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1、 酶 工 程 ENZYME ENGINEERING 主 编：陈 守 文酶工程酶工程Enzyme EngineeringEnzyme Engineering 第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器第二节 酶传感器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器酶反应器:以酶作为催化剂进行酶促反应的设备。以酶作为催化剂进行酶促反应的设备。第一节 酶反应器酶反应器酶反应器低低 温温低低 压压耗能少耗能少产能少产能少不不 能能自我催化自我催化连续再生连续再生评价方式：评价方式：产率产率和和专一性专一性 化学反化学反应
2、器器生物反应器生物反应器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器的类型酶反应器的类型酶反应器酶反应器酶酶操作方式操作方式结构构 游离酶反应器游离酶反应器固定化酶反应器固定化酶反应器分批式酶反应器分批式酶反应器连续式酶反应器连续式酶反应器流加式酶反应器流加式酶反应器搅拌罐式反拌罐式反应器（器（STRSTR）固定床式反固定床式反应器（器（PCRPCR）流化床式反流化床式反应器（器（FBRFBR）鼓泡式反鼓泡式反应器器 （BCRBCR）膜式反膜式反应器器 （MRMR）喷射式反射式反应器器 （PRPR）第一节 酶反应器第八章第八章第八章
3、第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器适用组成1.搅拌罐式反应器反应罐、搅拌器和保温装置反应罐、搅拌器和保温装置游离酶、固定化酶游离酶、固定化酶分批式、流加式、连续式分批式、流加式、连续式操作第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器A.分批搅拌罐式反应器,BSTR酶和底物一起加入，反应完，反应液一次性全部取出酶和底物一起加入，反应完，反应液一次性全部取出适用于游离化酶或固定化酶适用于游离化酶或固定化酶分批式分批式流加式流加式高浓度底物抑制高浓度底物抑制第八章第八章第八章第八章 酶
4、反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器B.连续搅拌罐反应器,CSTRSP主要适用于固定化酶主要适用于固定化酶反应器中保持一定体积反应液反应器中保持一定体积反应液搅拌搅拌罐式罐式优点优点结构简单结构简单反应物混合均匀反应物混合均匀易控制温度、易控制温度、pH传质阻力低传质阻力低能处理胶态底物能处理胶态底物和不溶性底物和不溶性底物游离酶不能游离酶不能回收利用回收利用固定化酶易固定化酶易破损而损失破损而损失缺点缺点第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器2.固定床式反应器（PCR
5、）反应液反应液固定化酶固定化酶底物溶液底物溶液概念概念:将颗粒状或片状的固定化酶填充在柱形固定床中构成将颗粒状或片状的固定化酶填充在柱形固定床中构成第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器优点点:适合适合连续化生化生产，效率高，效率高，缺点缺点:只适用可溶性底物；温度和只适用可溶性底物；温度和pH难控制；难控制；底物和产物分布不均匀；酶清洗和更换麻烦；底物和产物分布不均匀；酶清洗和更换麻烦；酶颗粒易破碎。酶颗粒易破碎。3.流化床式反应器（FBR）固定化固定化酶颗粒酶颗粒反应液反应液底物溶液底物溶液优点点:混合均匀，混合均匀，传质传热效果
6、好，效果好，温度和温度和pHpH容易控制，容易控制，压降小，降小，不易堵塞，能不易堵塞，能处理黏度理黏度较大的反大的反应液等。液等。缺点缺点:酶结构容易破坏，反构容易破坏，反应液需保持流速，液需保持流速，动力成本高，力成本高，流体流体动力学参数复力学参数复杂，难以放大。以放大。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器4.鼓泡式反应器（BCR）排气排气反应液反应液酶酶气泡气泡空气分布器空气分布器进气进气底物底物溶液溶液底物和气体进入反应物混合反应无反应鼓泡式反应器（鼓泡式反应器（PR）气泡上升混合反应体系混合反应体系提供气体底物提供气体底
7、物降低抑制作用降低抑制作用结构简单结构简单操作容易操作容易剪切力小剪切力小传质传热效传质传热效率高率高气泡第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器5.膜式反应器（MR）特点特点:将酶的催化反应同膜的分离作用相结合。将酶的催化反应同膜的分离作用相结合。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器A.固定化酶膜式反应器将平板状的固定化酶置于相应的容器中装备而成，也可将平板状的固定化酶置于相应的容器中装备而成，也可将酶直接固定在膜分离装置的各种多孔薄膜上制备而成将酶直接固定在膜分离装置的各
8、种多孔薄膜上制备而成 底物产物酶板平板式平板式底物产物酶板转盘式转盘式优点：压降小，酶更换容易，可承受较大压力，设备放大容易；优点：压降小，酶更换容易，可承受较大压力，设备放大容易；缺点：有效面积小，制造成本高。缺点：有效面积小，制造成本高。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器B.游离酶膜式反应器底物溶液底物溶液酶液循环使用酶液循环使用超滤膜超滤膜反应产物反应产物反应容器反应容器膜分离器膜分离器优点点:游离游离酶可回收用可回收用,消除消除产物抑制作用，物抑制作用，底物底物转化率高。化率高。反应器反应器缺点缺点:时间使用使用长会会导致
9、致酶吸附吸附 损失影响膜的分离性能。失影响膜的分离性能。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器5.膜式反应器（MR）6.喷射式反应器（PR）高压蒸汽高压蒸汽酶和底物溶液酶和底物溶液反应液反应液至维持罐至维持罐高高压蒸汽蒸汽酶与底物混合与底物混合高温催化高温催化喷射式反射式反应器器 （PRPR）结构简单、体积小结构简单、体积小混合均匀混合均匀催化速度快催化速度快效率高效率高只能耐高温酶只能耐高温酶酶不能回收利用酶不能回收利用第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器类型类型操作方式
10、操作方式酶酶特点特点搅拌式分批、流加、连续游离酶固定化酶设备简单，反应物混合均匀，条件易控制，传质阻力低，底物应用广泛固定床式连续固定化酶设备简单，催化效率高，目前工业应用最普遍流化床式连续固定化酶反应物混合均匀，传热传质效果好；但动力成本高，难以放大鼓泡式分批、流加、连续游离酶固定化酶剪切力小，传热传质效率高；适于气体的反应膜式连续游离酶固定化酶反应与分离于一体，膜孔易堵塞，清洗比较困难喷射式连续游离酶混合效果好，适用于耐高温游离酶的连续催化第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器酶反应器的选型和设计酶反应器的选型和设
11、计酶反应器类型的选择酶反应器类型的选择根据酶的应用形式选择酶反应器根据酶的应用形式选择酶反应器根据酶反应动力学性质选择酶反应器根据酶反应动力学性质选择酶反应器根据底物或产物的理化性质选择酶反应器根据底物或产物的理化性质选择酶反应器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器酶的应用形式 酶酶游离酶游离酶固定化酶固定化酶 最常用最常用产量有限，价格昂贵产量有限，价格昂贵 耐高温耐高温有气体参与有气体参与搅拌式搅拌式膜式膜式鼓泡式鼓泡式喷射式喷射式颗粒大，机械强度高颗粒大，机械强度高 适中适中颗粒状颗粒状搅拌式、搅拌式、固定床式
12、固定床式流化床式流化床式第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器动力动力学学混合混合程度程度产物物抑制抑制温度温度搅拌罐式搅拌罐式流化床式流化床式鼓泡式鼓泡式固定床式固定床式膜式膜式游离游离酶：流化床式流化床式固定化固定化酶：固定床式固定床式游离游离酶：分批分批搅拌罐式拌罐式 流化床式流化床式固定化固定化酶：连续搅拌罐式拌罐式 固定床式固定床式 流化床式流化床式 膜式膜式 耐高温耐高温酶：喷射式射式底物底物抑制抑制第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器类型的确定酶反应器
13、类型的确定生产工艺参数及技术指标的确定生产工艺参数及技术指标的确定物料平衡计算物料平衡计算热量平衡计算热量平衡计算设备材料的选择设备材料的选择反应器结构的设计反应器结构的设计反应器数目计算反应器数目计算酶反应器的选型和设计酶反应器的选型和设计第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器反反应器器类型型工工艺参参数数技技术指指标物物料料衡衡算算热量量衡衡算算底物底物浓度度酶浓度度最适温度最适温度最适最适pHpH反反应时间生生产强度度产物物浓度度产物得率物得率底物用量底物用量反应液体积反应液体积酶用量酶用量不锈钢不锈钢搅拌罐式搅
14、拌罐式流化床式流化床式鼓泡式鼓泡式固定床式固定床式膜式膜式喷射式射式设备材材料料反反应器器结构构与与数数目目第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器物料平衡物料平衡底物用量底物用量反应液体积反应液体积酶用量用量第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器反应器数目计算分批式酶反应器：分批式酶反应器：连续式酶反应器：连续式酶反应器：第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器的操作酶反应器的操
15、作反应温度的调节控制反应温度的调节控制pH的调节控制的调节控制底物浓度的调节控制底物浓度的调节控制酶浓度的调节控制酶浓度的调节控制反应液混合程度的调节控制反应液混合程度的调节控制物料流加速率的调节控制物料流加速率的调节控制微生物污染的控制微生物污染的控制第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节 酶反应器传传感感器器是是一一种种信信息息获获取取与与处处理理的的装装置置，是是能能感感受受规规定定的的被被测测量量并并按按照照一一定定的的规规律律转转换换成成可可用用输输出出信信号号的的器器件件或或装装置置，它它通通常常由由敏敏感元件感元件
16、和和转换元件转换元件组成组成。第二节 酶传感器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器传感器按检测对象传感器按检测对象(被测量被测量)划分，可分为划分，可分为物理传感器物理传感器（检测热、检测热、光、磁、力等物理量光、磁、力等物理量）和和化学传感器化学传感器（检测化学量的传感器检测化学量的传感器）两大两大类。类。生物传感器生物传感器(biosensors)的诞生以酶电的诞生以酶电极极葡萄葡萄糖电极的出现糖电极的出现为标志，为标志，1967年年，由由Updike和和Hicks根据根据Clark 1962年最先提年最先提出的酶电出的酶电极的
17、设想极的设想制造出制造出来来。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节 酶传感器生物传感器生物传感器生物传感器生物传感器是指以固定化的生物材料（酶是指以固定化的生物材料（酶、抗原抗原、抗体抗体、激素激素、DNA、细胞细胞、组织等）作为敏感元件，与适当的转换组织等）作为敏感元件，与适当的转换元件元件结合所结合所构成的一类传感器构成的一类传感器根据输出信号的产生方式：根据输出信号的产生方式：生物亲和型、代谢型生物亲和型、代谢型根据敏感元件上的物质分类：根据敏感元件上的物质分类：酶传感器、细胞器传感器、微生物酶传感器、细胞器传感器、微生
18、物传感器、组织传感器、免疫传感器、基因传感器等传感器、组织传感器、免疫传感器、基因传感器等 根据信号转换器分类：根据信号转换器分类：电化学生物传感器、半导体生物传感器、电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测热型生物传感器、测测声型生物传感器等声型生物传感器等 第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节 酶传感器酶传感器以固定酶为感受器，包括以下三部分组成。酶传感器以固定酶为感受器，包括以下三部分组成。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节 酶传感器生
19、物传感器的一般工作原理生物传感器的一般工作原理第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节 酶传感器酶传感器的特点酶传感器的特点 酶传感器检测的专一性酶传感器检测的专一性 酶传感器检测的高速度酶传感器检测的高速度 酶传感器使用的简便性酶传感器使用的简便性 酶传感器检测的连续性酶传感器检测的连续性 成本低成本低 灵敏性高灵敏性高 体积小体积小 易于实现自动化易于实现自动化 易于推广普及易于推广普及第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节 酶传感器酶电极是由固定化酶与离子选择
20、电极、气敏电极、氧化酶电极是由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极组合而成的生物传感器。还原电极等电化学电极组合而成的生物传感器。电位型酶电极电位型酶电极将酶促反应所引起的物质量的变化转化为电位信号输出将酶促反应所引起的物质量的变化转化为电位信号输出。离子选择性电极离子选择性电极 pHpH电极、氨气极、氨气酶电极、二氧化碳气敏极、二氧化碳气敏电极、碘极、碘电极极氧化还原电极氧化还原电极电流型酶电极电流型酶电极检测酶促反应底物或产物在电极上产生的电流信号。检测酶促反应底物或产物在电极上产生的电流信号。氧电极。氧电极。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传
21、感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节 酶传感器离子敏场效应晶体管酶传感器离子敏场效应晶体管酶传感器将将固定化酶与离子固定化酶与离子敏场效应晶体管结敏场效应晶体管结合而构成的酶合而构成的酶传感传感器。器。酶酶酶酶 反反反反 应应应应 器器器器 和和和和 酶酶酶酶 传传传传 感感感感 器器器器 第二节 酶传感器葡萄糖醌H2O 葡萄糖酸氢醌葡萄糖氧化酶氢醌 醌2H2ePt铂电极例如，利用例如，利用ISFET和葡萄糖氧化酶构成葡萄糖酶传感器，和葡萄糖氧化酶构成葡萄糖酶传感器，离子敏场效应晶体管酶传感器离子敏场效应晶体管酶传感器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反
22、应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节 酶传感器半透膜酶胶层感应电极酶电极酶电极葡萄糖电极葡萄糖电极第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节 酶传感器热敏电阻酶传感器由由固定化酶固定化酶和热敏电阻组合成的一种酶和热敏电阻组合成的一种酶传感器传感器 在在酶催化底物反应过程中酶催化底物反应过程中，都，都会伴随着放热或吸热的热量变会伴随着放热或吸热的热量变化化(焓焓变化变化)，酶催化反应过程酶催化反应过程中中热量变化热量变化的强弱与底物浓度的强弱与底物浓度具有相关性。具有相关性。热敏电阻随温度变化其电阻值热敏电阻随温度变化其电阻值有极大
23、变化的特殊电阻器有极大变化的特殊电阻器。固定化酶反应器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器Tran-Minh 等在等在20世纪世纪70年代就制作并使用此种传感器测量了葡年代就制作并使用此种传感器测量了葡萄糖等物质的浓度。他们用萄糖等物质的浓度。他们用25时电阻为时电阻为2 K，温度系数为，温度系数为3.9%/K 的热敏电阻，以戊二醛作交联剂固定化葡萄糖氧化酶和血清的热敏电阻，以戊二醛作交联剂固定化葡萄糖氧化酶和血清蛋白的混合物。该传感器的响应速度快，在蛋白的混合物。该传感器的响应速度快，在10s内就能测定出结果，内就能测定出结果，而
24、且重现性好，误差在而且重现性好，误差在3%以内。以内。热敏电阻酶传感器由由固定化酶固定化酶和热敏电阻组合成的一种酶和热敏电阻组合成的一种酶传感器传感器 第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器光纤酶传感器以以酶酶作为分子识别物，与光作为分子识别物，与光纤结合所构成的一种酶传感纤结合所构成的一种酶传感器器。其基本原理就是将酶催其基本原理就是将酶催化反应过程中的物质变化量化反应过程中的物质变化量转换为光学变化量进行输出，转换为光学变化量进行输出，从而对被测物含量进行检测。从而对被测物含量进行检测。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器
25、酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器声波酶传感器声波酶传感器以声波酶传感器以酶酶作为分子识别物，以压电晶振作为换能器所构成作为分子识别物，以压电晶振作为换能器所构成的一种酶传感器的一种酶传感器。第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器晶体受外界机械力的作用，在其表面产生电荷的现象称为压电晶体受外界机械力的作用，在其表面产生电荷的现象称为压电效应。相反，晶体受到电场作用时，可发生正比于电场强度的效应。相反，晶体受到电场作用时，可发生正比于电场强度的机械变形，此现象称为机械变形，此现象称为逆压电效应逆压电效应，也称电致伸缩
26、效应。正压，也称电致伸缩效应。正压电效应、逆压电效应的压电系数相等。具有压电效应的晶体材电效应、逆压电效应的压电系数相等。具有压电效应的晶体材料称为料称为压电晶体压电晶体。压电晶振是由一定切型的压电晶体装上激励电极所构成的一种压电晶振是由一定切型的压电晶体装上激励电极所构成的一种传感元件。其传感机制可分为质量响应型声波传感和非质量响传感元件。其传感机制可分为质量响应型声波传感和非质量响应型声波传感两大类。应型声波传感两大类。声波酶传感器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶的催化反应，随着产物的生成溶液电导会发生显著改变。压电晶振酶
27、的催化反应，随着产物的生成溶液电导会发生显著改变。压电晶振共振频率的改变与溶液中介电物质浓度的改变具有一定的相关性共振频率的改变与溶液中介电物质浓度的改变具有一定的相关性。声波酶传感器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第八章第八章第八章第八章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器1.酶反应器与化学反应器和发酵罐有何区别?2.试比较各类酶反应器的优缺点。3.在酶的应用中，如何选择适宜的酶反应器?4.简述酶反应器设计的一般步骤。5.简述传感器、生物传感器和酶传感器的基本概念。6.酶传感器有哪些类型？7.电流型酶电极与电位型酶电极有哪些不同?8.简述各种酶传感器的基本检测原理。思考题思考题: