3.固定化生物催化剂反应过程动力学作业参考
生物反应工程重点
⽣物反应⼯程重点⽣物反应⼯程重点1.⽣物反应研究的内容？A. ⽣物反应动⼒学动⼒学——研究⼯业⽣产中⽣物反应速率问题；影响⽣物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果。
本征动⼒学（微观动⼒学）反应器动⼒学（宏观动⼒系学）B. ⽣物反应器传递特性——传质、传热和动量传递设计与放⼤——选型、操作⽅式、计算优化与控制——优化操作与优化设计、反应参数测定与控制2.均相酶促反应动⼒学见打印（均相酶促反应动⼒学）ppt3. 固定化酶催化反应过程动⼒学A.本征动⼒学概念：本征动⼒学：⼜称微观动⼒学，它是指没有传递等⼯程因素影响时，⽣物反应固有的速率。
该速率除反应本⾝的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，⽽与传递因素⽆关。
B.外扩散因⼦、内扩散因⼦见打印（外扩散因⼦、内扩散因⼦）pptC.分⼦扩散、努森扩散分⼦扩散：⽓体在多孔固体中扩散，当固体的孔径较⼤时，分⼦的扩散阻⼒主要是由于分⼦间的碰撞所致，这种扩散就是通常所说的分⼦扩散或容积扩散。
努森扩散：⽓体在多孔固体中扩散时，如果孔径⼩于⽓体分⼦的平均⾃由程（约0.1um），则⽓体分⼦对孔壁的碰撞，较之⽓体分⼦间的碰撞要频繁得多，这种扩散，称为Knudsen扩散。
D.曲节因⼦没找到4.细胞反应动⼒学A.细胞的⽣长曲线见书86页B.各种⽐速率见书81页C.细胞⽣长速率及各种⽐速率Monod⽅程与⽶⽒⽅程的区别是什么？答：monod⽅程与⽶⽒⽅程的区别如下表所⽰。
Monod⽅程：⽶⽒⽅程：描述微⽣物⽣长描述酶促反应经验⽅程理论推导的机理⽅程⽅程中各项含义：µ：⽣长⽐速(h-1)µmax：最⼤⽣长⽐速(h-1)S: 单⼀限制性底物浓度(mol/L)K S:半饱和常数(mol/L)⽅程中各项含义：r：反应速率(mol/L.h)r max：最⼤反应速率(mol/L.h)S：底物浓度(mol/L)K m：⽶⽒常数(mol/L)适⽤于单⼀限制性底物、不存在抑制的情况适⽤于单底物酶促反应不存在抑制的情况D.得率系数菌体得率常数：F.呼吸商呼吸商：G.产物⽣成与细胞⽣长的相关模型相关模型：产物的⽣成与细胞的⽣长相关，产物是细胞能量代谢的结果，产物的⽣成和细胞⽣长同步。
生物反应工程原理第三版课后答案(贾士儒)
简答题1、说明动物细胞培养反应器中流体剪切力的主要来源？P210主要来源为：机械剪切力、气体搅拌剪切力2、说明固定化酶反应的Φ模数的物理意义，它与那些变量与参数有关？ P103Φ = 表面浓度下的反应速率 / 内扩散速率= 最大反应速率的特征值 / 最大内扩散速率的特征值 一级反应：e1V P P1D k S V =Φ Φ1 = Φ1 (V P ，S P ，k V1，D e ) Φ与内扩散速率、反应速率、内扩散阻力、对反应速率的限制程度、有效因子η等有关，而内扩散的有效因子又和颗粒粒度、颗粒活性、孔隙率、孔径、反应温度等有关3、哪些传递过程特性与流体流动的微观效应有关？P223，P298 7-30，PPT P1图4、从反应器内物料混合的角度说明反应器放大过程中传递过程特性的变化？ P235有流体流变特性、流体剪切作用、传质特性、氧的传递、质量传递5、说明生物反应器中对流体剪切力的估计参数有哪些？P210通过混合，可使反应器中物料组成与温度、pH 分布更趋于均匀，可强化反应体系的传质与传热，使细胞或颗粒保持悬浮状态(1) 宏观混合：机械搅拌反应物流发生设备尺寸环流，物料在设备尺度上得到混合，对连续流动反应器即为返混(2) 微观混合：物料微团尺度上的混合，反映了反应器内物料的聚集状态6、生物反应器操作选择补料分批培养的理由有哪些？P131，P177(1) 积分剪切因子 I ．SF = ΔμL / Δx = 2πNd / (D -d)(2) 时均切变率 γave(3) 最小湍流漩涡长度λ7、说明临界溶氧浓度的生理学意义？P62，P219补料分批操作的特点是：可调节细胞反应过程环境中营养物质的浓度，一方面可避免某些营养成分的初始浓度过高而出现底物抑制的现象；另一方面又可防止某些限制性营养成分在反应过程中被耗尽而影响细胞生长及产物形成。
同时还可解除产物的反馈抑制及葡萄糖的分解阻遏效应等。
故在细胞反应过程中，实施流加操作可有效对反应过程加以控制，以提高反应过程的水平。
生化反应工程
生化反应工程1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？答：1）原材料的预处理（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。
2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么?定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。
主要内容：建立生物反应过程动力学和生物反应器的设计，优化和放大。
3. 生化反应工程研究方法.经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。
.在建立生物反应过程数学模型时，常按下述几个步骤进行： （1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究； （3）过程分离原理；4）数学模型的建立。
理想的模型建立通常要考虑的因素1.要明确建立模型的目的2.明确地给出建立模型的假定条件3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定4.模型应尽可能简单。
第1章 酶催化反应动力学1.有高效的催化活性2.有高度的专一性3.酶反应常需要辅因子的参与4.具有温和的反应条件5.酶的催化活性可被调控6.酶易变性与失活酶反应专一性机制：锁钥学说，诱导契合学说，过渡态学说。
什么叫抑制剂？任何能直接作用于酶并降低酶催化反应速率的物质称为酶的抑制剂1.M-M 方程的建立： E + S 11k k - [E 2k −−→E + P （1）快速平衡假设：2[],p ES r k C =11[],E S ES k C C kC -=[],EO E ES C C C =+得2m axE O S SP S SS S k C C rC r K C K C ==++（2）拟稳态假设：11[]2[]0E S ES ES k C C kC k C ---=得2m axEO S SP m Sm S k C C rC r K C K C ==++2. M-M 方程参数的确定：m ax20E rk C =，mK（1）微分法：* L-B 法 ：m axm ax111m SSK r rC r =+* E-H 法：m axss mSr r rK C =- H-W 法：m axm axSm S sC K C r rr=+E-C-B 法：m ax1m sSrK r C =+（2）积分作图法：m ax0m()lnSO S S S C r t C C KC =-+一级反应时，m axmlnSOSC rt K C = 零级反应时，max 0()S S r t C C =-3.有抑制的酶催化反应动力学----由方程推机理，抑制方式（1）竞争性抑制：E + S 11k k - [ES 2k −−→E + PE + I 33k k -−−−→←−−−[EI] 得m ax *SSI Smr C r KC =+，I *m IC 1+)K K mK=（（2）非竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，E + I 33k k -−−−→←−−−[EI]， [ES] + I 4-4k k −−−→←−−−[SEI] , [EI] + S 5-5k k −−→←−− [SEI] 得 *max s m I SSr C r K C =+，I *m ax m ax I C /1+)K r r =（ （3）反竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，[ES] + I 33k k -−−−→←−−−[SEI] 得m axI m IC 1+)K SSI S rC r K C =+（（4）底物抑制：E + S 11k k - [ES2k −−→E + P ，[ES] + S 33k k - [SES]得m axm 1+)SSS s S SIrC r C K C K =+（，,m axS C =4.双底物酶催化反应（了解）：S 1 + S 2 P 1 +P 2(1)随机机制：E + S 1 11k k - [ES 1]， E + S 2 2-2k k −−−→←−−−[ES 2]， [ES 1] +S 2 12k [ES 1S 2], [ES 2] +S 1 21k [ES 1S 2],[ES 1S 2]K−−→E +P 1+P 2 (2)乒乓机制: E + S 1 11k k - [ES 1]−−→ P 1 +E’,E’ + S 2 2-2k k −−−→←−−−[E’2] −−→ E +P 2(3)顺序机制：E + S 1 11k k - [ES 1]，[ES 1] +S 2 2k −−−→←−−−[ES 1S 2]，[ES 1S 2]3k −−→ E +P 1+P 2 5.酶的失活动力学：E adrk k −−→←−−E i()[]d r E O k k E a r d d rC tC k k ek k -+=++， 若为不可逆失活，Kr=0，0dK Ea E tC C e-=,K d =1/t d =ln2/t 1/2，K d 为衰变常数，t 1/2为半衰期第2章 细胞反应过程计量学1. 呼吸商：在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量的比 。
第三章 固定化酶催化反应过程(wfw)
界面内侧的底物浓 度为Csg，界面外侧的 底物浓度为Csi,则分配 系数K为： K=Csg／Csi
Cso—液相主体的浓度， Csi——外扩散造成的界 面外侧浓度。 Csg—由分配效应造成 的微环境的底物浓度。
静电效应的影响表现在对Km值的影响。 通常酶可能被固定在带电荷的酶膜上或载体上。底物 在溶液中也会离子化，这样在固定载体上的电荷和移动 的离子之间，常会发生静电交互作用，产生分配效应。 使底物或产物浓度之间出现不均匀分布。
(生物传感器是由生物活性物质与换能器组成的分析系统, 可以简便、快速地测定各种特异性很强的物质 )
• 固定化葡萄糖氧化酶传感器是其中应用最为广泛的一种, 将葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和一种显色剂一起固定在试 纸上,只要将该试纸浸入被检尿样中几秒钟就可以马上检 测出尿样的葡萄糖是否超标,从而断定该妇女是有血糖、 尿糖还是妊娠。 • 生化分析中最常用的H电极也绝大多数是固定化酶产品:固 定化青霉素酶电极 • 重组海洛因酯酶传感器检测违禁药品 • 用聚丙烯酰胺凝胶包埋细菌电极可快速测定污水中的BOD。
微囊型
特点:固定化酶颗粒一般为直径 是几微米到几百微米的球状体，比 网格型颗粒小得多,有利于底物和 产物扩散;半透膜能阻止蛋白质分 子渗漏和进入，注入体内既可避免 引起免疫过敏反应，也可使酶免遭 蛋白水解酶的降解，具有较大的医 学价值.但反应条件要求高，制备成 本也高。
制备方法:界面沉淀法、界 面聚合法、二级乳化法和脂质 体包埋法等.
根据Boltzman分配定律，分配系数K为
ZFU K exp( ) RT
Z--底物分子所带电荷；F--法拉第常数；U--静电电势。 当载体与底物所带电荷相反时，即Z为正、 U为负 时，K大于1; 当两者带有相同电荷时，则K小于1。
1 酶催化反应动力学作业参考
k k k k 令K k k
S 1 1 S1
r
r
2 2 1 1
max
则r S
K S 1 K S 2 (1 K S 2 ) C S
k ,K k k r C
S2 max
(1 k 2 ) C S
2 2 2 S
CS
（2）B—H 方程（拟稳态法）
问题出在rmax是变化的,不能直接用下式求
rmax t cso cs 0.002 rmax 4.63 108 kmol / m3 s
0.002 12 3600
而只能用
123600
0
rmax dt cso cs 0.002
43200 0
43200
此题很多同学算错
CI 解 : 在非竞争性抑制时, i 50% CI K I rSI 0.5rS 8.91( mol / L min) 在反竞争抑制时, 22 2 rSI 9.84( mol / L min) CI K m Cs (1 ) 0.47 2 2 KI rSI 9.84 i 1 1 44.7% rS 17.81 r Cs max
E+S K1 K -1 [ES] K2 K-2
1
作业
[ES]
K3
2
E+P
，
试分别用（1）快速平衡法（M—M 法）和（2）拟稳态法（B—H 法） ，求 其速率方程式。
（1）M—M 方程（快速平衡法）
r k CES
S 3
2
k C C k CES
1 E S 1
1
k CES k CES
第三章 固定化酶及反应动力学0
共价结合法 是将酶蛋白分子上官能团和载体上的反应基团 通过化学价键形成不可逆的连接的方法。 在温和的条件下能偶联的酶蛋白基团包括有氨基、羧基、半 胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨 酸和苏氨酸的羟基等。 常用的载体包括天然高分子（纤维素、琼脂糖、葡萄糖凝胶 、胶原及其衍生物），合成高分子(聚酰胺、聚丙烯酰胺 、乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物等)和无机支持物（多孔玻璃 、金属氧化物等）。 共价结合法制备的固定化酶，酶和载体的连接键结合牢固， 使用寿命长，但制备过程中酶直接参与化学反应，常常 引起酶蛋白质的结构发生变化，导致酶活力的下降，往 往需要严格控制操作条件才能获得活力较高的固定化酶
01
概
述
固定化酶制备方法
吸附（载体结合）法：物理吸附(活性碳，硅胶等)，离子结合（离子交 换剂和离子交换树脂），共价结合。作用力增强，对酶影响加大。
物理法固定酶的优点在于酶不参加化学反应，整体结构保持不变，酶 的催化活性得到很好保留。但是，由于包埋物或半透膜具有一定的空 间或立体阻碍作用，因此对一些反应不适用。
固定化技术
01
什么是固定化酶？
水溶性酶
概
述
水不溶性载体
固定化技术 水不溶性酶 （固定化酶） 固定化：将酶通过物理或化学方法固定在载体上或限 制在一定空间内。
固定化酶（immobilized enzyme）
亦称固相酶或水不溶酶。是用物理的或化学 的方法使酶装变为在一定的空间内其运动受 到完全约束，或受到局部约束的一种不溶于 水，但仍具有活性的酶。能以固相状态作用 于底物进行催化反应。 水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在水不 溶性凝胶或半透膜的微囊体中制成的。
第三章 固定化酶催化反应过程动力学
反应工程第三章 固定化酶反应过程动力学.
rso
•外扩散控制：酶的催化效率很高，底物的传质速率很慢。
R si k La(Cso - Csi ) kLaCso rd
•介于上述两种情况之间
第三章 固定化酶反应动力学
Rsi总是接近于动力学反应速度和扩散速度两者中比较小的那个。
Rs rso
rd Rsi
主体浓度co
第三章 固定化酶反应动力学
2.0×10-4
第三章 固定化酶反应动力学
3.3.3影响固定化酶促反应的主要因素
1）分子构象的改变
溶液酶
分子构象改变
2）位阻效应
第三章 固定化酶反应动力学
溶液酶
位阻效应
3）分配效应
第三章 固定化酶反应动力学
宏观环境
cS0 cSg
cSi
由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电作用等引起固定化酶 载体内部底物或产物浓度与溶液主体浓度不同的现象称为分 配效应。
E
有外扩散影响时的实际 反应速率 无外扩散影响时的固定 化酶外表面处的反应速
率
R si rso
R si
rmax csi Km csi
rso
rmax cso Km cso
E
cs (1 K) cs K
cs csi / cso
Km
Km cso
Da rmax k Lacso
第三章 固定化酶反应动力学
3.3.2 颗粒内的浓度分布与有效因子
（1）颗粒内的浓度分布
第三章 固定化酶反应动力学
De
(
dcS dr
4r2 )
r r
D
e
(
dcS dr
酶的固定化和固定化酶反应动力学
引聚剂：
过硫酸铵、核黄素
（3）制备的固定化酶
凝胶或膜 聚丙烯酰胺凝胶
淀粉 琼脂
酶 α、β－淀粉酶 葡萄糖氧化酶 乳酸脱氢酶 胆碱酯酶 青霉素酰胺酶
2 微型胶囊法 （1）原理 把酶包在超薄半透性 的聚合物膜中，制成 球状含酶微型胶囊。
（2）特点
微囊直径几微米～几百微米。 低分子底物可以自由通过并进入微囊内。 与酶反应后的生成物被排除在微囊外， 酶本身是高分子物质不能通过微囊而被留在微囊中， 外部的蛋白分解酶、抗体等高分子物质也无法进入微囊内
2 共价交联法
双功能试剂与酶蛋白质中的氨基酸残基作用，使
酶与酶之间交联成网，凝集成固定化酶.
常用的是戊二醛
O O
H — C — CH2 — CH2 — CH2 — C — H
发生作用的氨基酸残基
：
酪氨酸的酚基 胱氨酸的SH巯基 N－末端的a－氨基。
常用的双功能或多功能试剂：
戊二醛 聚甲叉双碘乙酰胺 双重氮联苯胺
包埋方法有两种： •格子型固定化酶
•微型胶囊法
•格子型固定化酶
（1）原理
以丙烯酰胺、硅胶、淀粉琼脂等材料，在酶存 在下聚合成凝胶，酶被包埋在聚合物的细小多孔的 网状格子中。反应为厌氧反应。
（2）方法（以丙烯酰胺为材料是最常用的方法）
丙烯酰 胺
固定化 酶
光照 切 割 聚合反应 凝胶酶块
酶液
N，N－ 双丙烯 酰胺
（3）微型胶囊法优缺点
优点： A 制备条件温和，制得的胶囊不易变化。
B 能很好地保存天然酶的活性和特性。 C 大小可任意调节，制备时间短。
缺点： 单体很活跃。在胶囊化过程中要充分注意防
治酶的失活和变性。
固定化酶的制法及其特性比较
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
解：由题意可得
如果仅外扩散阻力被消除，其速率则为：
RS＝RSii RS 0i 2.72 10 0.46 1.25 104 kg / (s m3生物质)
4
解：根据
VP 2 RS R 2 RS 0.8 103 2 1.25 103 ( ) ( ) ( ) 8.04 11 S P De cSi 3 De cSi 3 1.3 10 0.85
Cs 0.85 1 K m 3.5 106
故为零级动力学
图3.21 固定化酶
R rmax 1 1 ( )2 3 K m De
Bi 外扩散速率 VP kL 内扩散速率 AP De
Da
2 1
Bi
1T 1 (1 1Da )
当无内扩散影响时，1＝， 1 1T 1 (1 Da )； 当无外扩散影响时，Da＝0，1T＝1
4、计算题：p128习题1，3，5, 15
3-1 某酶固定在无微孔的膜状载体上，已知该酶催化反应 的本征参数为rmax=6×10-2mol/(l· s) , Km=3×10-2mol/l该 反应底物在液相主体中的浓度为1×10-2mol/l ，在反应条 件下，流体的传质系数为4×10-1/s。试求： （1） 底物在固定化酶外表面上的反应速率为多少？ （2） 该反应的外扩散有效因子为多少？
并在同样条件下进行反应。 若该反应可按一级不可
逆反应处理，试求此时固定化酶的有效因子是多少？
3-15 黑曲霉能形成平均直径为5mm的团粒。氧在该团 粒中的有效扩散系数为1.75×10-9m2/s。在一固定床 反应器，氧在液相主体浓度为8×10-3kg/m3时，其消 耗速率时8.7×10-5kg/(s· m3生物质)，氧的消耗遵循零 级动力学。液固间传质系数为3.8×10-5m/s 试求： （1） 氧的消耗是否受到外扩散的影响？ （2） 外扩散有效因子是多少？ （3） 如果内外扩散阻力均消除，其速率是多少？ （4）如果仅外扩散阻力被消除，其速率又是多少？
3.3蔗糖酶催化下述反应 C12H22O11+H2O—C6H12O6+C6H12O6 (蔗糖) （葡萄糖）（果糖） 蔗糖酶固定在直径为1.6mm有微孔球形树脂颗粒上，其密度为 0.1μmol酶/g颗粒，蔗糖水溶液在树脂中有效扩散系数为 1.3×10-11m2/s,该反应在一篮式离心反应器内进行，外扩散限 制影响可消除。蔗糖浓度为0.85kg/m3。反应的表观速率为 1.25×10-3kg/(s· m3树脂) ，Km=3.5mg/m3。试求 （1） 内扩散有效因子是多少？ （2） 本征一级反应速率常数为多少？
有外扩散影响时的实际 反应速率 Rsi E 无外扩散影响时的反应 速率 rs 0
RS 颗粒内的实际有效反应速率 ＝ 颗粒内部与外表面浓度相同时的反应速率 Rsi
3、什么是丹克莱尔数（Da）、梯勒模数（φ）、 Biot数.并简述其对外、内扩散总反应速率的影 响。
rmax Da K L a Cs0
M 与 的关系曲线
书上Weisz判据： Φ<0.3时，η＝1
Φ>3时，内扩散影响变得非常明显
Φ>10时，对一级动力学有η1＝1/Φ；对 零级动力学有η0≈2/Φ
查图得0 0.23 Rs 1.25 103 (2)rS0 =K V1CS0 = K V1 6.39 103 CS0 0.23 0.85 Rs
3.固定化生物催化剂反应过程动力学
1、简述影响固定化酶动力学的因素？
(1) 空间效应
构象效应：在固定化过程中，由于存在着酶和载 体的相互作用从而引起酶的活性部位发生某种扭 曲变形，改变了酶活性部位的三维结构，减弱了 酶与底物的结合能力。 位阻效应：载体的存在又可产生屏蔽效应
(2) 分配效应（微环境效应）：当固定化酶处
在反应体系的主体溶液中时，反应体系成为固液非 均相体系。由于固定化酶的亲水性、疏水性及静电 作用等引起固定化酶载体内部底物或产物浓度与溶 液主体浓度不同。
(3) 扩散效应
由于扩散限制效应的存在，底物浓度从液相主体到固定化酶外 表面，再到内表面是依次降低的， 而产物浓度分布则与此相反。
2、外扩散有效因子的定义、内扩散有效因子的定义。
密度主要用于求酶的初始浓度的，求得初始浓度后根据最大 反应速率求得反应速率常数
3-5 在一球形固定化酶颗粒上进行底物的分解反应，
已知在颗粒半径为R1=0.3cm时，已消除了内扩散影
响，并测得其本征动力学参数为
rmax=20μmol/(cm3· s)，Km=5μmol/cm3为了减少反应
器床层压力降，将固定化酶颗粒度增大到R2=3cm，