bài tập enzyme về các bể phản ứng

SLIDE1: XÂY DỰNG CÔNG THỨC S0 S0  S KM t  ln  b PHẢN ỨNG GIÁN ĐOẠN: v max S v max Ta có: tốc độ phản ứng = tốc độ chất chuyển hóa: 𝑣=− 𝑑𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 = 𝑑𝑡 𝑘𝑚 + 𝑆 ↔ −(𝑘𝑚 + 𝑆)𝑑𝑆 = (𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆)𝑑𝑡 ↔ −𝑑𝑡 = 𝑘𝑚 + 𝑆 ∗ 𝑑𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 Lấy tích phân để xác định lượng S biến đổi đơn vị thời gian: ↔ − ∫ 𝑑𝑡 = ∫ ↔ − ∫ 𝑑𝑡 = ∫ 𝑘𝑚𝑎𝑥 𝑆0 𝑆0 − 𝑆 ∗ 𝑙𝑛 + 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 τ PHẢN ỨNG LIÊN TỤC: Ta có phương trình cân bằng: 𝑘𝑚 𝑑𝑆 𝑑𝑆 ∗ +∫ 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑚 𝑆0 𝑆 ∗ 𝑙𝑛𝑆|𝑆0 + | 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑆 𝑡 ↔ −𝑡|𝑡0𝑏 = ↔ 𝑡𝑏 = 𝑘𝑚 + 𝑆 ∗ 𝑑𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 V K S  (Sin - S) M F v max S 𝐹 ∗ 𝑆𝑖𝑛 − 𝐹 ∗ 𝑆 − 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 ∗𝑉 =0 𝑘𝑚 + 𝑆 ↔ 𝐹 ∗ (𝑆𝑖𝑛 − 𝑆) = ↔𝐷= 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 ∗𝑉 𝑘𝑚 + 𝑆 𝐹 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 = ∗ 𝑉 𝑘𝑚 + 𝑆 (𝑆𝑖𝑛 − 𝑆) Nghịch đảo ta được: 𝜏= Trương Minh Tâm - 2008190441 𝑉 𝑘𝑚 + 𝑆 = ∗ (𝑆𝑖𝑛 − 𝑆) 𝐹 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 PHẢN ỨNG LIÊN TỤC DANG CHẢY TẦNG: Ta có phương trình cân sau: 𝐹 ∗ 𝑆𝑧 − 𝐹 ∗ 𝑆𝑧+∆𝑧 − 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑧 = 𝑘𝑚 + 𝑆 ↔ 𝐹 ∗ |𝑆𝑧+∆𝑧 − 𝑆𝑧 | − 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑧 = 𝑘𝑚 + 𝑆 ↔ 𝐹|𝑆𝑧+∆𝑧 − 𝑆𝑧 |) 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 =− 𝐴 ∗ ∆𝑧 𝑘𝑚 + 𝑆 ↔ 𝑢 ∗ |𝑆𝑧+∆𝑧 − 𝑆𝑧 | 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 =− ∆𝑧 𝑘𝑚 + 𝑆 |Sz+∆z − Sz | vmax ∗ S ↔ u ∗ lim ( )=− ∆z→0 ∆z km + S ↔u∗ ↔ 𝑢 ↔∫ ↔∫ 𝑑𝑧 𝑘𝑚 + 𝑆 =− 𝑢 ∗ 𝑑𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 𝑑𝑧 ↔ 𝑑𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 =− 𝑑𝑧 𝑘𝑚 + 𝑆 𝑘 +𝑆 = −𝑣 𝑚 𝑚𝑎𝑥 ∗𝑆 ∗ 𝑑𝑆 𝑑𝑧 𝑘𝑚 + 𝑆 = −∫ ∗ 𝑑𝑆 𝑢 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 𝑑𝑧 𝑘𝑚 𝑆 = −∫ ∗ 𝑑𝑆 − ∫ ∗ 𝑑𝑆 𝑢 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 ↔∫ 𝑑𝑧 𝑘𝑚 𝑆 = −∫ ∗ 𝑑𝑆 − ∫ ∗ 𝑑𝑆 𝑢 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑆 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 ↔ ↔ 𝑘𝑚 ∗ 𝑧|𝑖𝑓 = − ∗ 𝑙𝑛𝑆|𝑖𝑓 − ∗ 𝑆|𝑖𝑓 𝑢 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑧𝑖 −𝑧𝑓 𝑢 ↔ 𝑧𝑓 − 𝑧𝑖 = 𝑢 ∗ ( Trương Minh Tâm - 2008190441 𝑘𝑚 = −𝑣 𝑚𝑎𝑥 𝑆 ∗ 𝑙𝑛 𝑆 𝑖 − 𝑓 𝑆𝑖 −𝑆𝑓 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑚 𝑆𝑖 𝑆𝑖 − 𝑆𝑓 ∗ 𝑙𝑛 + ) 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑆𝑓 𝑣𝑚𝑎𝑥 ↔𝐿 =𝑢∗( 𝑘𝑚 𝑆𝑖 𝑆𝑖 − 𝑆𝑓 ∗ 𝑙𝑛 + ) 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑆𝑓 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑉 𝑉 𝐴 𝐿 𝜏= = = 𝐹 𝐹 𝑢 𝐴 ↔𝜏=( 𝑆𝑖 − 𝑆𝑓 𝑘𝑚 𝑆𝑖 ∗ 𝑙𝑛 ) + 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑆𝑓 𝑣𝑚𝑎𝑥 SLIDE 2: PHẢN ỨNG GIÁN ĐOẠN Bài tập 9: Một phản ứng xúc tác Enzyme có vmax= 10mM.h-1 , KM =9.9 mM Phản ứng thực hiện theo phương pháp gián đoạn với nồng độ chất ban đầu 11mM Xác định thời gian để chuyển hóa 30, 60, 90% chất Giải S(30%) = 0,7*So = 7,7*10-3 M S(60%) = 0,4 *So = 4,4*10-3 M S(90%) = 0,1*So = 1,1*10-3 M tb  S S S KM ln  v max S v max t(30%) = 0,683 h t(40%) = 1,567 h t(90%) = 3,270 h SLIDE 3: PHẢN ỨNG GIÁN ĐOẠN Bài tập 10: Một phản ứng xúc tác enzyme có vmax = mM.h-1, KM = 8,9 mM Nồng độ chất ban đầu 12 mM Vẽ đồ thị biểu diễn mức độ chuyển hóa chất theo thời gian, giả thiết phản ứng thực hiện theo phương pháp gián đoạn Giải Trương Minh Tâm - 2008190441 SLIDE 4: PHẢN ỨNG GIÁN ĐOẠN Bài tập 11: Glucose isomerase xúc tác phản ứng: glucose ↔ fructose Phản ứng thực hiện gián đoạn với KM = 0,18 g/l, vmax = 6,48 g/l.h Thể tích bể phản ứng 10 m3, nồng độ glucose ban đầu 50 g/l a Tính thời gian để 95% chất bể phản ứng chuyển hóa b Vẽ đồ thị sự thay đổi nồng độ chất bể phản ứng theo thời gian nồng độ chất lớn (khi S ≥ 10 KM xem S>> KM) S S S KM ln  a t b  v max S v max b Trương Minh Tâm - 2008190441 Giải SLIDE 5: PHẢN ỨNG LIÊN TỤC Bài tập 12: Một phản ứng m3 xúc tác enzyme có vmax = mM.h-1, KM = 8,9 mM Q trình chuyển hóa thực hiện liên tục với chất đầu vào có nồng độ 12 mM a Xác định lưu lượng dòng chất để hiệu suất chuyển hóa 90% b Tính thời gian cần thiết chuyển hóa 90% S theo phản ứng gián đoạn? c So sánh công suất với phương pháp gián đoạn theo thể tích bể phản ứng theo thời gian Giải a S(90%) = 0,1*12*10-3= 1,2*10-3 M 𝐹 ∗ (𝑆𝑖𝑛 − 𝑆) = Ta có : ↔ 𝐹 ∗ (12 ∗ 10 −3 F=0,099 m3/h b tb  𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗𝑆 𝑘𝑚 +𝑆 − 1,2 ∗ 10 −3 ) S S S KM ln  v max S v max Trương Minh Tâm - 2008190441 ∗𝑉 ∗ 10−3 ∗ 1,2 ∗ 10−3 = 8,9 ∗ 10−3 + 1,2 ∗ 10−3  t(90%) = 3,477 h c Thời gian theo phản ứng liên tục: t=V/F=1/0,099 =10,101(h) So sánh: thể tích 1m3 t liên tục > t gián đoạn Thể tích phản ứng gián đoạn: V=F*t = 0,099*3,477 = 0,344 m3 SLIDE 6: PHẢN ỨNG LIÊN TỤC DẠNG CHẢY TẦNG Bài tập 13: Enzyme lactase xúc tác phản ứng thủy phân lactose thành glucose galactose, với thông số động học điều kiện thực hiện phản ứng: K M = 1,32 kg/m3, vmax = 45 kg/m3.h Nồng độ lactose vào bể phản ứng hoạt động liên tục dạng chảy tầng 9,5 kg/m3 Thể tích bể phản ứng 0,5 m3 Yêu cầu mức độ chuyển hóa chất 98% a Xác định lưu lượng dòng chất? b Cũng số liệu thực hiện phản ứng liên tục dạng khuấy trộn Tính thể tích bể phản ứng? Giải a S(98%) = 0,02*9,5 = 0,19 kg/m3 tb  K M S0 S0  S ln  v max S v max t(98%) = 0,322 h t = V/F  F = V/t = 0,5/0,322 = 1,553 m3/h 𝐹 b 𝐷 = 𝑉 = 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗𝑆 𝑘𝑚 +𝑆 ∗ (𝑆  𝐷 = 0,608 h-1 𝑖𝑛 −𝑆) V=F/D  V=1,553/0,608 = 2,554 m3 SLIDE 7: Bài tập 14: Một phản ứng sinh hóa thực hiện phản ứng liên tục dạng chảy tầng hoặc dạng khuấy trộn So sánh thể tích bể phản ứng trường hợp, giả thiết nồng độ enzyme, mức độ chuyển hóa chất dòng đầu ra, lưu lượng dòng vào bể phản ứng Trương Minh Tâm - 2008190441 Giải Giả sử ta có : S = 𝑆𝑖𝑛 *0,1 𝑆𝑖𝑛 = 0,1 kg/m3 Đối với bể phản ứng liên tục dạng khuấy trộn: 𝑉1 = 𝐹 ∗ 𝑘𝑚 + 𝑆 ∗ (𝑆𝑖𝑛 − 𝑆) 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆 𝑉1 = 𝐹 ∗ 𝑘𝑚 + 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 ∗ (𝑆𝑖𝑛 − 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1) 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 Đối với bể phản ứng dạng chảy tầng: 𝑉2 = 𝐹 ∗ 𝑘𝑚 𝑆𝑖𝑛 𝑆𝑖𝑛 − 0,1 ∗ 𝑆𝑖𝑛 ∗ 𝑙𝑛 + 𝑣𝑚𝑎𝑥 0,1 ∗ 𝑆𝑖𝑛 𝑣𝑚𝑎𝑥 Ta có: 𝑘𝑚 + 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 ∗ (𝑆𝑖𝑛 − 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1) 𝑉1 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 = 𝑘 𝑆𝑖𝑛 𝑆 − 0,1 ∗ 𝑆𝑖𝑛 𝑉2 𝐹 ∗ 𝑚 ∗ 𝑙𝑛 + 𝑖𝑛 𝑣𝑚𝑎𝑥 0,1 ∗ 𝑆𝑖𝑛 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝐹∗ 𝑘𝑚 + 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 𝑉1 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 ∗ (0,9 ∗ 𝑆𝑖𝑛 ) = 𝑘𝑚 0,9 ∗ 𝑆𝑖𝑛 𝑉2 ∗ 𝑙𝑛 + 𝑣𝑚𝑎𝑥 0,1 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑚 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 + 𝑉1 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 = 𝑘𝑚 1 𝑉2 ∗ 𝑙𝑛 + 𝑣𝑚𝑎𝑥 0,1 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑚 1 ∗ + 𝑉1 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 𝑘𝑚 1 𝑉2 ∗ 𝑙𝑛 + 𝑣𝑚𝑎𝑥 0,1 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑉1 𝑆𝑖𝑛 ∗ 0,1 = 𝑉2 𝑙𝑛 0,1 V1 V2 Trương Minh Tâm - 2008190441 <  V1 < V2 SLIDE 8: Có thể thay đổi mức độ chuyển hóa bể phản ứng sinh hóa hoạt động liên tục cách thay đổi: A Thể tích bể phản ứng B Nồng độ enzyme C Lưu lượng dòng chất bổ sung D Tốc độ cánh khuấy SLIDE 9: Lựa chọn bể phản ứng phụ thuộc yếu tố Để lựa chọn thiết bị phản ứng enzyme, yếu tố quan trọng cần quan tâm đặc tính phản ứng enzyme – phản ứng thuận nghịch hay khơng, có bị ức chế chất hay thành phần chất khơng, có bị ức chế sản phẩm cuối khơng…, đặc tính sản phẩm, dạng enzyme sử dụng (tự hay cố định), động học phản ứng enzyme tính chất lý-hóa học chất mang (đệm) trường hợp sử dụng cố định Ngoài ra, việc lựa chọn thiết bị phản ứng enzyme phụ thuộc vào suất quy mơ q trình phản ứng enzyme kiểm soát pH, nhiệt độ, nồng độ chất hay sản phẩm Cuối cùng, việc lựa chọn thiết bị cho phản ứng enzyme phụ thuộc vào chi phí thân thiết bị phương thức vận hành chúng SLIDE 10: Lựa chọn bể phản ứng sinh hóa cho phù hợp với trường hợp sau: - Cơ chất chiếm tỷ trọng cao giá thành sản phẩmCSTR, PFR - Ức chế chất BR - Ức chế sản phẩm CSRT, PFR - Chi phí tinh sạch sản phẩm caoBR - Chi phí đầu tư thiết bị cao BR, PFR SLIDE 11: Trương Minh Tâm - 2008190441 SO SÁNH CÁC BỂ PHẢN ỨNG Batch: bể phản ứng gián đoạn  Chi phí vận hành cao  Tạo hàng loạt biến thể PFR (Plug flow reactor): bể phản ứng liên tục  Khó kiểm sốt pH nhiệt độ CSTR (Continuous stirred tank reactor): bể phản ứng liên tục dạng khuấy trộn  Kiểm soát pH, nhiệt độ đơn giản  Nạp thay chất xúc tác đơn giản Trương Minh Tâm - 2008190441 ... chuyển hóa bể phản ứng sinh hóa hoạt động liên tục cách thay đổi: A Thể tích bể phản ứng B Nồng độ enzyme C Lưu lượng dòng chất bổ sung D Tốc độ cánh khuấy SLIDE 9: Lựa chọn bể phản ứng phụ... 2,554 m3 SLIDE 7: Bài tập 14: Một phản ứng sinh hóa thực hiện phản ứng liên tục dạng chảy tầng hoặc dạng khuấy trộn So sánh thể tích bể phản ứng trường hợp, giả thiết nồng độ enzyme, mức độ... Trương Minh Tâm - 2008190441 SO SÁNH CÁC BỂ PHẢN ỨNG Batch: bể phản ứng gián đoạn  Chi phí vận hành cao  Tạo hàng loạt biến thể PFR (Plug flow reactor): bể phản ứng liên tục  Khó kiểm sốt pH