶載體內(nèi)部底物或產(chǎn)物濃度與溶液主體濃度不同的現(xiàn)象液主體濃度不同的現(xiàn)象分配效應。造成了底物濃度在分配效應。造成了底物濃度在兩個環(huán)境中的不同，必然使酶的催化反應速率有所不同。兩個環(huán)境中的不同，必然使酶的催化反應速率有所不同。 分配效應一般采用液固界面內(nèi)外側(cè)的底物濃度之比分配效應一般采用液固界面內(nèi)

26、外側(cè)的底物濃度之比（分配系數(shù)）來定量表示。（分配系數(shù)）來定量表示。(2)(2)分配效應分配效應界面內(nèi)側(cè)的底物濃界面內(nèi)側(cè)的底物濃度為度為Csg，界面外側(cè)的，界面外側(cè)的底物濃度為底物濃度為Csi,則分配則分配系數(shù)系數(shù)K為：為：K=CsgCsiCso液相主體的濃度，液相主體的濃度，Csi外擴散造成的界外擴散造成的界面外側(cè)濃度。面外側(cè)濃度。Csg由分配效應造成由分配效應造成的微環(huán)境的底物濃度。的微環(huán)境的底物濃度。靜電效應的影響表現(xiàn)在對靜電效應的影響表現(xiàn)在對Km值的影響。值的影響。通常酶可能被固定在帶電荷的酶膜上或載體上。底物通常酶可能被固定在帶電荷的酶膜上或載體上。底物在溶液中也會離子化，這樣在固定載

27、體上的電荷和移動在溶液中也會離子化，這樣在固定載體上的電荷和移動的離子之間，常會發(fā)生靜電交互作用，產(chǎn)生分配效應。的離子之間，常會發(fā)生靜電交互作用，產(chǎn)生分配效應。使底物或產(chǎn)物濃度之間出現(xiàn)不均勻分布。使底物或產(chǎn)物濃度之間出現(xiàn)不均勻分布。根據(jù)根據(jù)Boltzman分配定律，分配系數(shù)分配定律，分配系數(shù)K為為)exp(RTZFUKZ-底物分子所帶電荷；底物分子所帶電荷；F-法拉第常數(shù)；法拉第常數(shù)；U-靜電電勢。靜電電勢。當載體與底物所帶電荷相反時，即當載體與底物所帶電荷相反時，即Z為正、為正、 U為負為負時，時，K大于大于1;當兩者帶有相同電荷時，則當兩者帶有相同電荷時，則K小于小于1。對固定化酶催化反應

28、，其底物濃度應取在固定化酶內(nèi)外表面對固定化酶催化反應，其底物濃度應取在固定化酶內(nèi)外表面附近的微環(huán)境的數(shù)值，根據(jù)米氏方程，附近的微環(huán)境的數(shù)值，根據(jù)米氏方程，當當Z及及U 為異號，為異號，Km小于小于Km；反之，則；反之，則Km大于大于Km ；當；當任何一方電荷為零時，任何一方電荷為零時， Km不變。不變。 iiiiggSmSSmSSmSsCKCrRTZFUCKRTZFUCrCKCrrmaxmaxmax)exp()exp()exp(/RTZFUKKmm當載體與底物帶不同電荷時，當載體與底物帶不同電荷時，Km值減小，反應速率增大；值減小，反應速率增大；帶有相同電荷時帶有相同電荷時Km值增大，反應速率

29、減小。其根源在于值增大，反應速率減小。其根源在于使微環(huán)境與主體溶液之間的濃度出現(xiàn)了差異。使微環(huán)境與主體溶液之間的濃度出現(xiàn)了差異。(3)擴散效應：擴散效應：固定化酶對底物進行催化反應固定化酶對底物進行催化反應時，底物必須從主體溶液傳遞到固定化酶內(nèi)部的時，底物必須從主體溶液傳遞到固定化酶內(nèi)部的催化活性中心處，反應得到的產(chǎn)物必須從酶的催催化活性中心處，反應得到的產(chǎn)物必須從酶的催化活性中心傳遞到主體溶液中。化活性中心傳遞到主體溶液中。物質(zhì)的傳遞過程有分子擴散和對流擴散。擴散物質(zhì)的傳遞過程有分子擴散和對流擴散。擴散過程的速率在某些情況下可能會對反應速率產(chǎn)生過程的速率在某些情況下可能會對反應速率產(chǎn)生限制作

30、用，由于生物物質(zhì)在液體中的擴散速率相限制作用，由于生物物質(zhì)在液體中的擴散速率相當緩慢，而酶的催化活性又很高時，這種擴散限當緩慢，而酶的催化活性又很高時，這種擴散限制效應會相當明顯。制效應會相當明顯。 擴散限制效應有外擴散和內(nèi)擴散限制效應。擴散限制效應有外擴散和內(nèi)擴散限制效應。外擴散外擴散：底物從液相主體向固定化酶的外表面的一種底物從液相主體向固定化酶的外表面的一種擴散擴散, ,或是產(chǎn)物從固定化酶的外表面向液相主體中的擴散?；蚴钱a(chǎn)物從固定化酶的外表面向液相主體中的擴散。外擴散是發(fā)生在催化反應之前或之后。由于外擴散阻力外擴散是發(fā)生在催化反應之前或之后。由于外擴散阻力的存在，使底物或產(chǎn)物在液相主體和

31、固定化酶外表面之的存在，使底物或產(chǎn)物在液相主體和固定化酶外表面之間存在著濃度梯度。間存在著濃度梯度。內(nèi)擴散內(nèi)擴散：指對有微孔載體的固定化酶，底物從固定化指對有微孔載體的固定化酶，底物從固定化酶外表面擴散到微孔內(nèi)部的酶催化中心處，或是產(chǎn)物沿酶外表面擴散到微孔內(nèi)部的酶催化中心處，或是產(chǎn)物沿相反途徑的擴散。對底物來講，內(nèi)擴散限制與酶催化反相反途徑的擴散。對底物來講，內(nèi)擴散限制與酶催化反應同時進行。應同時進行。由于擴散限制效應由于擴散限制效應的存在，底物濃度從的存在，底物濃度從液相主體到固定化酶液相主體到固定化酶外表面，再到內(nèi)表面外表面，再到內(nèi)表面是依次降低，而產(chǎn)物是依次降低，而產(chǎn)物濃度分布則相反。濃

32、度分布則相反。分配效應分配效應造成的結(jié)果是使微觀環(huán)境與宏觀環(huán)境之間的造成的結(jié)果是使微觀環(huán)境與宏觀環(huán)境之間的底物濃度出現(xiàn)了差別，因而影響了酶催化的反應速率。底物濃度出現(xiàn)了差別，因而影響了酶催化的反應速率。如果在上述本征動力學的基礎(chǔ)上，僅考慮由于這種分如果在上述本征動力學的基礎(chǔ)上，僅考慮由于這種分配效應而造成的濃度差異對動力學產(chǎn)生的影響，所建配效應而造成的濃度差異對動力學產(chǎn)生的影響，所建立的動力學稱為固有動力學立的動力學稱為固有動力學。動力學方程動力學方程仍然服從仍然服從MMM M方程方程形式，僅對動力學參數(shù)予以修正形式，僅對動力學參數(shù)予以修正。空間效應空間效應難以定量描述，它與固定化的方法、載體

33、的難以定量描述，它與固定化的方法、載體的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、底物分子大小和形狀等因素有關(guān)。這屬結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、底物分子大小和形狀等因素有關(guān)。這屬于酶工程的范圍于酶工程的范圍?？臻g效應的影響可通過校正空間效應的影響可通過校正動力學動力學參數(shù)參數(shù)r rmaxmax和和KmKm來體現(xiàn)的來體現(xiàn)的。在此基礎(chǔ)上建立起的動力學在此基礎(chǔ)上建立起的動力學方程方程本征動力學。本征動力學是指酶的真實動力學本征動力學。本征動力學是指酶的真實動力學行為，包括溶液酶和固定化酶在內(nèi)。固定化酶的本征行為，包括溶液酶和固定化酶在內(nèi)。固定化酶的本征動力學與溶液酶的本征動力學是有差別的。動力學與溶液酶的本征動力學是有差別的。擴散效應擴散效應:

34、 :固定化酶受到擴散限制時所觀察到的速率固定化酶受到擴散限制時所觀察到的速率統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為有效反應速率（宏觀反應速率）有效反應速率（宏觀反應速率）。由于生化物質(zhì)由于生化物質(zhì)在溶液內(nèi)和固定化酶微孔內(nèi)的擴散速率是比較慢的，因在溶液內(nèi)和固定化酶微孔內(nèi)的擴散速率是比較慢的，因而而擴散阻力是影響固定化酶催化活力的主要因素擴散阻力是影響固定化酶催化活力的主要因素。并且并且所建立的宏觀動力學方程也不完全服從所建立的宏觀動力學方程也不完全服從MMMM方程形式方程形式。 因此對一個非均相因此對一個非均相( (液一固液一固) )體系所建立的宏體系所建立的宏觀動力學方程不僅包括酶的觀動力學方程不僅包括酶的催化反應速率

35、催化反應速率，而，而且還包括了且還包括了傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率。這是固定化酶催化反應。這是固定化酶催化反應過程動力學的最主要特征。過程動力學的最主要特征。對固定化酶催化反應動力學，要考慮固定化酶對固定化酶催化反應動力學，要考慮固定化酶本身的活性變化和底物等物質(zhì)的傳質(zhì)速率的影本身的活性變化和底物等物質(zhì)的傳質(zhì)速率的影響，而傳質(zhì)速率又與底物等物質(zhì)的性質(zhì)和操作響，而傳質(zhì)速率又與底物等物質(zhì)的性質(zhì)和操作條件以及載體的的性質(zhì)等因素有關(guān)。條件以及載體的的性質(zhì)等因素有關(guān)。32 外擴散限制效應外擴散限制效應固定化酶與液相反應物系相接觸時，固定化酶與液相反應物系相接觸時，反反應過程包括三步應過程包括三步：底物從液相主體擴

36、散到固定化酶的外底物從液相主體擴散到固定化酶的外表面；表面；底物在固定化酶的底物在固定化酶的外表面上外表面上進行進行反應反應；產(chǎn)物從酶外表面擴散進入液相主體。產(chǎn)物從酶外表面擴散進入液相主體。三步是一串聯(lián)過程。任意一步的速率發(fā)三步是一串聯(lián)過程。任意一步的速率發(fā)生變化，都影響到整個過程的速率。生變化，都影響到整個過程的速率。對非帶電的固定化酶，其外表面上的反應速對非帶電的固定化酶，其外表面上的反應速率符合率符合MM方程形式，即方程形式，即Rsi底物在固定化酶外表面上的消耗速率（宏觀反底物在固定化酶外表面上的消耗速率（宏觀反應速率），應速率），mol(LS)；Csi底物在固定化酶外表面上的濃度，底物

37、在固定化酶外表面上的濃度，molL。simsisiCKCrRmax3.2.1 3.2.1 外擴散速率對酶催化反應速率的限制外擴散速率對酶催化反應速率的限制底物由液相主體擴散到固定化酶外表面底物由液相主體擴散到固定化酶外表面的速率的速率R Rsdsd表示為表示為k kL L液膜傳質(zhì)系數(shù)，液膜傳質(zhì)系數(shù)，m ms s；aa單位體積的物系中所具有的傳質(zhì)表面積單位體積的物系中所具有的傳質(zhì)表面積; ;k kL Laa體積傳質(zhì)系數(shù)，體積傳質(zhì)系數(shù)，s s-1-1；C Csoso底物在液相主體中的濃度，底物在液相主體中的濃度，molmolL L。定態(tài)條件下，應存在定態(tài)條件下，應存在R Rsisi=R=Rsdsd

38、，)(sisoLsdCCakRsimsiCKCrRmax)(sisoLCCak該式表示了在定態(tài)條件下，外擴散傳質(zhì)速率等于在固定該式表示了在定態(tài)條件下，外擴散傳質(zhì)速率等于在固定化酶外表面上底物的反應速率?；竿獗砻嫔系孜锏姆磻俾?。當當外擴散傳質(zhì)速率很快外擴散傳質(zhì)速率很快，而固定化酶外表面反應速率，而固定化酶外表面反應速率相對較慢，并成為該反應過程速率的控制步驟時相對較慢，并成為該反應過程速率的控制步驟時，則酶，則酶的外表面上底物濃度應為液相主體溶液的濃度的外表面上底物濃度應為液相主體溶液的濃度CsCs。此時。此時的反應速率應為的反應速率應為sosomsosirCKCrRmax存在有存在有Cso

39、=Csi。因此上式為沒有外擴散傳質(zhì)速。因此上式為沒有外擴散傳質(zhì)速率影響的本征反應速率，或稱為在此條件下可能達率影響的本征反應速率，或稱為在此條件下可能達到的最大反應速率到的最大反應速率rso。當外擴散傳質(zhì)速率很慢當外擴散傳質(zhì)速率很慢，而酶表面上的反應速率，而酶表面上的反應速率很快，此時外擴散速率成為反應的控制步驟很快，此時外擴散速率成為反應的控制步驟。固定。固定化酶外表面上底物濃度趨于零?；竿獗砻嫔系孜餄舛融呌诹?。Rsi=kLaCso=rdRsoCso-非線性非線性RdCso-線性線性當當Cso值較低時，值較低時，rsord，為外擴散控制，為外擴散控制，Rsi=rd當當Cso值較高時，值較高

40、時，rso0a0，括號內(nèi)取，括號內(nèi)取“+號；當號；當a0a0，則，則應取應取“一一號。號。求出求出Csi值，再求出宏值，再求出宏觀反應速率觀反應速率Rsi值。值。 aD 14122KCs1KDaDa是一個無因次數(shù)群。其物理意義為：是一個無因次數(shù)群。其物理意義為：當當Dal時，則底物最大擴散速率要低于酶時，則底物最大擴散速率要低于酶催化底物的反應速率，此時該反應過程為傳質(zhì)擴催化底物的反應速率，此時該反應過程為傳質(zhì)擴散控制。散控制。最大傳質(zhì)速率最大反應速率soLaaCkrDmax底物在固定化酶外表面處的濃度應同時滿足傳質(zhì)底物在固定化酶外表面處的濃度應同時滿足傳質(zhì)速率方程式和反應速率方程式，因此可通

41、過作圖速率方程式和反應速率方程式，因此可通過作圖法求出法求出CsCsi i值和相應的速率值值和相應的速率值 。圖中曲線圖中曲線1為底物為底物S的的反應本征動力學曲線；反應本征動力學曲線；直線直線2為傳質(zhì)速率方程；為傳質(zhì)速率方程；直線斜率為直線斜率為kLa；直線；直線與曲線交點為方程的解，與曲線交點為方程的解，對應橫坐標值為其表面對應橫坐標值為其表面底物濃度底物濃度Csi，交點對應，交點對應的縱坐標值為所求的表的縱坐標值為所求的表面反應速率面反應速率Rsi。simsiCKCrmax)(sisoLCCak如果是如果是帶電的固定化酶帶電的固定化酶放在電離了的底物溶液放在電離了的底物溶液中，則表示外擴

42、散速率影響的宏觀速率應為中，則表示外擴散速率影響的宏觀速率應為)(eCCaMkRsisoLsisimsiCKCrmaxaSsDCKeC)(1 (1eKDaDar422maxsiRsoLaaCMkrDmax-與靜電分布有關(guān)的參數(shù)，與靜電分布有關(guān)的參數(shù)，M-修正系數(shù)修正系數(shù)（2）外擴散有效因子外擴散有效因子E E，求，求R RSiSi值。值。 E E的定義為：的定義為：用無因次形式得：用無因次形式得：有外擴散影響時的實際反應速率為：有外擴散影響時的實際反應速率為：sosiErR速率無外擴散影響時的反應反應速率有外擴散影響時的實際KCKCssE)1 (soEsirRsomsoECKCrmax當當 時

43、，時，Rsirso，表明固定化酶外表，表明固定化酶外表面處底物濃度與液相主體濃度相同，反應沒有受面處底物濃度與液相主體濃度相同，反應沒有受到外擴散傳質(zhì)速率的限制影響；到外擴散傳質(zhì)速率的限制影響；當當 時，則表明由于外擴散傳質(zhì)速率較慢，時，則表明由于外擴散傳質(zhì)速率較慢，已在某種程程度上限制了反應速率已在某種程程度上限制了反應速率；當當 時，則宏觀反應速率實際上由外擴散時，則宏觀反應速率實際上由外擴散傳質(zhì)速率所控制。傳質(zhì)速率所控制。當反應過程為外擴散控制時，當反應過程為外擴散控制時，Dal，有：，有： 1E1EaEDK11E此時反應宏觀速率可表示為：此時反應宏觀速率可表示為：Rsi=kLaCs0

44、一級反應動力學一級反應動力學當反應過程為動力學控制時，當反應過程為動力學控制時，Da1，有：，有：Rsi=rso為了使為了使 盡可能增大到盡可能增大到1，應控制操作條件使，應控制操作條件使Da值盡可能小，即提高值盡可能小，即提高kLa值。一個有效的方值。一個有效的方法是提高液體流速。法是提高液體流速。在消除了外擴散的影響時所測得的宏觀反應速在消除了外擴散的影響時所測得的宏觀反應速率實際上反映了本征反應速率。率實際上反映了本征反應速率。 1EE引入無因次底物液引入無因次底物液相主體濃度為相主體濃度為 不同不同值下，與值下，與Da的關(guān)系表示如圖的關(guān)系表示如圖 當當Da和和已知，可已知，可確定確定

45、但需要已知其本征動力但需要已知其本征動力學參數(shù)學參數(shù)r rmaxmax和和K Km m，而這些，而這些參數(shù)又是不受外擴散影響參數(shù)又是不受外擴散影響的反應中求得的的反應中求得的KKCms10E引入可觀察的丹克萊爾準數(shù)引入可觀察的丹克萊爾準數(shù) 式中沒有反應的本征動力學參數(shù)。用式中沒有反應的本征動力學參數(shù)。用 來來求值要比用求值要比用DaDa更為方便。更為方便。aD0sLsiaCkRaD宏觀反應速率的反應速率實測的有外擴散影響時siRaDsiRKrCKCrEsomsoE1maxmax11)1 (0maxDaKDaCkKraDEaEsLE知知故故在不同在不同值值下，下， 與與 作圖。用該圖作圖。用該圖

46、很容易由很容易由 值值確定確定 值。值。aDEEaD外擴散對反應過外擴散對反應過程速率的影響還程速率的影響還可從可從EHEH圖看到圖看到 maxmaxrKRrRsiEsi當當DaDa值較小時，為動力學控值較小時，為動力學控制，該關(guān)系表示為一直線；制，該關(guān)系表示為一直線；隨著隨著DaDa值的增大，外擴散影值的增大，外擴散影響程度在增加，關(guān)系曲線明響程度在增加，關(guān)系曲線明顯偏離直線。顯偏離直線。通過該圖可檢驗外擴散對反通過該圖可檢驗外擴散對反應的限制程度。應的限制程度。對任意對任意n n級反應級反應ARAR，本征速率方程為，本征速率方程為 naraCkr akCkDaLnar1DaE11n=1 3

47、3 內(nèi)擴散限制效應內(nèi)擴散限制效應對包埋或吸附于多孔性載體中的固定化酶，其對包埋或吸附于多孔性載體中的固定化酶，其催化反應發(fā)生的主要部位是在顆粒的內(nèi)部。內(nèi)擴催化反應發(fā)生的主要部位是在顆粒的內(nèi)部。內(nèi)擴散的阻力主要是微孔內(nèi)的阻力。阻力的大小與固散的阻力主要是微孔內(nèi)的阻力。阻力的大小與固定化酶顆粒內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)、反應物系的性定化酶顆粒內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)、反應物系的性質(zhì)等因素有關(guān)。質(zhì)等因素有關(guān)。3.3.1 3.3.1 載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微孔內(nèi)的擴散載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微孔內(nèi)的擴散研究內(nèi)擴散對動力學的影響時，常將均勻分布研究內(nèi)擴散對動力學的影響時，常將均勻分布著酶的多孔球形顆粒為研究模型。先研究顆粒載著酶的

48、多孔球形顆粒為研究模型。先研究顆粒載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體在載體微孔內(nèi)的擴散。體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體在載體微孔內(nèi)的擴散。（1）載體結(jié)構(gòu)參數(shù)載體結(jié)構(gòu)參數(shù)比表面積比表面積Sg：單位質(zhì)量載體所具有的內(nèi)表面積，：單位質(zhì)量載體所具有的內(nèi)表面積，m2/g。Sg=200300m2/g。微孔半徑：多孔載體的內(nèi)表面積與微孔孔徑大小微孔半徑：多孔載體的內(nèi)表面積與微孔孔徑大小有關(guān)。孔徑愈小、比表面積愈大。如用有關(guān)?？讖接?、比表面積愈大。如用Vg表示單位表示單位質(zhì)量載體所具有的孔體積，則平均微孔半徑為質(zhì)量載體所具有的孔體積，則平均微孔半徑為：ggSVr2孔隙率孔隙率:載體顆粒內(nèi)孔隙所占有的體積與該顆粒載體顆粒內(nèi)孔隙所占有的

49、體積與該顆粒體積之比值。體積之比值。 值恒小于值恒小于1表觀密度表觀密度 : 表示了單位顆粒體積中所含有固體的質(zhì)量。表示了單位顆粒體積中所含有固體的質(zhì)量。ppgpVp顆粒當量直徑顆粒當量直徑體積相當直徑體積相當直徑dv:與顆粒體積相等的球體直徑來表與顆粒體積相等的球體直徑來表示示外表面積相當直徑外表面積相當直徑ds:與顆粒的比表面積相等的球與顆粒的比表面積相等的球體直徑來表示體直徑來表示假定某任一形狀的固定化酶顆粒，其體積為假定某任一形狀的固定化酶顆粒，其體積為V Vp p，外，外表面積為表面積為A Ap p，各當量直徑分別為，各當量直徑分別為3/1)6(pvVd 2/1)(psAd 形狀系數(shù)

50、形狀系數(shù) （球形度）：與顆粒體積相同的球體的（球形度）：與顆粒體積相同的球體的外表面積外表面積AsAs與顆粒的外表面積與顆粒的外表面積ApAp之比值之比值 PSAA表示了任意顆粒的外形與球形相表示了任意顆粒的外形與球形相接近的程度。接近的程度。顆粒密度顆粒密度顆粒表觀密度顆粒表觀密度顆粒真密度顆粒真密度 顆粒堆密度顆粒堆密度 顆粒的體積固體的質(zhì)量P固體的體積固體的質(zhì)量t床層的體積固體的質(zhì)量bPtb(2)(2)液體在微孔內(nèi)的擴散液體在微孔內(nèi)的擴散： 當微孔內(nèi)流動時，則某一組分的擴散可以認當微孔內(nèi)流動時，則某一組分的擴散可以認為是以濃度差為推動力而進行的。為是以濃度差為推動力而進行的。對于氣相分子

51、在微孔內(nèi)的擴散，則由于微孔半對于氣相分子在微孔內(nèi)的擴散，則由于微孔半徑徑r r與分子運動的平均自由程與分子運動的平均自由程的相對大小不同，的相對大小不同，微孔內(nèi)的擴散機理可分為兩種：微孔內(nèi)的擴散機理可分為兩種：分子擴散（正常擴散）分子擴散（正常擴散）：擴散的阻力來自于擴散的阻力來自于分分子之間子之間的碰撞，擴散速率主要受到分子之間相互的碰撞，擴散速率主要受到分子之間相互碰撞的影響，與微孔直徑的大小無關(guān)。碰撞的影響，與微孔直徑的大小無關(guān)。努森努森(Knudson)擴散擴散：其擴散過程的阻力主其擴散過程的阻力主要是要是分子與孔壁分子與孔壁之間的碰撞，而分子之間的碰撞之間的碰撞，而分子之間的碰撞影響

52、較小。它常發(fā)生在微孔直徑較小的情況。影響較小。它常發(fā)生在微孔直徑較小的情況。 當當 時，時，分子擴散；分子擴散；當當 時，時，努森擴散。努森擴散。介于之間屬于兩種擴散機理并存。介于之間屬于兩種擴散機理并存。液體在微孔內(nèi)的擴散機理一般為分子擴散。其液體在微孔內(nèi)的擴散機理一般為分子擴散。其擴散速率由分子擴散系數(shù)決定。擴散速率由分子擴散系數(shù)決定。微孔內(nèi)液體分子的擴散速率，可用微孔內(nèi)液體分子的擴散速率，可用FickFick定律描定律描述：述： 01. 02r102rdzdCDNseSN Ns s組分組分S S的擴散通量，的擴散通量，zz沿擴散方向的距離，沿擴散方向的距離，D De e有效擴散系數(shù)有效擴

53、散系數(shù)固定化酶顆粒內(nèi)部的微孔是彎彎曲曲的，微孔固定化酶顆粒內(nèi)部的微孔是彎彎曲曲的，微孔的大小也不均勻，微孔彼此之間可能封閉，也可的大小也不均勻，微孔彼此之間可能封閉，也可能連通。因此與在主體溶液中進行的分子擴散相能連通。因此與在主體溶液中進行的分子擴散相比，擴散阻力明顯增大，其擴散系數(shù)要比分子擴比，擴散阻力明顯增大，其擴散系數(shù)要比分子擴散系數(shù)小。散系數(shù)小。 對于常用固定化酶凝膠，對于常用固定化酶凝膠，DeD大約為大約為0.50.8。但對于微膠囊固定化酶，由于顆粒內(nèi)亦為液相，但對于微膠囊固定化酶，由于顆粒內(nèi)亦為液相，因此因此DeD。3.3.23.3.2 微孔內(nèi)反應組分的濃度分布微孔內(nèi)反應組分的濃

54、度分布在微孔內(nèi)，由于內(nèi)擴散阻力的存在，反在微孔內(nèi)，由于內(nèi)擴散阻力的存在，反應組分在微孔內(nèi)的濃度分布不均勻。底物應組分在微孔內(nèi)的濃度分布不均勻。底物在固定化酶顆粒的外表面處濃度最高而在在固定化酶顆粒的外表面處濃度最高而在顆粒中心處濃度最低，形成濃度分布，而顆粒中心處濃度最低，形成濃度分布，而反應產(chǎn)物的濃度分布則與之相反。由于在反應產(chǎn)物的濃度分布則與之相反。由于在微孔內(nèi)擴散與反應同時進行，因而沿著微微孔內(nèi)擴散與反應同時進行，因而沿著微孔方向，底物的濃度及反應速率同時在下孔方向，底物的濃度及反應速率同時在下降。要描述濃度及反應速率的變化規(guī)律，降。要描述濃度及反應速率的變化規(guī)律，必須建立包括擴散與反應

55、在內(nèi)的質(zhì)量衡算必須建立包括擴散與反應在內(nèi)的質(zhì)量衡算方程式。方程式。 對球形固定化酶對球形固定化酶(1)(1)質(zhì)量衡算方程：質(zhì)量衡算方程：普遍而完整的質(zhì)量衡普遍而完整的質(zhì)量衡算方程應表示為算方程應表示為 流入系統(tǒng)的質(zhì)量流入系統(tǒng)的質(zhì)量 一一 離開系統(tǒng)的質(zhì)離開系統(tǒng)的質(zhì)量量+系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的質(zhì)量系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的質(zhì)量 一一 系統(tǒng)內(nèi)消耗的系統(tǒng)內(nèi)消耗的質(zhì)量質(zhì)量=系統(tǒng)內(nèi)累積的質(zhì)量系統(tǒng)內(nèi)累積的質(zhì)量 對球形顆粒，常用一殼層對球形顆粒，常用一殼層進行質(zhì)量衡算，如圖所示。進行質(zhì)量衡算，如圖所示。球形顆粒半徑為球形顆粒半徑為R R，在距球，在距球心為心為r r處取一殼層，其厚度處取一殼層，其厚度為為rr。底物通過微孔由外。底物

56、通過微孔由外向內(nèi)擴散，并通過此殼層。向內(nèi)擴散，并通過此殼層。底物在底物在(r+r)(r+r)處擴散進入，處擴散進入，在在r r處離開，并在殼層內(nèi)發(fā)處離開，并在殼層內(nèi)發(fā)生酶催化反應而消耗底物。生酶催化反應而消耗底物。推導質(zhì)量衡算方程時的七點假設(shè)：推導質(zhì)量衡算方程時的七點假設(shè)：固定化酶顆粒是固定化酶顆粒是等溫的等溫的。一般情況下，固定。一般情況下，固定化酶顆粒內(nèi)的溫度梯度是可以忽略的，以簡化了化酶顆粒內(nèi)的溫度梯度是可以忽略的，以簡化了模型。模型。傳質(zhì)機理為傳質(zhì)機理為擴散效應擴散效應。一般假定顆粒對流體。一般假定顆粒對流體是不能滲透的，微孔內(nèi)流體的對流流動也是可以是不能滲透的，微孔內(nèi)流體的對流流動也

57、是可以忽略的。這個假設(shè)對很多固定化酶是正確的。忽略的。這個假設(shè)對很多固定化酶是正確的。擴散效可用費克定律描述。有效擴散系數(shù)為擴散效可用費克定律描述。有效擴散系數(shù)為一常數(shù)。一常數(shù)。DeDe不依位置的不同而變化不依位置的不同而變化。顆粒是均勻的，不僅其活性分布均勻，載體顆粒是均勻的，不僅其活性分布均勻，載體也是均勻的。也是均勻的。底物分配系數(shù)是底物分配系數(shù)是1 1。對大部分底物和固定化酶，該。對大部分底物和固定化酶，該假設(shè)也是正確的。假設(shè)也是正確的。固定化酶顆粒處于穩(wěn)態(tài)之下，即催化活性無變化固定化酶顆粒處于穩(wěn)態(tài)之下，即催化活性無變化底物和產(chǎn)物的濃度僅沿底物和產(chǎn)物的濃度僅沿r r方向而變化。方向而變

58、化。rrrrdrdCDrdrdCDsrserrse2224)4()4( 流入系統(tǒng)的質(zhì)量流入系統(tǒng)的質(zhì)量 一一 離開系統(tǒng)的質(zhì)量離開系統(tǒng)的質(zhì)量+系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的質(zhì)量系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的質(zhì)量 一一 系統(tǒng)內(nèi)消耗的質(zhì)量系統(tǒng)內(nèi)消耗的質(zhì)量=系統(tǒng)內(nèi)累積的質(zhì)量系統(tǒng)內(nèi)累積的質(zhì)量 根據(jù)微分定義得：根據(jù)微分定義得：要得到具體結(jié)果，上述方程的解法與動力學要得到具體結(jié)果，上述方程的解法與動力學r rs s的形式有關(guān)。的形式有關(guān)。（2 2）一級動力學的濃度分布）一級動力學的濃度分布。引入引入 ， ，令，令則該方程式變?yōu)閯t該方程式變?yōu)?ssserdrdCrdrCdD)2(22Rrr 0CCCsSeDkR113ssCkr1sssCrdCdr

59、rdCd21229)2(邊界條件：邊界條件： 處，處， ， 處，處， 。求濃度分布為該方程通解：求濃度分布為該方程通解：根據(jù)邊界條件求出根據(jù)邊界條件求出積分常數(shù)積分常數(shù) C C1 1和和C C2 2。 1r1SC0r0rdCds)3sinh()3cosh(11211rCrCrCsC1=0 )3sinh(112C)3sinh()3sinh(11rrCs雙曲正弦函數(shù)雙曲正弦函數(shù) 2)sinh(xxeex右圖表示了不右圖表示了不同同值時值時 的的關(guān)系曲線，即濃關(guān)系曲線，即濃度分布圖。度分布圖。對對MM反應，反應，當當Cs0 )對對MM反應，當反應，當CsKm時，可做零時，可做零級反應處理，此時級反應

60、處理，此時k0=rmax。對零級反應動力學，反應速率與底物濃對零級反應動力學，反應速率與底物濃度高低無關(guān)，僅與度高低無關(guān)，僅與k0有關(guān)。有關(guān)。 sessDkdrdCrdrCd022)2(如果由于內(nèi)擴散阻力較大如果由于內(nèi)擴散阻力較大,造成了固定化造成了固定化酶顆粒內(nèi)部在球心酶顆粒內(nèi)部在球心O到某一位置到某一位置Rc處之間處之間無底物存在，即無底物存在，即Cs=0，這對固定化酶催，這對固定化酶催化能力產(chǎn)生影響?；芰Ξa(chǎn)生影響。解方程得到解方程得到 邊界條件：邊界條件： 處，處，Cs=Cs0， 處，處， rCCrDkCes212061Rr 0r0drdCs方程的解方程的解當當Cs0時才是正確的。時才