Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Применение реакций, катализируемых ферментами
Кинетика реакций, катализируемых иммобилизованными ферментами

Для проектирования реакторов с иммобилизованными ферментными катализаторами необходимо достаточно хорошо знать кинетические свойства иммобилизованных ферментов. Наблюдаемые каталитические свойства отдельной частицы катализатора на основе иммобилизованного фермента или реактора, в котором ферменты удерживаются полупроницаемой мембраной, определяются взаимосвязанным сочетанием двух процессов — транспорта субстрата и каталитической ферментативной реакции. В этом разделе основное внимание будет уделено изучению взаимосвязи между массопередачей и каталитической реакцией и ее влияния на каталитическую активность отдельной частицы иммобилизованного фермента.

Наше изучение путей взаимодействия массопередачи и химических процессов, определяющего общую активность, инактивацию, и другие параметры иммобилизованного ферментного катализатора, мы начнем со схемы, приведенной на рис. 4.16. На этой схеме изображено поперечное сечение тонкого слоя иммобилизованного фермента, контактирующего с обеих сторон с раствором субстрата. Вдали от катализатора концентрация субстрата и другие параметры, например pH, имеют те же значения, что и во всей реакционной среде. Эти параметры легко определить обычными методами аналитической химии.

Поскольку субстрат трансформируется внутри иммобилизованного фермента и здесь же образуется продукт реакции, между раствором вдали от катализатора и активными центрами иммобилизованного фермента возникают градиенты концентраций. В частности, субстрат должен транспортироваться из раствора к наружной поверхности катализатора. В отсутствие перемешивания этот процесс осуществляется за счет молекулярной диффузии. Обычно скорость транспорта субстрата к поверхности катализатора повышают путем перемешивания или создания потока его раствора. Если активный фермент находится только на поверхности иммобилизованного фермента или если субстрат не может проникнуть внутрь частицы катализатора, то нам следует учитывать только эту внешнюю массопередачу. Часто, однако, фермент равномерно распределен по всему объему проницаемой для субстрата матрицы. В таком случае каталитическая активность большей частью сосредоточена и распределена внутри гранулы катализатора, и субстрат, очевидно, должен диффундировать в гранулу до некоторого активного центра, где и осуществляется реакция. Тот же путь, но в обратном направлении, должны проходить и продукты реакции. В таких случаях необходимо учитывать как внешнюю массопередачу, так и процессы диффузии внутри частицы катализатора.

РИС. 4.16. Схема массопередачи и химических превращений в двустороннем слое иммобилизованного фермента. Указанные в верхней части рисунка явления обусловливают специфические профили изменения концентраций субстрата и продукта реакции, изображенные в средней части рисунка. Эти профили могут быть описаны количественно с помощью параметров, перечисленных в нижней части схемы.

Как показано на рис. 4.16, реакция в слое иммобилизованного фермента протекает со скоростью, определяемой концентрациями внутри этого слоя. В силу упоминавшихся выше градиентов концентрации локальные скорости реакции изменяются в зависимости от положения центра реакции, а общая скорость превращения субстрата представляет собой сумму всех локальных скоростей трансформации субстрата внутри проницаемого катализатора. В стационарном состоянии эта общая скорость равна скорости транспорта субстрата к катализатору. Очевидно, что в общем случае скорость всего процесса зависит как от скорости транспорта, так и от собственной скорости каталитической реакции.

Вывод математических выражений, позволяющих описать эти- взаимосвязанные процессы, и критериев, дающих возможность оценить их относительную важность, явился большим достижением химической технологии. Эти взаимосвязанные процессы, играют очень большую роль в катализируемых иммобилизованными ферментами и иммобилизованными клетками реакциях; в то же время их роль часто не учитывалась как в теоретических исследованиях, так и в разработке путей практического применения иммобилизованных биокатализаторов. Поэтому мы рассмотрим здесь достаточно подробно основные принципы и методы математического моделирования процессов на иммобилизованных ферментах, а также его результаты. Еще более детально эта тема освещена в учебных пособиях по химической технологии и в ряде монографий.