食品生物技术基础-酶工程新

1、 酶是由细胞所产生具有催化能力的蛋白质，这些酶 大部分位于细胞体内，一部分则分泌至体外。生物体的 化学变化几乎都在酶的作用下进行。酶的作用具有高度 专一性，因此在一个细菌中，酶的总量可超过1000个。 酶的催化能力很高，一个酶分子在一分钟内能催化数百 至数百万个底物（酶反应中的反应物）分子的转化。一 般说，酶在常温、常压、近于中性的水溶液中进行其催 化作用；温度过高，溶液过酸、过碱和某些金属离子都 会导致酶的失活。目前已被人们所了解的酶估计已超过 3000种。 早期的酶工程技术主要是从动物、植物、微生物材料中提取、分离、 纯化制造各种酶制剂，并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。 年代后，酶

2、的固定化技术取得了突破，使固定化酶、固定化细胞、生物反 应器与生物传感器等酶工程技术迅速获得应用。随着第三代酶制剂的诞生， 应用各种酶工程技术制造精细化工产品和医药用品，及其在化学检测、环 境保护等各个领域的有效应用，使酶工程技术的产业化水平在现代生物技 术领域中名列前茅，并正在与基因工程、细胞工程和微生物工程融为一本， 形成一个具有很大经济效益与社会效益的新型工业门类。 现代酶工程范围大致包括酶的生产（包括微生物酶的发酵和提取以及 从动植物中提取酶的技术）、酶的固定化技术、酶的化学修饰、酶动力学 研究、酶反应器的设计和应用、酶在医学、工业、农业、食品等方面的应 用等内容。 “酶工程”是指酶制

3、剂在工业上的大规模生产及应用。将酶所具有 的生物催化功能，借助工程手段应用于社会生活的一门科学技术。 人们要想获得某些生物工程产品，往往要用基因工程和细胞工程的 方法首先对物种进行定向的改造，再通过发酵工程的方式来实现人们的 愿望。而基因工程和细胞工程中所需的酶往往要靠酶工程来获得。当然， 酶工程中酶的生产一般也需要通过微生物发酵的方法来进行。 虽然现在世界上已发现和鉴定的酶有4000种以上。但是 由于分离和提纯酶的技术比较复杂、繁琐，因而酶制剂的成 本高，价格贵，不利于广泛应用。所以，到目前为止，投入 大规模生产和应用的商品酶只有16种，小批量生产的商品酶 也只有几百种。为了解决这个问题，人

4、们把对自然酶的注意 力转向对自然酶进行适当的加工与改造。 酶工程可以分为两大类：化学酶工程化学酶工程和生物酶工程生物酶工程。 化学酶工程亦可称为初级酶工程初级酶工程(Primary enzyme engineering)，它主要由酶学与化学工程技术相互结合而形 成。 通过化学修饰、固定化处理、甚至通过化学合成法等手 段，改善酶的性质以提高催化效率及降低成本。它包括自然自然 酶酶、化学修饰酶化学修饰酶、固定化酶固定化酶及及化学人工酶化学人工酶的研究和应用。 (1)自然酶，自然酶，是指由生物材料中分离出来的酶，主要靠微生物发酵生产， 应用于工业和医学。 食品工业、制药工业、制革工业、酿造工业及纺织

5、工业使用酶制剂 后可以大大地改造、革新工艺流程并降低成本。主要使用自然酶自然酶，多数 使用微生物来源的酶的粗制剂。 (2)化学修饰酶，化学修饰酶，它是通过对酶分子实行“手术”以达到改构和改性的 目的，又称“生物分子工程”，主要用于基础酶学研究和疾病治疗。 医学上进行治疗以及基础酶学研究要求纯度高、性能稳定、治疗上 还需要低或无免疫原性，所以常常对纯酶进行化学修饰以改善酶化学修饰以改善酶的性能。 （如酶与聚乙二醇、多糖、某些蛋白质结合后酶的性质亦可得到改善， 淀粉酶与葡聚糖结合后，热稳定性显著增加，该自然酶的半寿期只有 2.5分钟，结合酶则为63分钟。） (3)固定化酶，固定化酶，是将酶分子通过

6、吸附、交联、包埋及共价键结合束缚于某 种特定支持物上而发挥酶的作用，具有能反复使用、产物易纯化、可用 微电脑控制，实行自动化连续化生产等优点。 (4)人工合成酶，人工合成酶，是根据酶的催化原理，模拟酶的催化功能，用化学方法 合成具有专一性的催化剂。 生物酶工程是在化学酶工程基础上发展起来的，是以 酶学和DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产 物。因此它亦可称为高级酶工程(advanced enzyme engineering)。 生物酶工程主要包括三个方面：(1)用DNA重组技术(即 基因工程技术)大量地生产酶(克隆酶克隆酶)；(2)对酶基因进行修 饰，产生遗传修饰酶(突变酶突变酶)

7、；(3)设计新的酶基因，合成 自然界不曾有过的、性能稳定、催化效率更高的新酶新酶。 克隆酶：克隆酶：酶基因的克隆和表达技术的应用使我们有可能克隆各 种天然的蛋白基因或酶基因。先在特定的酶的结构基因前加 上高效的启动基因序列和必要的调控序列，再将此片段克隆 到一定的载体中，然后将带有特定酶基因的上述杂交表达载 体转化到适当的受体细菌中，经培养繁殖，再从收集的菌体 中分离得到大量的表达产物我们所需要的酶。此法产生 出大量的酶，并易于提取分离纯化。 突变酶：突变酶：酶的选择性遗传修饰，即酶基因的定点突变。研究者 们在分析氨基酸序列弄清酶的一级结构及X线衍射分析弄清 酶的空间结构的基础上，再在由功能推

8、知结构或由结构推知 功能的反复推敲下，设计出酶基因的改造方案，指出选择性 遗传修饰的修饰位点。 新酶：新酶：只要有遗传设计蓝图，就能人工合成出所设计的酶基因。 酶遗传设计的主要目的是创制优质酶，用于生产昂贵特殊的 药品和超自然的生物制品，以满足人类的特殊需要。 ： 当前化学酶工程正在工业与医学上产生巨大经济效益，但生物酶工程 尚处在幼年时代，它将开创从分子水平根据遗传设计蓝图创造出超自然 生物机器的新时代。在当今日新月异的生物技术中，酶工程的主要任务 在于： (1)分解天然大分子如纤维素、木质素等，使低分子有机物聚合、检测与 分解有毒物质及废物综合利用等的新酶开发； (2)利用基因工程技术开发

9、新酶种和提高酶产量； (3)固定化酶和细胞、固定化多酶体系及辅因子再生，特定生物反应器的 研究和应用； (4)利用生物细胞(组织)研究酶传感器； (5)酶的非水相催化技术，酶分子修饰与改造以及酶型高效催化剂的人工 合成的研究与应用。 ： （1）微生物酶源是酶工程研究的主源流）微生物酶源是酶工程研究的主源流 由于微生物的多样性、传代生长速度快、培养可控性、生产成本低、 易进行基因突变、克隆重组及高效表达等优点，使人类能很快获得优良 的基因工程菌，微生物酶源无疑将会发挥更大的作用和潜力。 （2）以基因工程和蛋白质工程改造和设计酶是革命性导向以基因工程和蛋白质工程改造和设计酶是革命性导向 ； （3）

10、酶工程热点）酶工程热点酶法转化、折分合成手性药物及精细酶法转化、折分合成手性药物及精细 化合物化合物 ； （4）构建新酶）构建新酶抗体酶、核酶及人工合成酶是一个前沿抗体酶、核酶及人工合成酶是一个前沿 生长点生长点 。 酶制剂有固态的也有液态的，那这些酶制剂是怎样产生的呢？酶制剂有固态的也有液态的，那这些酶制剂是怎样产生的呢？ 1可以采用一定的技术直接从动植物或微生物的组织、细胞中将酶提取出 来。（提取法）（提取法） 例如：在屠宰厂，可以从家畜胰脏中提取出胰酶；在水果加工厂， 可以从菠萝皮中提取出菠萝蛋白酶。 分析提取法虽简单易行，但必须要有充足的原材料，使提取法的广 泛应用受到了限制。 2可以

11、通过微生物发酵获得所需要的酶。如果是胞外酶，可以从发酵 液中直接提取；如果是细胞内酶，则可将细胞弄碎再经过提取纯化而得 到。（发酵法）（发酵法） 利用微生物生产的优点：微生物容易培养，繁殖速度快，便于大规 模生产等。 3对已知分子结构的酶，可以用人工合成法获得。（化学合成法）（化学合成法） 例如：1969年，美国科学家首次采用化学合成法获得含124个氨基 酸的核糖核酸酶。 分析化学合成法成本较高，而且只能合成那些已知化学结构的酶， 所以，目前仍然停留在实验室合成的阶段。 酶制剂的生产酶制剂的生产: 提取法 生产方法 发酵法 化学合成法 提取和分离纯化 酶的固定化 1、酶制剂有固态的也有液态的，

12、那这些酶制剂是怎样产生的呢？、酶制剂有固态的也有液态的，那这些酶制剂是怎样产生的呢？ （1）可以采用一定的技术直接从动植物或微生物的组织、细胞中将酶提取 出来。（提取法）（提取法） 例如：在屠宰厂，可以从家畜胰脏中提取出胰酶；在水果加工厂， 可以从菠萝皮中提取出菠萝蛋白酶。 分析提取法虽简单易行，但必须要有充足的原材料，使提取法的广 泛应用受到了限制。 （2）可以通过微生物发酵获得所需要的酶。如果是胞外酶，可以从发 酵液中直接提取；如果是细胞内酶，则可将细胞弄碎再经过提取纯化而 得到。（发酵法）（发酵法） 利用微生物生产的优点：微生物容易培养，繁殖速度快，便于大规 模生产等。 （3）对已知分子

13、结构的酶，可以用人工合成法获得。（化学合成法）（化学合成法） 例如：1969年，美国科学家首次采用化学合成法获得含124个氨基 酸的核糖核酸酶。 分析化学合成法成本较高，而且只能合成那些已知化学结构的酶， 所以，目前仍然停留在实验室合成的阶段。 总结：目前工业上大多采用微生物发酵法微生物发酵法来获得大 量的酶制剂。此法的优点在于微生物不受气候、地 理等条件的限制、繁殖速度快。还可以根据需要选 育菌种来提高产酶率。 、 粗的酶液中除了含有所需要的酶以外，还含有大量的杂质， 因此需要进一步进行纯化。由生物体所产生的酶有胞内酶和 胞外酶之分，所以在处理方法上有所不同。如果是胞内酶则 需要先用捣碎、砂

14、磨、冻融、或自溶等方法将细胞破坏，然 后再用适当的盐溶液或缓冲液把酶提取出来；如果是胞外酶， 自然不需要破坏细胞的手续，而直接用体液如唾液、胃液、 乳汁或微生物的发酵液进行纯化。 酶是蛋白质，故一般常用的酶的分离纯化方法，也就是常 用来分离纯化蛋白质的方法。特别需要注意的是酶具有催化 活性，在整个提纯过程中，要防止强酸、强碱、高温和剧烈 搅拌等，以避免酶活力的损失。 l盐析法盐析法 此法主要是利用不同蛋白质在高浓度的盐溶液中溶解度的不同，以达 到酶和其他杂蛋白分离的目的。最常用的盐是硫酸铵、氯化钠和硫酸钠 等。盐析法设备简单，安全并确能达到一定的提纯目的，因此盐析法至 今在酶的制备中还是使用最

15、广泛的一种方法。 l有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法 乙醇、丙酮等能与水互溶的有机溶剂，在不同的浓度下能沉淀不同的 蛋白质，因此能用来纯化酶。此法分辨能力高，提纯效果好。但高浓度 的有机溶剂常常引起酶活力的丧失，同时整个操作过程都应该严格控制 在低温进行。 l吸附法吸附法 有些吸附剂如淀粉、氧化铝、硅藻土、磷酸钙以及近年来使用的羟基 磷灰石可以选择性地吸附酶，故可以用于酶的纯化。一般在弱酸性或中 性环境中，在酶液中加入吸附剂，经搅拌，酶即被吸附在吸附剂的表面 上。过滤分离后，再用较高pH的高浓度盐溶液把酶从吸附剂上洗脱下来， 即可达到纯化酶的目的。 例：利用酶相对分子质量的大小进行分离纯化的过程例

16、：利用酶相对分子质量的大小进行分离纯化的过程 首先，通过透析的方法，使提取液中的酶和其他蛋白质分子与提 取液中的各种小分子物质分离开来； 其次，通过高速离心使酶和其他蛋白质分子沉降。在高速离心 的情况下，酶和其他蛋白质分子虽然都会发生沉降，但是沉降的速 度因各自相对分子质量的不同而不同。利用这一原理就可以达到分 离纯化酶的目的。具体做法是，取一只离心试管，管内注入具有连 续浓度梯度的蔗糖溶液(试管上部溶液的浓度低，下部溶液的浓度 高)。在蔗糖溶液的表层，小心地滴上含有酶和其他蛋白质的待分离 纯化的液体通过高速离心后，酶和其他蛋白质就会沿着浓度梯度形 成各自的区带，每个区带中只含有一种酶或一种蛋

17、白质； 将离心试管的底部钻一个小孔，使管内的溶液分段流出；这样就 可以将各区带的溶液分开，通过结晶和干燥等方法获得所需要的那 种酶； 也可以将整个离心试管进行冷冻，然后通过切割获得含有所需酶 的那个区带，进而通过结晶和干燥等方法获得那种酶。 除了以上3种酶的纯化方法以外，还有利用分子大小不同以纯化 酶的凝胶过滤法凝胶过滤法和超离心法超离心法、利用不同蛋白质分子在某一pH环境中 荷电性质不同而建立的离子交换法离子交换法、以及利用酶具有和底物或竞争 性抑制剂结合的功能而建立的亲和层析法亲和层析法等。以上这些方法在酶的 分离纯化上已逐渐得到广泛的应用。 从生物体的细胞或组织中提取出来的酶，能不能直接

18、用于催化化学从生物体的细胞或组织中提取出来的酶，能不能直接用于催化化学 反应呢？反应呢？ 提取出来的酶还要经过分离、纯化，再加入适量的稳定剂和填充 剂，制成相应的酶制剂后才能用于催化化学反应。 l制备好的较纯的酶，一般都不太稳定。特别是在溶液中， 酶更容易丧失活力。通常应在冰箱中保存。此外也可以 酶溶液中加入一些保护剂，如巯基酶可加入还原剂保存。 l最好的办法还是把酶制成干粉，可以延长保存时间。但 酶在干燥器中的干燥过程中，有时部分变性，这时可采 用冷冻干燥法。使酶溶液在冷冻状态下迅速升华失去水 分，可以避免酶力的损失，得到便于保存的干粉。 酶制剂的生产成本是较高的，很多酶制剂却只能用一次，而

19、且，如 果将酶制剂直接用于催化化学反应，反应结束后酶制剂会和反应的产物 混合在一起。酶制剂既不能重复使用，也影响了产物纯度。怎样才能解 决这个难题呢？ 科学家是通过固定酶来解决酶不能重复使用和影响产物纯度这个难 题的。即将分离纯化后的酶固定到一定的载体上，形成固定化酶。使用 时，将固定的酶投放到反应溶液中，催化反应结束后又能将固定的酶回 收。这样，既可反复使用又不影响反应物纯度。 固定化酶是通过吸附、耦联、交联和包埋等物理或 化学的方法把酶连接到某种载体上，做成仍具有酶催 化活性的水不溶酶。大多数酶被固定化后，其催化活 性有所降低，专一性变化不大，但稳定性却提高了， 有较长的有效寿命。在应用时

20、，固定化酶和溶液酶相 比其优越性是明显的。固定化酶可被反复使用，效率 高，生产成本大大下降，其稳定性强，易与反应液分 开，产品易于纯化，固定化酶在工业生产上的应用为 生产自动化、管道化、连续化提供了条件。 酶的固定化方法：酶的固定化方法： 1 1、载体结合法、载体结合法 载体结合法是指将酶固定到非水溶性载体上的方法。根据固定方式的不 同，这种方法又可以分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法。物理吸 附法是指将酶吸附到固体吸附剂表面的方法，固体吸附剂多为活性碳、多 孔玻璃等。离子结合法是指通过离子键将酶结合到具有离子交换基团的非 水溶性载体上的方法，载体有离子交换树脂等。共价结合法是指酶和载体

21、以共价键的形式结合在一起的方法，这种方法需要酶和载体都要具有氨基、 羧基或羟基等官能团。 2 2、交联法、交联法 交联法是指通过双功能试剂，将酶和酶联结成网状结构的方法。交联 法使用的交联剂是戊二醛等水溶性物质。 3 3、包埋法、包埋法 包埋法是指将酶包裹在多孔的载体中，如将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶 等高分子凝胶中，或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中。前者包埋成 格子型，后者包埋成微胶囊微胶囊型。 微胶囊技术：微胶囊技术： 微胶囊技术是指把分散的固体物质、液滴或气体完全包封在 一层致密膜中形成微胶囊的方法。所得到的微小粒子称为微胶囊。 被包在微胶囊内部的物质称为囊心，其大小一般在微米或毫米范

22、围内。包覆在微胶囊外部的材料称为壁膜，其厚度一般在0.2-10 微米范围内。通常壁膜是由天然或合成高分子材料制成。含固体 的微胶囊形状一般与固体相同,含液体或气体的微胶囊的形状一般 为球形。微胶囊的大小一般在2200范围内,但理论上可制成 0.0110000的微胶囊。囊壁的厚度一般在0.5150, 0.5 以下囊壁也可生产。 微胶囊技术方法分类微胶囊技术方法分类 Methods divided in microcapsulation 分类分类方法方法 物理方法物理方法 喷雾干燥、喷雾冷冻、流化床涂层、挤出、多喷雾干燥、喷雾冷冻、流化床涂层、挤出、多 孔离心挤出、共结晶、冷冻干燥孔离心挤出、共结

23、晶、冷冻干燥 化学方法化学方法分子包埋（包合配合物）、界面聚合分子包埋（包合配合物）、界面聚合 物理化学方法物理化学方法凝聚（水相分离）、有机相分离、脂质体包埋凝聚（水相分离）、有机相分离、脂质体包埋 微胶囊技术在食品工业中应用的特点微胶囊技术在食品工业中应用的特点 1 1 改变物态改变物态 改变物态也就是通常所说的“粉末化”，即把液态或气态的原料固化， 变成微细的可流动性粉末。除便于使用、运输、保存外，它还能简化食 品生产工艺和开发出新型产品，如粉末香精就是固体饮料开发的前提。 粉末油脂的出现促成了许多方便食品开发，如咖啡伴侣、维生素强化奶 粉等。 2 2 保护敏感成份保护敏感成份 防护敏感

24、成份，防止某些不稳定的食品原辅料挥发、氧化、变质，许 多香精和香料精油化学性质不稳定，易挥发或被氧化7。维生素E、维 生素C，高度不饱和的油脂等材料很易氧化而失去功能，生产中又要求这 些成分在食品中高度分散于易被氧化的环境中，微胶囊化就是解决这一 矛盾的最好方法。 3 3 控制芯材释放控制芯材释放 控制芯材释放包括控制释放的时间和速率。如在焙烤工业中，某些 膨松剂要求在面胚表面升温到某一程度，淀粉糊化和蛋白质变性已具备 了保气功能后再产气，而生成的气体形成气泡不会溢散。日本也有微胶 囊化乙醇保鲜剂，在密封包装中缓缓释放乙醇蒸汽以防止霉菌。 4 4 降低或掩盖食品中不良气味或苦味等降低或掩盖食品

25、中不良气味或苦味等 食品加工过程中可能产生不良气味，某些原料中也会含有难于去除的 不良气味或去除工艺复杂，还会破坏应有的香气，应用微胶囊化方法可 有效的解决这一问题。 5 5 隔离活性成分隔离活性成分 将可相互反应的组分微胶囊化后，使它们稳定地存在于一个物系中， 或者由原先不易加工贮存的形式转化成较稳定的固体形式，从而大大地 防止或延缓了产品劣变的发生。 6 6 降低食品添加剂的毒理作用降低食品添加剂的毒理作用 利用控制释放的特点，可通过适当的设计，控制芯材的生物可利用性， 尤其对化学合成添加剂，对其进行包埋，对于减少其毒副作用显得尤为 重要。 酶的固定化优点：酶的固定化优点： 酶成份可以重复

26、利用；酶成份可以重复利用； 适合于连续操作；适合于连续操作； 产品中不会掺杂入酶；产品中不会掺杂入酶； 可以更加精确地控制催化过程；可以更加精确地控制催化过程； 酶的稳定性得到改善或提高；酶的稳定性得到改善或提高； 可发展成多酶反应系统；可发展成多酶反应系统； 减少了下水排放的问题；减少了下水排放的问题； 在工业和医药业上有大的潜力等。在工业和医药业上有大的潜力等。 固定化细胞的一个更明显的优越性是催化反应时作用于反应物的不是 单一的酶，而是同一菌体细胞中的一系列酶或者其它辅助因子。我们国家 在利用固定化细胞生产啤酒、反丁烯二酸等方面都取得了重要的成果。 间歇式搅拌器间歇式搅拌器 连续式搅拌器

27、连续式搅拌器 固定床反应器固定床反应器 流化床反应器流化床反应器 膜型反应器膜型反应器 第二代酶反应器第二代酶反应器 酶反应器酶反应器 酶反应器的特点与类型酶反应器的特点与类型 酶反应器的选择和使用酶反应器的选择和使用 酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置 称为酶反应器称为酶反应器(Enzyme reactor)(Enzyme reactor)。 作用：作用：以尽可能低的成本，按一定的速度由规定以尽可能低的成本，按一定的速度由规定 的反应物制备特定的产物。的反应物制备特定的产物。 与化学反应器相比：与化学反应器相比：在低温、低压下发挥在低温、低压下发

28、挥 作用，反应时的耗能和产能较少。作用，反应时的耗能和产能较少。 与发酵反应器相比：与发酵反应器相比：不表现自催化方式不表现自催化方式 （即细胞的连续再生）。（即细胞的连续再生）。 一、酶反应器的类型 搅拌罐型反应器 固定床型反应器 流化床型反应器 膜式反应器 鼓泡塔型反应器 （一）搅拌罐型（Stirred Tank Reacter, STR） 有搅拌装置的、传统形式的反应器。由反应罐、搅拌器和保温 装置组成。 1. 分类： 1）分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR) 适用的酶：游离酶、固定化酶 2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Fl

29、ow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶 2. 适用的操作方式： 分批式、流加分批式、连续式 3.优点： 结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件易控 制，能处理胶体状底物、不溶性底物。 4. 缺点: 反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程酶易 损失。 5. 改进： 在反应器出口装上滤器 ,或用尼龙网罩住固定化酶 ,或制成磁 性固定化酶，或多个搅拌罐串联。 （二）固定床型（也称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ） 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，底物按一定 方向以恒定速度通过反应床。 在其横截面上液体

30、流动速度完全相同，沿流动方向底物及 产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。又称活塞流 反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 适用于：固定化酶。 优点：可使用高浓度的催化剂 。 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器 长度逐渐增高 ）。 缺点：温度和pH难以控制； 底物和产物会产生轴向浓度分布； 清洗和更换部分固定化酶较麻烦。 床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。 （三）流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR) 装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。 底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状 态下进行反应

31、。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间。 适用于：固定化酶。 优点：具有良好的传质及传热性能，pH、温度控制及气体 的供给比较容易； 不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体； 能处理粉末状底物； 即使应用细颗粒的催化剂，压力降也不会很高。 缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大； 由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破损； 流化床的空隙体积大，酶的浓度不高； 底物高速流动使酶冲出，降低了转化率。 改进：使底物进行循环，避免催化剂。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。 （四）膜式反应器(Membrane Reactor) 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器

32、。 适用于：游离酶、固定化酶。 1. 游离酶膜反应器 2. 固定化酶膜反应器 由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器 。 分类： 1）平板状或螺旋状反应器 2）转盘型反应器 3）空心酶管反应器 4）中空纤维膜反应器 1）平板状或螺旋状反应器 特点： 压力降小； 膜面积清晰； 放大容易 。 单位体积催化剂有效面积小。 2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型 为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个 装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。 有立式和卧式两种，卧式适用于需氧反应或产物 有挥发性物，广泛应用于水处理装置。 3）空心酶管反应器 酶固定在细管的内壁上，底物

33、溶液流经细管时，只有与管壁 接触的部分进行酶反应。 管内径1mm，管内流动属于层流。多与自动分析仪等组装在 一起，用于定量分析。 4）中空纤维膜反应器 由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维 (内径200m -500m，外径300m -900m)。 组成。 内层紧密、光滑，具有一定分子量截流值，可 截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。 外层为多孔的海绵状支持层，酶被固定在海绵 状支持层中 。 反应器的形状为管式或列管式，中空纤维可承 受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内 壁与海绵状介质上的酶起反应。 反应器的形状为管式或列管式，中空纤维可承受较大压力， 通过正常超滤程序将底物压入内

34、壁与海绵状介质上的酶起反 应。 （五）鼓泡塔型反应器 利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程 中起到提供反应底物和混和这两种作用的一类反应器。是有 气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。 适用于：游离酶、固定化酶 在使用固定化酶进行催化反应时，反应系统中存在固、液、 气三相，又称为三相流化床反应器 。 二、酶反应器的发展 1. 含有辅助因子再生的酶反应器 问题由来 许多酶反应都需要辅因子的协助，如辅酶、辅基、能量 供给体等。这些辅因子价格昂贵，需再生循环使用 才能降低成本，因而发展了辅因子再生酶反应器。 例 利用固定化脱氢酶可将固定化NADH再生为NAD。依靠 半透膜能将固定化

35、NAD保留在反应器内，实现了 NAD的再生于循环使用。 2.两相或多相反应器 问题由来 许多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极性较 低的物质，进行酶反应时有浓度低，反应体积大，分离困 难、能耗大的缺点。 解决办法： 使酶反应在有机相中进行，可增加反应物浓度，还可减少 底物，特别使产物对酶的抑制作用。 3. 固定化多酶反应器 将多种酶固定化后，制成多酶反应器，模拟微生物细 胞的多酶系统，进行多种酶的顺序反应，来合成各种 产物，目前次技术还处于实验阶段，但发展前景良好。 1）可组成高效率，巧妙的多酶反应器。 2）构建全新的酶化学合成路线，生产人类所需的、 自然界不存在的物质。 3）代替微生

36、物发酵，用小型柱式反应器取代庞大的 微生物发酵罐。 4）化工厂、制药厂高大反应塔和密如蛛网的管道液 将由简单巧妙的生物反应器取代。 第二节 酶反应器的设计与选择 一、酶反应器的设计 1. 设计目的： 设计一个既能充分发挥生物反应的优点，又可克服一些限制 因素，以最低的生产成本，获得最高的产量和质量的酶 反应器。 2.设计原理（依据）： (1) 底物的酶促反应动力学以及温度、压力、pH等操作参数 对此特性的影响； (2) 反应器的形式和反应器内流体流动状态及传热特性； (3) 产物的产量和生产工艺流程。 二、 酶反应器的选择 （一）酶的应用形式 1. 游离酶：回收困难，除了BSTR 外，其它反应

37、器不适用。 连续搅拌罐式反应器 超滤反应器 2.固定化酶 颗粒状或片状CSTR、PBR 膜状和纤维状PBR 小颗粒状FBR （二）底物的物理性质 溶解性物质 任何类型反应器 底物 颗粒物质 胶体物质 CSTR、PBR和RCR （三）反应操作要求 1.若酶受高浓度底物抑制 需要不断调整pH 搅拌罐型反应器。 2.若反应耗氧 鼓泡塔型反应器。 （四）酶的稳定性 固定化酶在反应器中催化活性的损失可能有如下三种 原因： 酶本身失效； 酶从载体上脱落； 载体肢解。 在各种类型的反应器中，CSTR最易引起这类损失。 （五）应用的可塑性及成本 CSTR类型的反应器应用的可塑性较大，结构简单， 成本也较低； 综上所述，酶反应器的选择没有一个简单的法则或 标准可以遵循，必须根据具体情况进行全面的分析和衡 量。 三、酶反应器的操作三、酶反应器的操作 （一）反应温度的确定与调节控制（一）反应温度的确定与调节控制 （二）（二）pHpH值的确定与调控值的确定与调控 （三）底