第5章 動(dòng)力學(xué)相關(guān)問(wèn)題三(固定化動(dòng)力學(xué))

第5章

動(dòng)力學(xué)相關(guān)問(wèn)題（三）固定化動(dòng)力學(xué)第一節(jié)固定化生物催化劑概論

酶固定化的意義酶固定化的方法影響固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的因素

均相酶反應(yīng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)酶隨產(chǎn)物排出，無(wú)法重復(fù)使用；增加產(chǎn)物純化難度；不穩(wěn)定，易變性失活

一、什么是固定化酶？通過(guò)物理或化學(xué)的方法使溶液酶結(jié)合在不溶于水的載體上，或被限制在有限空間內(nèi)，能與反應(yīng)液分離，保留在反應(yīng)器內(nèi)或能夠被回收并反復(fù)利用，不溶于水但仍具有酶活力的酶固定化酶的優(yōu)點(diǎn)容易從反應(yīng)體系中分離可以重復(fù)使用機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性增加便于連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)固定化技術(shù)的發(fā)展固定化酶固定化細(xì)胞1916年Nelson和Griffin發(fā)現(xiàn)酵母蔗糖酶能被骨炭粉末吸附并在吸附狀態(tài)下仍具有催化活性，后來(lái)科學(xué)家開(kāi)始了固定化酶的研究工作。首例工業(yè)化應(yīng)用固定化酶是1969年由Chibata及其同事在日本TanakeSciyaku公司實(shí)現(xiàn)的，他們將米曲酶（Aspergillusoryzae）的氨基?；腹潭ê笥糜诓鸱趾铣傻耐庀鼶L-氨基酸，得到相應(yīng)的旋光性的對(duì)映體。

二酶的固定化方法1.酶的固定化（immobilizationofenzyme)把原來(lái)游離的水溶性酶，設(shè)法限制或固定于某局部的空間或固體載體上。優(yōu)點(diǎn)：不溶于水，易于與產(chǎn)物分離；可反復(fù)使用；可連續(xù)化生產(chǎn)；穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)： 固定化過(guò)程中往往會(huì)引起酶的失活。固定化方法1.載體結(jié)合法物理吸附法共價(jià)鍵法離子鍵法1）物理吸附法活性炭、硅膠、硅藻土、陶瓷。酶活收率高結(jié)合力弱，易脫落簡(jiǎn)便易行操作流程：將酶溶液溶解于緩沖液中，加入載體，振蕩或者攪拌一定時(shí)間后，抽濾、洗滌、冷凍干燥，得到固定化酶。2）共價(jià)鍵法利用氨基、羥基、胍基、咪唑基等反應(yīng)活性高的未結(jié)合基團(tuán)。易失活、酶活收率低結(jié)合牢固3）離子鍵法離子靜電引力離子交換樹(shù)脂操作簡(jiǎn)單酶活收率高結(jié)合力弱，易脫離2.交聯(lián)法酶與具有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的試劑反應(yīng)戊二醛特點(diǎn)不需要載體反應(yīng)劇烈，酶活收率低結(jié)合牢固3.包埋法將酶包埋在凝膠的微小格子或微膠囊等有限空間內(nèi)聚丙烯酰胺凝膠、海藻酸鈣、瓊脂。特點(diǎn)包埋法只適合于底物和產(chǎn)物均為小分子物質(zhì)的酶的固定化酶活收率高制備成本高固定化方法比較固定化酶的應(yīng)用固定化酶的性質(zhì)：游離的酶固定化后會(huì)引起的酶性質(zhì)的改變

一般認(rèn)為其原因可能有下列幾種：分子構(gòu)象的改變和屏蔽效應(yīng)微環(huán)境的影響(溫度、pH….)

底物在載體和溶液間存在著分配效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng)1.酶構(gòu)象改變和位阻效應(yīng)2.分配效應(yīng)分配系數(shù)K=Csg/Csi3.擴(kuò)散效應(yīng)外擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散研究方法建立包括傳質(zhì)速率和酶的催化反應(yīng)速率在內(nèi)的反應(yīng)速率方程外擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散內(nèi)外擴(kuò)散同時(shí)存在第二節(jié)

外擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)速率的限制效應(yīng)一、外擴(kuò)散傳質(zhì)速率研究對(duì)象的簡(jiǎn)化理論模型Fick定律二、宏觀反應(yīng)速率的求解外表面擴(kuò)散速率（Fick定律）外表面反應(yīng)速率動(dòng)力學(xué)控制外擴(kuò)散控制求取過(guò)程若則：引入無(wú)量綱：定義：Damkohler（丹克萊爾）準(zhǔn)數(shù)（a）丹克萊爾準(zhǔn)數(shù)的物理意義物理意義：Da>>1

擴(kuò)散速率大大小于反應(yīng)速率，過(guò)程為外擴(kuò)散速率控制有csi≈0；Da<<1

反應(yīng)速率大大小于擴(kuò)散速率，過(guò)程為反應(yīng)速率控制有csi＝cs0;三、外擴(kuò)散有效因子當(dāng)ηE＜1，表示擴(kuò)散阻力在一定程度上限制了反應(yīng)本征速率；當(dāng)ηE＜＜1，表示擴(kuò)散阻力在完全控制了反應(yīng)本征速率；即外擴(kuò)散控制ηE與Da的關(guān)系令由定義可得：（b）ηE與Da的關(guān)系當(dāng)Da>>1，外擴(kuò)散控制，（b）由（a）（b)可得：當(dāng)Da<<1，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，表觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)有擴(kuò)散限制的表觀反應(yīng)速率為：Hornby等Schuler等Kobayashi等上式看出：Km*包含了本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)rmax和Km和傳質(zhì)系數(shù)KLa，并且存在Km*＞Km的關(guān)系。消除外擴(kuò)散影響有擴(kuò)散限制的表觀反應(yīng)速率為：KL的計(jì)算比較困難，常用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式來(lái)確定：如(Ranz-Marshall)：若要減少外擴(kuò)散阻力，主要途徑是提高流體流速，進(jìn)而提高傳質(zhì)系數(shù)KL,以增加外擴(kuò)散傳質(zhì)速率和顆粒外表面的底物濃度。第三節(jié)

擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)速率的

限制效應(yīng)內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程的特點(diǎn)一、載體的結(jié)構(gòu)參數(shù)外表面積AP、比表面積Sp平均微孔直徑r顆粒體積VP、孔隙體積Vg孔隙率微孔內(nèi)的擴(kuò)散機(jī)理流體擴(kuò)散時(shí)，其在微孔內(nèi)收到的擴(kuò)散阻力來(lái)自于兩方面：1.來(lái)自于分子間的擴(kuò)散（Fick定律）2.另一種來(lái)自于分子與孔壁間的碰撞，稱為努森（Knudson）擴(kuò)散對(duì)液體主要為分子擴(kuò)散：有效擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)曲節(jié)因子（微孔內(nèi)實(shí)際距離與最短距離之比）顆?？紫堵饰蛔枰蜃樱ㄎ⒖變?nèi)最大與最小截面積之比）分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程微孔直徑微孔內(nèi)的擴(kuò)散有效擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)曲節(jié)因子表示內(nèi)部的微孔是曲折的顆?？紫堵饰蛔枰蜃颖硎疚⒖椎慕孛娣e是變化的對(duì)固定化酶凝膠，De/D≈0.5－0.8；對(duì)微膠囊固定化酶，由于膠囊內(nèi)為液相，則：De＝D;對(duì)于固定化細(xì)胞，De＝f（φc，Dc）De0De值可通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行確定，提高De值的主要方法是增加顆?？紫堵屎臀⒖装霃?。二、微孔內(nèi)的濃度分布

（球狀固定化酶）簡(jiǎn)化假設(shè)載體和酶均勻分布等溫、等De不考慮酶的失活擴(kuò)散傳質(zhì)濃度是半徑的函數(shù)S流入速率－S流出速率＝S消耗速率

邊界條件：r＝R，cs=csir=0,dcs/dr=01.M-M方程引入：無(wú)解析解，只有數(shù)值解邊界條件：同一處，隨著φ值增加，底物濃度在減少；當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，為最低值。（c）（c）內(nèi)擴(kuò)散有效因子球形固定化酶

梯勒（Thiele）模數(shù)Φ定義式物理意義:φ值的大小反映了以固定化顆粒外表面濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率與其內(nèi)擴(kuò)散速率的相對(duì)大小。Φ值越大，表示內(nèi)擴(kuò)散相對(duì)于反應(yīng)速率慢，內(nèi)擴(kuò)散阻力和對(duì)反應(yīng)速率的限制程度越大，有效因子η越?。环粗?，φ越小，內(nèi)擴(kuò)散阻力對(duì)反應(yīng)速率的限制程度越小，有效因子η則越大。（c）影響內(nèi)擴(kuò)散大小的因素顆粒粒度當(dāng)固定化顆粒粒度增大，則φ值增加，η值下降；反之，η值增加，φ值下降。這表明：減少固定化顆粒尺寸有助于改善顆粒內(nèi)的擴(kuò)散狀況。對(duì)大型工業(yè)反應(yīng)器，采用小顆粒的固定化催化劑，雖能減少內(nèi)擴(kuò)散阻力，但會(huì)導(dǎo)致流體通過(guò)床層的壓力降增大，會(huì)帶來(lái)不利影響。實(shí)際生產(chǎn)中，允許存在一定程度的內(nèi)擴(kuò)散限制。顆?；钚援?dāng)單位體積固定化顆粒負(fù)載的生物催化劑活性很高時(shí)，表示底物的反應(yīng)速率會(huì)很大，此時(shí)擴(kuò)散速率的限制效應(yīng)會(huì)明顯增大。實(shí)際生產(chǎn)中，允許存在一定程度的內(nèi)擴(kuò)散限制。影響內(nèi)擴(kuò)散大小的因素顆?？紫堵屎涂讖揭蛭⒖變?nèi)的擴(kuò)散系數(shù)De與顆粒的孔隙率和孔徑均成正比，因此，孔隙率較高或微孔孔徑較大的固定化生物催化劑進(jìn)行催化時(shí)，φ值減小，η值增大。反應(yīng)溫度當(dāng)提高反應(yīng)溫度，反應(yīng)速率和擴(kuò)散速率均有所提高。但由于反應(yīng)活化能遠(yuǎn)高于擴(kuò)散活化能，將導(dǎo)致反應(yīng)速率增加較快，擴(kuò)散速率增加較慢，致使內(nèi)擴(kuò)散速率對(duì)反應(yīng)速率的限制程度增加，φ值增大，η值減少。但對(duì)生物反應(yīng)，反應(yīng)溫度一般不高，這種限制效應(yīng)不明顯。表觀梯勒（Thiele）模數(shù)Φ（Weisz’s模數(shù)）定義式RS為存在內(nèi)擴(kuò)散實(shí)測(cè)的表觀反應(yīng)速率；CSi為顆粒外表面濃度，無(wú)外擴(kuò)散時(shí)Csi=CS0對(duì)M-M反應(yīng)：球形顆粒為例：表觀梯勒（Thiele）模數(shù)Φ（Weisz’s模數(shù)）對(duì)于值，存在以下規(guī)律：當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散影響明顯Weisz’s判據(jù)第四節(jié)內(nèi)外擴(kuò)散同時(shí)存在時(shí)的限制效應(yīng)當(dāng)兩種阻力同時(shí)存在并同時(shí)影響反應(yīng)過(guò)程的速率，為例描述擴(kuò)散因素對(duì)反應(yīng)過(guò)程的總體影響，提出了總有效因子，也稱綜合有效因子?？傆行б蜃拥耐茖?dǎo)傳質(zhì)速率＝以外表面底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率以外表面底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率＝以主體溶液底物濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率當(dāng)無(wú)內(nèi)擴(kuò)散影響時(shí)：當(dāng)無(wú)外擴(kuò)散影響時(shí)：（d）引入Biot準(zhǔn)數(shù)當(dāng)Bi∞外擴(kuò)散阻力忽略當(dāng)Bi0內(nèi)擴(kuò)散阻力忽略（d）倒數(shù)形式：第五節(jié)

擴(kuò)散影響下的表觀動(dòng)力學(xué)特性一、對(duì)反應(yīng)速率與濃度關(guān)系的影響二、對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)的影響任意n級(jí)反應(yīng)