《生化反应器原理》第三章 固定化酶、细胞的反应动力学——外扩散的限制效应

第三章固定化酶、细胞的反应动力学 固定化技术将酶或细胞通过物理的或化学的 方法使之成为在一定空间内运动受到完全的或 局部的约束的技术。 >固定化技术的应用特点 使得酶或细胞得到重复利用 减轻了产品分离的负担 操作稳定性好 便于实现生产的连续化

第三章 固定化酶、细胞的反应动力学 ➢ 固定化技术 将酶或细胞通过物理的或化学的 方法使之成为在一定空间内运动受到完全的或 局部的约束的技术。 ➢固定化技术的应用特点 ✓ 使得酶或细胞得到重复利用 ✓ 减轻了产品分离的负担 ✓ 操作稳定性好 ✓ 便于实现生产的连续化

>固定化酶、细胞的方法 物理吸附法 载体结合法{共价结合法 离子结合法 交联法 网格型包埋 包埋法 微囊型

➢固定化酶、细胞的方法 物理吸附法 载体结合法 共价结合法 离子结合法 交联法 网格型包埋 包埋法 微囊型

固定化对动力学的影响 活性多数情况下为活性降低,也有不变活升 高的 稳定性热稳定性提高 影响固定化酶、细胞动力学的因素 构象效应 空间效应 屏蔽效应(位阻效应) 分配效应 扩散效应

➢ 固定化对动力学的影响 ✓ 活性 多数情况下为活性降低，也有不变活升 高的 ✓ 稳定性 热稳定性提高 ➢ 影响固定化酶、细胞动力学的因素 构象效应 空间效应 屏蔽效应（位阻效应） 分配效应 扩散效应

离子结合 共价结合 交联 微胶囊 包埋

载体 底物 溶中的 固定化酶 游离酶 结构改变 形成屏蔽

微环境 6E观环境

反 流 微孔 流 体 主 粒 体 外 照体我颗粒内部 面 Cs 底物浓度Cs C 产物浓度C R R 离颗粒中心的距离r

3.1外扩散的限制效应 为了集中研究外扩散限制的效应,选择液体 不能渗透的且无电活性的载体为研究模型 固定化酶、细胞与液相反应物系相接触的反 应过程为 第一步:底物由液相主体扩散到载体的外表面 第二步:底物在载体的外表面进行反应 第三步:产物由外表面扩散到液相主体 第一、三步为传质过程 第二步为反应过程

3.1 外扩散的限制效应 为了集中研究外扩散限制的效应，选择液体 不能渗透的且无电活性的载体为研究模型 固定化酶、细胞与液相反应物系相接触的反 应过程为 第一步：底物由液相主体扩散到载体的外表面 第二步：底物在载体的外表面进行反应 第三步：产物由外表面扩散到液相主体 第一、三步为传质过程 第二步为反应过程

3.1.1外扩散对反应速率的限制 以酶促反应为例,在载体外表面的酶促反应 符合MM方程 maX S Si csi 式中Vs载体外表面的底物消耗速率 (moL·s) Cs载体外表面的底物浓度(molL)

3.1.1 外扩散对反应速率的限制 以酶促反应为例，在载体外表面的酶促反应 符合M-M方程 式中 VS i——载体外表面的底物消耗速率， （mol/L· s） CS i——载体外表面的底物浓度（mol/L） m S i S i S i K C V C V + = max

底物由液相主体扩散到载体表面的扩散速率 La e so 式中Vsa—底物由液相主体扩散到载体表面 的扩散速率,(mo/L·s) k液膜的传质系数,(m/s) a单位体积的反应物系具有的传质面 积,(m2/m3=1/m) ka体积传质系数,ka=ka,(1/) s0液相主体的底物浓度,(mol/L

底物由液相主体扩散到载体表面的扩散速率 式中 VS d——底物由液相主体扩散到载体表面 的扩散速率，（mol/L· s） kL——液膜的传质系数，（m/s） a——单位体积的反应物系具有的传质面 积，（m2 /m3=1/m） kLa——体积传质系数， kLa= kL · a，（1/s) CS 0——液相主体的底物浓度，（mol/L） ( ) Sd La CS 0 CSi V = k −