1、Enzyme Engineering酶工程掌握固定化生物催化劑的概念以及吸附法、包埋法、共掌握固定化生物催化劑的概念以及吸附法、包埋法、共價結合法、無載體固定化酶的基本技術和原理。價結合法、無載體固定化酶的基本技術和原理。重點與難點重點與難點教學目的教學目的 1、固定化酶的NCF和CF的關系及其應用；2、高效、高效固定化酶的原則；3、為什么包埋法在實際工作中廣泛應用？它如何與交、為什么包埋法在實際工作中廣泛應用？它如何與交聯法結合以改善缺點。聯法結合以改善缺點。課堂教學設計課堂教學設計 講授和自學相結合。自行比較總結各種固定化酶方講授和自學相結合。自行比較總結各種固定化酶方法的優缺點。設計包埋

2、法或結合交聯法固定細胞的試驗法的優缺點。設計包埋法或結合交聯法固定細胞的試驗方案。方案。教學時數教學時數 5學時學時思考題思考題固定化酶屬于修飾酶嗎？固定化與酶的化學修飾在方法上有何異同？固定化酶活力、穩定性、專一性等特性發生了哪些改變？為什么？固定化酶的實際反應速率不同于固有速率？原因何在？針對目前的研究現狀，你認為可以從哪些角度來深入固定化酶技術的研究？請說明其理由。試述固定化生物催化劑的應用。比較游離生物催化劑與固定化生物催化劑的應用。設計固定化系統時，如何從載體、酶、方法三方面考慮？除了固定細胞、酶，還可以固定其他嗎？固定化酶活力的測定方法有哪些？簡要敘述每種方法。 生物催化的類型與生

3、物催化的類型與 方式方式n1 類型：n 含酶整細胞：生長細胞、休止細胞、凍 干細胞、處理或修飾細胞。n分離純化酶：細胞萃取液、純酶制劑、處理或修飾酶、多酶系統。n2 方式：游離狀態、固定化n3催化反應相:水溶液、含有機溶劑的水溶液、n水-有機溶劑的雙相系統、有機溶液或水微溶有機溶液第三章第三章 固定化酶固定化酶n第一節第一節 概述概述n第二節第二節 固定化酶的性質及其影響因素固定化酶的性質及其影響因素n第三節第三節 固定化酶的制備固定化酶的制備n第四節第四節 固定化細胞固定化細胞n第五節第五節 固定化輔酶和原生質體固定化輔酶和原生質體n第六節第六節 酶反應器和固定化酶（細胞）酶反應器和固定化酶

4、（細胞）的應用的應用什么是固定化酶？處于閉鎖狀態并能發揮催化作用的酶。水溶性酶水溶性酶水不溶性載體水不溶性載體水不溶性酶水不溶性酶（固定化酶）（固定化酶）固定化技術固定化技術第一節第一節 概述概述二二 固定化酶的優缺點固定化酶的優缺點n 多次使用多次使用 n 可以裝塔連續反應可以裝塔連續反應n優點：優點： 純化簡單純化簡單n 提高產物質量提高產物質量n 應用范圍廣應用范圍廣n缺點：缺點： 首次投入成本高首次投入成本高n 大分子底物較困難大分子底物較困難第一節結束第一節結束n點擊返回第二節第二節 固定化酶的性質及其影響因素固定化酶的性質及其影響因素n一一 影響固定化酶性質的因素影響固定化酶性質的

5、因素n二二 固定化后酶性質的變化固定化后酶性質的變化n三三 評價固定化酶的指標評價固定化酶的指標一一 影響固定化酶性質的因素影響固定化酶性質的因素1 酶本身的變化，主要是由于活性中酶本身的變化，主要是由于活性中心的氨基酸殘基、高級結構和電荷狀態心的氨基酸殘基、高級結構和電荷狀態等發生了變化。等發生了變化。一一 影響固定化酶性質的因素影響固定化酶性質的因素2 載體的影響載體的影響n（1） 分配效應分配效應n（2） 空間障礙效應空間障礙效應n（3） 擴散限制效應擴散限制效應3. 固定化方法的影響固定化方法的影響二二固定化后酶性質的變化固定化后酶性質的變化n1 固定化對酶活性的影響：酶活性下降，固定

6、化對酶活性的影響：酶活性下降，反應速度下降反應速度下降二二 固定化酶的性質固定化酶的性質2 固定化對酶穩定性的影響固定化對酶穩定性的影響n（1） 操作穩定性提高操作穩定性提高n（2） 貯存穩定性比游離酶大多數提高。貯存穩定性比游離酶大多數提高。n (3 ) 對熱穩定性，大多數升高，有些反而降低。對熱穩定性，大多數升高，有些反而降低。n (4 ) 對分解酶的穩定性提高。對分解酶的穩定性提高。n（5） 對變性劑的耐受力升高對變性劑的耐受力升高2 固定化后酶穩定性提高的原因：固定化后酶穩定性提高的原因：na. 固定化后酶分子與載體多點連接。固定化后酶分子與載體多點連接。nb. 酶活力的釋放是緩慢的。

7、酶活力的釋放是緩慢的。nc. 抑制自降解，提高了酶穩定性。抑制自降解，提高了酶穩定性。3 pH的變化的變化nPH對酶活性的影響：對酶活性的影響：n（1） 改變酶的空間構象改變酶的空間構象n（2）影響酶的催化基團的解離）影響酶的催化基團的解離n（3）影響酶的結合基團的解離）影響酶的結合基團的解離n（4）改變底物的解離狀態，酶與底物不能結合或結合后）改變底物的解離狀態，酶與底物不能結合或結合后不能生成產物。不能生成產物。固定化酶固定化酶pH的變化的變化n1） 載體帶負電荷，載體帶負電荷，pH向堿性方向移動向堿性方向移動。 n微環境微環境是指在固定化酶附近的局部環境，而把主體溶是指在固定化酶附近的局

8、部環境，而把主體溶液稱為液稱為宏觀環境。宏觀環境。3固定化酶固定化酶pH的變化的變化n載體帶正電荷，載體帶正電荷，pH向酸性方向移動。向酸性方向移動。n（2）產物性質對）產物性質對pH的影響的影響n催化反應的產物為酸性時，固定化酶的催化反應的產物為酸性時，固定化酶的pH值比游離酶的值比游離酶的pH值高；反之則低值高；反之則低4 最適溫度變化最適溫度變化n一般與游離酶差不多，但有些會有較明顯的變化。一般與游離酶差不多，但有些會有較明顯的變化。n5 底物特異性變化底物特異性變化n作用于低分子底物的酶作用于低分子底物的酶 特異性沒有明顯變化特異性沒有明顯變化n既可作用于低分子底物又可作用于大分子低物

9、的酶既可作用于低分子底物又可作用于大分子低物的酶 特異性往往會變化。特異性往往會變化。6 米氏常數米氏常數Km的變化，的變化，Km值隨載體性質變化值隨載體性質變化由于分配效應：由于分配效應：=Si=Si微環境微環境/S/S宏觀環境宏觀環境 Km=Km/(Km=Km/(表觀米氏常數表觀米氏常數) )n（1 1） 載體與底物帶相同電荷，載體與底物帶相同電荷，SiS,KmSiS,Km固定化酶降低了酶的親和力。固定化酶降低了酶的親和力。n（2 2） 載體與底物電荷相反，靜電作用，載體與底物電荷相反，靜電作用，SiSSiS，則，則1,Km1,KmKm米氏方程推導米氏方程推導n對簡單的固定化酶系統，其動力

10、學性質一般服從米對簡單的固定化酶系統，其動力學性質一般服從米氏方程：氏方程： 三三 評價固定化酶的指標：評價固定化酶的指標：n1 酶活定義（酶活定義（IU)：在特定條件下，每一分鐘催化一個：在特定條件下，每一分鐘催化一個微摩爾底物轉化為產物的酶量定義為微摩爾底物轉化為產物的酶量定義為1個酶活單位。個酶活單位。n 計量單位計量單位n2. 酶比活定義（游離）：每毫克酶蛋白或酶酶比活定義（游離）：每毫克酶蛋白或酶RNA（DNA)所具有的酶活力單位所具有的酶活力單位 品質的體現品質的體現三三 評價固定化酶的指標：評價固定化酶的指標：n1. 固定化酶的比活：固定化酶的比活：每（克）干固定化酶所具有的酶每

11、（克）干固定化酶所具有的酶活力單位。活力單位。n 或：單位面積（或：單位面積（cm2）的酶活力單位表示）的酶活力單位表示（酶膜、酶管、酶板）。（酶膜、酶管、酶板）。n2. 操作半衰期操作半衰期：衡量穩定性的指標。衡量穩定性的指標。 連續測活條件下固定化酶活力下降為最初活力一半所需連續測活條件下固定化酶活力下降為最初活力一半所需要的時間（要的時間（t1/2）三三 評價固定化酶的指標：評價固定化酶的指標：n3. n4. n或稱偶聯效率，活力保留百分數。或稱偶聯效率，活力保留百分數。n5.相對酶活力：相對酶活力：具有相同酶蛋白（或具有相同酶蛋白（或RNA）量的固定化酶活力與）量的固定化酶活力與游離酶

12、活力的比值稱為相對酶活力游離酶活力的比值稱為相對酶活力n 四四 固定化酶的活力測定方法介紹固定化酶的活力測定方法介紹n1. 振蕩測定法：稱取一定量的固定化酶振蕩測定法：稱取一定量的固定化酶 加入一定量的底物溶加入一定量的底物溶液，液， 一邊振蕩或攪拌，一邊進行催化反應一邊振蕩或攪拌，一邊進行催化反應 取出一定量的反取出一定量的反應液進行酶活力測定。應液進行酶活力測定。n2. 酶柱測定法：將一定量的固定化酶裝進具有恒溫裝置的反應柱中酶柱測定法：將一定量的固定化酶裝進具有恒溫裝置的反應柱中 讓底物溶液以一定的流速流過酶柱讓底物溶液以一定的流速流過酶柱 收集流出的反應液收集流出的反應液 測測定其中產

13、物的生成量或底物的消耗量定其中產物的生成量或底物的消耗量 四四 固定化酶的活力測定方法介紹固定化酶的活力測定方法介紹n3. 連續測定法連續測定法n利用連續分光光度法等測定方法可以對固定化酶利用連續分光光度法等測定方法可以對固定化酶反應液進行連續測定，從而測定固定化酶的酶活反應液進行連續測定，從而測定固定化酶的酶活力。力。n 第二節第二節固定化酶的性質及其影響因素提要固定化酶的性質及其影響因素提要n影響固定化酶性質的因素n固定化酶的性質n評價固定化酶的指標 酶本身的變化載體的影響固定化對酶活性的影響固定化對酶穩定性的影響最適pH的變化最適溫度變化底物特異性與游離酶不同米氏常數Km的變化評價指標活

14、力測定方法第二節結束第二節結束n點擊返回第三節第三節 固定化酶的制備固定化酶的制備n一一 一般方法及特點一般方法及特點n二二 酶的固定化方法酶的固定化方法一一 一般方法及特點一般方法及特點關鍵在于選擇適當的固定化方法和必要的載體以及穩定性關鍵在于選擇適當的固定化方法和必要的載體以及穩定性研究、改進。研究、改進。1 四大類方法：四大類方法：n吸附法（包括電吸附法）吸附法（包括電吸附法）n結合法（無機多孔材料）結合法（無機多孔材料）n交聯法（雙功能試劑）交聯法（雙功能試劑） n包埋法（微膠囊法）包埋法（微膠囊法） 各類固定化方法的特點比較各類固定化方法的特點比較: 比較項目比較項目吸附法吸附法結合

15、法結合法 交聯法交聯法包埋法包埋法物理吸附物理吸附.共價鍵結合共價鍵結合離子鍵結合離子鍵結合 制備難易制備難易易易難難易易 較難較難較難較難固定化程度固定化程度弱弱強強中等中等 強強強強活力回收率活力回收率較高較高低低高高 中等中等高高載體再生載體再生可能可能不可能不可能可能可能 不可能不可能不可能不可能費用費用低低高高低低 中等中等低低底物專一性底物專一性不變不變可變可變不變不變 可變可變不變不變適用性適用性酶源多酶源多較廣較廣廣泛廣泛 較廣較廣小分子底物、小分子底物、藥用酶藥用酶2 選擇方法依據：選擇方法依據： n（1） 酶的性質酶的性質n（2） 載體的性質載體的性質n（3） 制備方法的選

16、擇制備方法的選擇3 固定化后酶的考察項目：固定化后酶的考察項目：n（1） 測定固定化酶的活力，以確定固定化測定固定化酶的活力，以確定固定化過過n程的活力回收率。程的活力回收率。n（2） 考察固定化酶穩定性考察固定化酶穩定性n（ 2） 考察固定化酶最適反應條件考察固定化酶最適反應條件二二 酶的固定化方法酶的固定化方法n（一）（一） 吸附法吸附法n（二）結合法（二）結合法n（三）交聯法（三）交聯法n（四）（四） 包埋法（包埋法（entrapping method）酶和細胞固定化示意圖酶和細胞固定化示意圖（一）（一） 吸附法吸附法n1 物理吸附：物理吸附：利用各種固體吸附劑將酶或含酶菌體利用各種固體

17、吸附劑將酶或含酶菌體吸附在其表面上。吸附在其表面上。n（一）（一） 吸附法吸附法n常用載體：常用載體：n無機載體：氧化鋁、活性碳、皂土、硅藻土、金屬氧化無機載體：氧化鋁、活性碳、皂土、硅藻土、金屬氧化物、硅膠。一般吸附量物、硅膠。一般吸附量120.3-615營養要求營養要求簡單簡單簡單簡單復雜復雜光照要求光照要求大多數要光照大多數要光照不要求不要求不要求不要求對剪切力對剪切力敏感敏感大多數不敏感大多數不敏感敏感敏感主要產物主要產物色素、藥物、香色素、藥物、香精、酶等精、酶等醇、有機酸、氨基醇、有機酸、氨基酸、抗生素、核酸、抗生素、核苷酸、酶苷酸、酶疫苗、激素、疫苗、激素、抗體、酶抗體、酶固定化

18、細胞的特點固定化細胞的特點n類型：類型：n生理狀態：生理狀態：n形狀：形狀：n使用周期：理論上講，固定化增殖細胞保持了細胞原有的全部活性，使用周期：理論上講，固定化增殖細胞保持了細胞原有的全部活性， 只要載體不解體，不污染就可以長期使用。只要載體不解體，不污染就可以長期使用。概念：概念：n固定在載體上并在一定的空間范圍內進行生命活動的細固定在載體上并在一定的空間范圍內進行生命活動的細胞稱為固定化細胞胞稱為固定化細胞.該細胞能進行正常的生長、繁殖和新該細胞能進行正常的生長、繁殖和新陳代謝，又稱固定化活細胞或固定化增殖細胞。陳代謝，又稱固定化活細胞或固定化增殖細胞。細胞固定化方法細胞固定化方法n吸

19、附法n包埋法吸附法吸附法n它主要通過載體與細胞間的靜電引力，即細它主要通過載體與細胞間的靜電引力，即細胞表面與載體之間范德華作用力，離子鍵和胞表面與載體之間范德華作用力，離子鍵和氫鍵作用力，才使細胞固定在載體上的。氫鍵作用力，才使細胞固定在載體上的。 影響吸附法的主要因素影響吸附法的主要因素 n（1）Z-電位：電位： Z-電位能近似地代表表面電荷密度的大電位能近似地代表表面電荷密度的大小小n（2）細胞的性質和細胞壁的組成：細胞壁的電荷性質）細胞的性質和細胞壁的組成：細胞壁的電荷性質n（3）載體的性質：特別是玻璃、陶瓷等無機材料）載體的性質：特別是玻璃、陶瓷等無機材料包埋固定法包埋固定法 n包理

20、法是在細胞自身并不與凝膠基體發生化學鍵包理法是在細胞自身并不與凝膠基體發生化學鍵合的情況下將其包埋在半透性聚合物顆粒（或膜）合的情況下將其包埋在半透性聚合物顆粒（或膜）內的一種固定化方法。包埋法的最大優點是能較內的一種固定化方法。包埋法的最大優點是能較好的保持細胞內多酶系統的活力，可象游離細胞好的保持細胞內多酶系統的活力，可象游離細胞那樣進行產物的發酵生產。那樣進行產物的發酵生產。 包埋法分類包埋法分類n常用載體：瓊脂、海藻酸鈣、角叉菜常用載體：瓊脂、海藻酸鈣、角叉菜膠、明膠、聚丙烯酰胺膠、明膠、聚丙烯酰胺n常用凝膠包埋法常用凝膠包埋法通過改變載體溶液參數包埋細胞通過改變載體溶液參數包埋細胞

21、n改變載體溶液、操作溫度、鹽濃度、改變載體溶液、操作溫度、鹽濃度、pH值和值和溶劑等參數時，亦可使其轉變為凝膠狀態，溶劑等參數時，亦可使其轉變為凝膠狀態，將細胞包埋其中。將細胞包埋其中。研究熱點研究熱點光交聯樹脂包埋法光交聯樹脂包埋法 n例：相對分子量為例：相對分子量為1000-3000的光交聯聚氨酯預聚物等，的光交聯聚氨酯預聚物等，加入加入1%左右的光敏劑，加水配成一定濃度，加熱至左右的光敏劑，加水配成一定濃度，加熱至50，然后與一定濃度的細胞懸浮液混合均勻，攤成一定厚度然后與一定濃度的細胞懸浮液混合均勻，攤成一定厚度的薄層，用紫外照射的薄層，用紫外照射3min，就可制得，就可制得第四節固定

22、化細胞提要第四節固定化細胞提要n特點n方法n目的第四節結束第四節結束n點擊返回第五節第五節 固定化原生質體和輔酶固定化原生質體和輔酶n一一 原生質體固定化的方法原生質體固定化的方法n制備原生質體制備原生質體將原生質體重新懸浮在含有滲透壓穩將原生質體重新懸浮在含有滲透壓穩定劑的緩沖液中配成原生質體懸浮液定劑的緩沖液中配成原生質體懸浮液包埋法固定化包埋法固定化原生質體。原生質體。n關鍵：原生質體如何制備？關鍵：原生質體如何制備？二二 原生質體的制備原生質體的制備n將對數生長期的細胞收集將對數生長期的細胞收集懸浮在含有滲透壓穩定劑懸浮在含有滲透壓穩定劑的高滲緩沖液中的高滲緩沖液中去細胞壁去細胞壁分離

23、純化分離純化得到原得到原生質體生質體-活性鑒定活性鑒定三三 酶解注意要點酶解注意要點n1 酶解前要預處理：主要是為了使酶滲透到細胞器中去。酶解前要預處理：主要是為了使酶滲透到細胞器中去。n采取的策略：先加入物質抑制或阻止某種細胞壁的成分采取的策略：先加入物質抑制或阻止某種細胞壁的成分合成，可以使酶插入。合成，可以使酶插入。n一般加入：巰基乙醇，一般加入：巰基乙醇，Triton-100,甘氨酸、青霉素。甘氨酸、青霉素。三三 酶解注意要點酶解注意要點n2 酶系選擇：酶系選擇：n溶菌酶溶菌酶n蝸牛酶蝸牛酶n葡聚糖酶葡聚糖酶n纖維素、半纖維素、和果膠酶纖維素、半纖維素、和果膠酶n3 酶濃度選擇（酶濃度

24、選擇（0.5%-1%）三三 酶解注意要點酶解注意要點n4 酶解溫度和酶解溫度和pHn5 酶解終點確定酶解終點確定四四 穩定劑（高滲溶液）要求穩定劑（高滲溶液）要求n1 加入的化合物對細胞和原生質體無毒性加入的化合物對細胞和原生質體無毒性n2 不會影響水解酶的活性不會影響水解酶的活性n3 對代謝產物無不良影響對代謝產物無不良影響四四 穩定劑加入操作注意點穩定劑加入操作注意點n1一定一定pH （酶和菌體活性最高）（酶和菌體活性最高） n2一定的濃度（過高濃度原生質體易脫水皺縮）一定的濃度（過高濃度原生質體易脫水皺縮）n3種類：無機鹽種類：無機鹽-對細菌對細菌n 有機物糖和糖醇有機物糖和糖醇-酵母酵

25、母n4易于滲入質膜、易于被原生質體和菌體分解的物質易于滲入質膜、易于被原生質體和菌體分解的物質不宜作為穩定劑不宜作為穩定劑五五 原生質體細胞活性的檢測原生質體細胞活性的檢測n1 熒光素雙醋酸鹽（熒光素雙醋酸鹽（FDA) 染色法染色法n2 酚藏花紅染色法酚藏花紅染色法n3 伊文思蘭染色法伊文思蘭染色法四四 輔酶固定化輔酶固定化n1 原因原因n有機輔因子中具有某些特殊的化學基團，參與酶的催化反應有機輔因子中具有某些特殊的化學基團，參與酶的催化反應(遞氫、遞氫、遞電子或遞某些化學基團的作用）遞電子或遞某些化學基團的作用）n有機輔因子在使用過程中要流失，并且不能自行再生有機輔因子在使用過程中要流失，并

26、且不能自行再生n有機輔因子價格昂貴有機輔因子價格昂貴n工業上應用全酶的關鍵是有機輔因子的保留和再生工業上應用全酶的關鍵是有機輔因子的保留和再生輔酶固定化的方法：輔酶固定化的方法：n2 固定化方法與酶相似，一般采用溴化氰法，碳二亞胺法以及重氮固定化方法與酶相似，一般采用溴化氰法，碳二亞胺法以及重氮偶聯法等共價偶聯，或將其進行適當的化學修飾后固定在超濾器中。偶聯法等共價偶聯，或將其進行適當的化學修飾后固定在超濾器中。n3 輔酶固定化必須解決輔酶在多個酶之間傳遞的障礙。輔酶固定化必須解決輔酶在多個酶之間傳遞的障礙。n策略：先在輔酶的一定部位進行修飾策略：先在輔酶的一定部位進行修飾-引入功能團和間隔臂

27、（形成輔引入功能團和間隔臂（形成輔酶衍生物）酶衍生物）- 再與水溶性高分子結合再與水溶性高分子結合輔酶的固定化輔酶的固定化輔酶的固定化輔酶的固定化輔酶再生的形式：輔酶再生的形式：n輔酶和酶共固定輔酶和酶共固定與酶分子偶聯成輔酶與酶分子偶聯成輔酶-酶復合物酶復合物第五節第五節 固定化原生質體和輔酶的固定化固定化原生質體和輔酶的固定化n原生質體n輔酶固定化 方法固定化要點原因方法形式第五節結束第五節結束n點擊返回第六節第六節 酶反應器和固定化酶（細胞）的應用酶反應器和固定化酶（細胞）的應用 n 酶反應器介紹酶反應器介紹n 酶反應器的選擇和應用酶反應器的選擇和應用n 固定化酶和細胞的應用固定化酶和細

28、胞的應用生物催化反應器工程生物催化反應器工程n通過反應器型式、操作方式的改變能通過反應器型式、操作方式的改變能否使生物催化反應效率最大化否使生物催化反應效率最大化？n將反應與傳質緊密相關將反應與傳質緊密相關 一酶反應器。一酶反應器。n 分批攪拌反應器。分批攪拌反應器。n攪拌罐型攪拌罐型n 連續流攪拌桶反應器。連續流攪拌桶反應器。n固定床型固定床型 （填充床反應器）（填充床反應器）n流化床反應器流化床反應器n連續攪拌桶連續攪拌桶-超濾反應器超濾反應器n循環反應器循環反應器n膜式反應器膜式反應器n鼓泡塔型鼓泡塔型 分批攪拌反應器分批攪拌反應器n反應器結構簡單，不需要特殊裝置，適與小反應器結構簡單，

29、不需要特殊裝置，適與小規模試驗規模試驗 連續流攪拌桶反應器連續流攪拌桶反應器n連續攪拌釜式反應器 填充床反應器填充床反應器n旋轉填充床流化床反應器流化床反應器n與連續流攪拌桶式反應器類似，是讓適量與連續流攪拌桶式反應器類似，是讓適量的顆粒狀酶懸浮于反應床中，不用攪拌器，的顆粒狀酶懸浮于反應床中，不用攪拌器，而是底物向上流過固定酶床，因此流速要而是底物向上流過固定酶床，因此流速要適當控制。適當控制。 循環反應器循環反應器n高效內循環生物反應器（HCR） 連續攪拌桶連續攪拌桶-超濾反應器超濾反應器膜式反應器膜式反應器n定義：由膜狀或板狀固定化酶或固定化微生物組裝的反定義：由膜狀或板狀固定化酶或固定

30、化微生物組裝的反應器均稱為膜式反應器。應器均稱為膜式反應器。n類型：直接接觸式酶膜反應器、擴散型膜反應器和多相類型：直接接觸式酶膜反應器、擴散型膜反應器和多相酶膜反應器。酶膜反應器。膜式反應器膜式反應器n采用聚砜中空纖維膜反應器固定淀粉酶可控制淀粉水解，采用聚砜中空纖維膜反應器固定淀粉酶可控制淀粉水解，制備糊精。制備糊精。鼓泡塔型反應器鼓泡塔型反應器n適用對象：反應中涉及氣體的吸收或產生時適用。適用對象：反應中涉及氣體的吸收或產生時適用。n氣體進入方式：氣體進入方式：n與底物一起從底部進入，經過氣體分散板分散。與底物一起從底部進入，經過氣體分散板分散。n和循環液從底部以切線方向進入。和循環液從

31、底部以切線方向進入。生物催化反應分離耦合反應器生物催化反應分離耦合反應器Diagram of the enzymatic synthesis of cefaclor with in situ product removal. (1) Complexation reactor, (2) enzymatic reaction reactor, (3) peristaltic pump, (4) sintered-glass (G2), (5) mechanical stirrer.0102030405060024681012Time (h)Concentration (mmoldm-3)7ACCA

32、 without ISPRcefaclor without ISPR7-ACCA with ISPRcefaclor with ISPR產物在線分離策略實現頭孢克羅半連續制備產物在線分離策略實現頭孢克羅半連續制備01020304050600102030405060Time (h)7-ACCA (mM)Journal of Molecular Catalysis, 17(2):81-87, 2003. Biotechnology Letters, 2003, 25 (14): 1195-1198. J. Molecular Catalysis B: Enzymatic,2003,26 (1-2)

33、:99-104. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2004, 79:480-485. 減壓式反應器用于生物催化反應中易揮發產物的在線去除Wei Dongzhi*, Yu ying, Biocatalysis and Biotransformation, 2003,21(3)135-139. 生物催化合成油酸乙基葡萄糖苷酯生物催化合成油酸乙基葡萄糖苷酯減壓式反應器用減壓式反應器用常規反應器用常規反應器用反應器選擇反應器選擇n酶的形式：酶的形式： 溶液酶溶液酶n 顆粒狀或片狀固定化酶顆粒狀或片狀固定化酶n 膜狀和纖維狀固定化酶膜狀

34、和纖維狀固定化酶n底物的物理性質：溶解性、顆粒物質和膠體物質底物的物理性質：溶解性、顆粒物質和膠體物質n反應操作要求反應操作要求n酶的穩定性酶的穩定性n應用和可塑性和成本應用和可塑性和成本酶反應器的應用酶反應器的應用n控制酶反應器液態流動方式控制酶反應器液態流動方式n反應器中流動方式的改變會使酶與底物的接觸不良，造成反應器生反應器中流動方式的改變會使酶與底物的接觸不良，造成反應器生產能力降低。產能力降低。n流動方式改變造成反混程度的變化，會發生程度不同的反應或副反流動方式改變造成反混程度的變化，會發生程度不同的反應或副反應。應。n物料粒子進入反應器后所經歷的時間稱為粒子的年齡。粒子離開反物料粒

35、子進入反應器后所經歷的時間稱為粒子的年齡。粒子離開反應器時的年齡稱為停留時間。應器時的年齡稱為停留時間。n反應器內不同年齡的粒子間的混合稱為反混。反應器內不同年齡的粒子間的混合稱為反混。酶反應器的應用酶反應器的應用n酶反應器對底物恒定轉化酶反應器對底物恒定轉化n目的：反應器能平穩的進行工作，有利于實現自控操作目的：反應器能平穩的進行工作，有利于實現自控操作n方法：控制底物流速方法：控制底物流速n國外熱點：將固定化酶反應器串聯或并聯操作國外熱點：將固定化酶反應器串聯或并聯操作。酶反應器的應用酶反應器的應用n保持酶反應器的穩定性：保持酶反應器的穩定性：n防止酶變性、中毒、自溶或載體磨損。防止酶變性

36、、中毒、自溶或載體磨損。n防止酶反應器中微生物污染防止酶反應器中微生物污染n向底物中加入殺菌、抑菌物質，或有機溶劑向底物中加入殺菌、抑菌物質，或有機溶劑n底物物料預先除菌底物物料預先除菌n在在45度以上環境中或酸、堿緩沖液中進行反應度以上環境中或酸、堿緩沖液中進行反應n酶反應器每次用后消毒酶反應器每次用后消毒二固定化酶（細胞）的應用二固定化酶（細胞）的應用n1 固定化酶（細胞）在工農業生產上的應用固定化酶（細胞）在工農業生產上的應用n2 固定化酶在醫藥治療上的應用固定化酶在醫藥治療上的應用n3 固定化酶在分析化學中應用固定化酶在分析化學中應用n4 固定化酶和親和色譜固定化酶和親和色譜n5 固定

37、化酶與環境保護固定化酶與環境保護n6 新能源開發中的應用新能源開發中的應用n7 固定化酶在基礎理論研究中應用固定化酶在基礎理論研究中應用1 固定化酶（細胞）在工農業生產上的應用固定化酶（細胞）在工農業生產上的應用n葡萄糖異構酶葡萄糖異構酶世界上生產規模最大的一種固定化酶。世界上生產規模最大的一種固定化酶。n用吸附法、結合法、凝膠包埋法等進行固定化。用吸附法、結合法、凝膠包埋法等進行固定化。n n 葡萄糖異構酶葡萄糖異構酶n葡萄糖葡萄糖 果糖果糖 果葡糖漿果葡糖漿固定化酶在工業生產中的應用固定化酶在工業生產中的應用n聚丙烯酰胺凝膠包埋含有延胡索酸酶的產氨短桿聚丙烯酰胺凝膠包埋含有延胡索酸酶的產氨

38、短桿菌菌體，制得固定化延胡索酸酶。工業化生產菌菌體，制得固定化延胡索酸酶。工業化生產L-蘋果酸蘋果酸n利用固定化乳糖酶可以連續生產低乳糖奶利用固定化乳糖酶可以連續生產低乳糖奶n固定化酵母細胞等微生物可用于生產各種酒類固定化酵母細胞等微生物可用于生產各種酒類固定化原生質體的應用固定化原生質體的應用n研究中：研究中：n固定后化枯草桿菌原生質體生產堿性磷酸酶，使原來存在于細胞中固定后化枯草桿菌原生質體生產堿性磷酸酶，使原來存在于細胞中的堿性磷酸酶，全部分泌到發酵液中，提高產率的堿性磷酸酶，全部分泌到發酵液中，提高產率36%，可連續使用，可連續使用37天。天。2 固定化酶在醫藥治療上的應用固定化酶在醫

39、藥治療上的應用n例例1n固定化青霉素酰化酶，只要改變固定化青霉素酰化酶，只要改變pH值等條件，就既可以值等條件，就既可以催化青霉素或頭孢菌素水解生成催化青霉素或頭孢菌素水解生成6-氨基青霉烷酸酸或氨基青霉烷酸酸或7-氨基頭孢霉烷酸氨基頭孢霉烷酸n也可以催化也可以催化6-APA或或7-ACA與其他的羧酸衍生物進行反與其他的羧酸衍生物進行反應應n合成新的具有不同惻鏈基團的青霉素或頭孢霉素合成新的具有不同惻鏈基團的青霉素或頭孢霉素青霉素酰化酶催化合成頭孢類抗生素青霉素酰化酶催化合成頭孢類抗生素OH2NR2R1NH2NSOOOHNR1NH2NSOOO OHH1: D-(-)-PGA (R1 = H,

40、R2 = NH2)2: D-(-)-PGM (RI = H, R2 = OMe)3. D-(-)-HPGA (R1 = OH, R2 = NH2)4: D-(-)-HPGM (R1 = H, R2 = OMeH2OPenicillin G acylase+Ampicillin (RI = H)Amoxicillin (R1 = OH) 7-ACA as nucleus青霉素酰化酶催化合成頭孢類抗生素青霉素酰化酶催化合成頭孢類抗生素R2R1NH2NSNNSR3R1OOOOOOH2NNH2OHR3HOH+Penicillin G acylaseH2O7-ACCA (R3 = Cl)7-ADCA (

41、R3 = Me)Cefaclor (R1 = H, R3 = Cl)Cephalexin (R1 = H, R3 = Me)Cefadroxil ( R1 = OH, R3 = Me)7-ACCA or 7-ADCA as nucleus酶促合成頭孢類抗生素酶促合成頭孢類抗生素n - Reversible reaction n - Hydrolysis of substrate or product by biocatalystn - Difficulty of separation of product from reactantsCHCOOCH3NH2CHCOOHNH2CHCONHNSOC

42、OOHCH3NH2H2NNSOCOOHCH3+H2NNSOCOOHCH3+Esterase HydrolaseSynthetase固定化酶在醫藥治療上的應用固定化酶在醫藥治療上的應用n例例2：制造人工腎：制造人工腎n利用固定化脲酶透析液和活性炭一起制成的體外循環裝利用固定化脲酶透析液和活性炭一起制成的體外循環裝置，大大提高了療效。固定化脲酶由酶與離子交換樹脂置，大大提高了療效。固定化脲酶由酶與離子交換樹脂一起制成微小膠囊尿酶可分解尿素為一起制成微小膠囊尿酶可分解尿素為NH3和和CO2，NH3被被樹脂吸附，樹脂吸附，CO2可由肺部排出，活性炭用以吸附尿素以可由肺部排出，活性炭用以吸附尿素以外的代

43、謝廢物。外的代謝廢物。 3固定化酶在分析化學中應用固定化酶在分析化學中應用n酶柱和酶管，可與分光光度計、熒光計或電量計結合，酶柱和酶管，可與分光光度計、熒光計或電量計結合，形成酶電極，進行某些物質的自動分析。形成酶電極，進行某些物質的自動分析。酶電極酶電極221,5DODH O葡萄糖葡萄糖內酯酶電極酶電極n特點：快速、方便、靈敏、精確特點：快速、方便、靈敏、精確n范圍：糖類、抗生素、氨基酸、甾體化合物、有機酸、范圍：糖類、抗生素、氨基酸、甾體化合物、有機酸、脂粉、醇類、胺類以及尿素、尿酸、硝酸、磷酸等脂粉、醇類、胺類以及尿素、尿酸、硝酸、磷酸等n要求：酶必須有較強的專一性，并且要有一定的純度。

44、要求：酶必須有較強的專一性，并且要有一定的純度。一概論生物傳感器又稱生物活性物質修飾的傳感器。一般傳感器可分為物理傳感器和化學傳感器。例如熱敏電阻是最常用的物理傳感器，而玻璃pH電極是最常用的化學傳感器。 固定化青霉素酶層熱敏電阻pH電極敏感部固定化青霉素酶層生物傳感器的基本原理；易測量的物理,化學量生物活性物質不易測量的化 學 , 生 物量基礎傳感器測量信號 酶生物傳感器微生物細胞生物傳感器動物組織生物傳感器植物組織生物傳感器免疫生物傳感器基因生物傳感器其他雜合膜生物傳感器電化學生物傳感器（又稱為生物電極）光學（纖維）生物傳感器熱敏生物傳感器壓電晶體生物傳感器等等生物電極還可分為；基于O2檢測的生物電極基于H2O2檢測的生物電極基于NH3檢測的生物電極基于CO2檢測的生物電極基于pH檢測的生物電極電子轉移介體生物電極直接電位免疫生物電極酶標免疫電極等等生物傳感器中涉及的生物反應主要有三類；1.酶反應（包括多酶反應）;Ckdtdv)1 (2.免疫反應;3.雜交(合)反應;雜交反應是指作為基因探針的單鏈寡核苷酸與目標核苷酸以堿基配