湖工酶工程第九章讲述

1、湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节第一节 酶反应器酶反应器第二节第二节 酶传感器酶传感器 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第一节第一节 酶反应器酶反应器 以酶作为催化剂进行酶促反应的设备称为以酶作为催化剂进行酶促反应的设备称为酶反应器酶反应器。酶。酶反应器的基本结构除了提供酶促反应所必需的壳体容器之外，反应器的基本结构除了提供酶促反应所必需的壳体容器之外，还包括一些控制酶反应进行的附属装置，如搅拌、控温、调还包括一些控制酶反应进行的附

2、属装置，如搅拌、控温、调节节pH值、通气、检测等。由于酶促反应的特点，使得酶反值、通气、检测等。由于酶促反应的特点，使得酶反应器既不同于化学反应器，如它是在低温、低压下发挥作用，应器既不同于化学反应器，如它是在低温、低压下发挥作用，反应过程耗能和产能较少等，也不同于其它的生物反应器反应过程耗能和产能较少等，也不同于其它的生物反应器（发酵罐、动植物细胞反应器），因为它不表现自我催化作（发酵罐、动植物细胞反应器），因为它不表现自我催化作用，即细胞的连续再生。但酶反应器跟其它反应器一样，都用，即细胞的连续再生。但酶反应器跟其它反应器一样，都是根据它的是根据它的产率产率和和专一性专一性来进行评价。来进

3、行评价。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器一、酶反应器的类型与特点一、酶反应器的类型与特点 酶反应器的种类很多，根据不同的分类方法，可将酶反应器的种类很多，根据不同的分类方法，可将酶反应器分为很多不同类型。根据酶的酶反应器分为很多不同类型。根据酶的应用形式应用形式的不同，的不同，可分为游离酶反应器和固定化酶反应器。根据可分为游离酶反应器和固定化酶反应器。根据操作方式操作方式的不同可分为分批式（或称间歇式）、连续式和流加式的不同可分为分批式（或称间歇式）、连续式和流加式酶反应器。根据酶反应器。根据结构结构的不同可分为搅拌罐式反应器、固的不同可

4、分为搅拌罐式反应器、固定床式反应器、流化床式反应器、鼓泡式反应器、膜式定床式反应器、流化床式反应器、鼓泡式反应器、膜式反应器、喷射式反应器等。反应器、喷射式反应器等。湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器1. 1. 搅拌罐式反应器搅拌罐式反应器 搅拌罐式反应器是一种带有搅拌装置的反搅拌罐式反应器是一种带有搅拌装置的反应器，由反应罐、搅拌器和保温装置等组成，应器，由反应罐、搅拌器和保温装置等组成，既可用于游离酶，也可用于固定化酶。可采用既可用于游离酶，也可用于固定化酶。可采用分批式操作，也可采用连续式操作。当酶促反分批式操作，也可采用连续式操作。当

5、酶促反应存在高浓度底物抑制作用时，可采用半分批式的操作方式。应存在高浓度底物抑制作用时，可采用半分批式的操作方式。 特点：特点：结构简单，内容物混合充分均匀，温度和结构简单，内容物混合充分均匀，温度和pH值容值容易控制，传质阻力较低，能处理胶态底物及不溶性底物，固定易控制，传质阻力较低，能处理胶态底物及不溶性底物，固定化酶容易更换等。但游离酶不能回收重复利用。固定化酶在反化酶容易更换等。但游离酶不能回收重复利用。固定化酶在反应及回收过程中易破损而造成酶的损失。应及回收过程中易破损而造成酶的损失。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器2. 2.

6、固定床式反应器固定床式反应器反应液反应液固定化酶固定化酶底物溶液底物溶液 将颗粒状或片状的固定化酶填充在柱形将颗粒状或片状的固定化酶填充在柱形的固定床中所构成的固定化酶反应器。的固定床中所构成的固定化酶反应器。 优点：优点：单位体积所含酶的量较多，因而单位体积所含酶的量较多，因而催化效率较高。另外，反应产生的产物从反催化效率较高。另外，反应产生的产物从反应器中不断流出，可减少产物的抑制作用。应器中不断流出，可减少产物的抑制作用。 缺点：缺点：只适用于可溶性底物，胶态底只适用于可溶性底物，胶态底物和不溶性底物不能使用；物和不溶性底物不能使用； 温度和温度和pHpH值难以控制；值难以控制；底物和底

7、物和产物会产生轴向浓度分布；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；清洗和更换部分固定化酶较麻烦； 床内压力降较大，底层固定化酶颗粒所受压力较大易引起酶床内压力降较大，底层固定化酶颗粒所受压力较大易引起酶颗粒的变形或破碎。颗粒的变形或破碎。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器3. 3. 流化床式反应器流化床式反应器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 先将颗粒状固定化酶置于反应器中先将颗粒状固定化酶置于反应器中,底物溶底物溶液以一定的流速从反应器的底部连续通入，固液以一定的流速从反应器的底部连续通入，固定化酶依

8、靠流体的作用在保持悬浮翻动状态下定化酶依靠流体的作用在保持悬浮翻动状态下进行催化反应，反应液同时从反应器的顶部连进行催化反应，反应液同时从反应器的顶部连续排出。续排出。 流化床式反应器具有混合均匀，传质传热流化床式反应器具有混合均匀，传质传热效果好，温度和效果好，温度和pH值容易控制，压力降较小，值容易控制，压力降较小，不易堵塞，能处理粘度较高的反应液等优点。但固定化酶在使不易堵塞，能处理粘度较高的反应液等优点。但固定化酶在使用过程中始终处于悬浮翻动状态易导致结构破坏。此外，反应用过程中始终处于悬浮翻动状态易导致结构破坏。此外，反应液需保持一定的流速，动力成本高，且流体动力学参数复杂，液需保持

9、一定的流速，动力成本高，且流体动力学参数复杂，难以放大。难以放大。湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器4. 4. 鼓泡式反应器鼓泡式反应器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 将酶置于反应器中，底物溶液和气将酶置于反应器中，底物溶液和气体从反应器底部进入，气体产生大量气体从反应器底部进入，气体产生大量气泡，气泡在上升过程中起到提供反应底泡，气泡在上升过程中起到提供反应底物和混合作用，使酶和反应液在保持混物和混合作用，使酶和反应液在保持混合均匀状态下进行反应。合均匀状态下进行反应。 特点：特点：借助气体的鼓

10、泡作用既可达借助气体的鼓泡作用既可达 到反应体系的混合效果，同时也可提供酶催化反应所需的气体到反应体系的混合效果，同时也可提供酶催化反应所需的气体底物，另外也可以降低或消除挥发性产物对酶的抑制作用。此底物，另外也可以降低或消除挥发性产物对酶的抑制作用。此外，鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，传质传外，鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，传质传热效率高。热效率高。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器5. 5. 膜式反应器膜式反应器 膜式酶反应器是一种将酶的催化反应同膜的分离作用相结膜式酶反应器是一种将酶的催化反应同膜的分离作用

11、相结合的酶反应器。合的酶反应器。 A. . 固定化酶膜式反应器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，也可以将平板状的固定化酶置于相应的容器中装备而成，也可以是将酶直接固定在膜分离装置的各种多孔薄膜上制备而成。是将酶直接固定在膜分离装置的各种多孔薄膜上制备而成。 底物底物产物产物酶板酶板平板式平板式底物底物产物产物酶板酶板转盘式转盘式湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 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 底物溶液连

12、续进入到搅拌反应底物溶液连续进入到搅拌反应容器中与游离酶进行催化反应，反容器中与游离酶进行催化反应，反应后，酶与反应液一起进入膜分离应后，酶与反应液一起进入膜分离器进行分离。小分子的产物可透过器进行分离。小分子的产物可透过超滤膜而排出，酶和大分子底物被超滤膜而排出，酶和大分子底物被 截留。截留的酶和可以再循环使用，大分子底物则可以再进入反截留。截留的酶和可以再循环使用，大分子底物则可以再进入反应容器中与酶反应转化为产物。应容器中与酶反应转化为产物。 特点：特点：游离酶可回收利用，可消除产物抑制作用，可提高底游离酶可回收利用，可消除产物抑制作用，可提高底物转化率。但产时间使用会导致酶吸附损失，影

13、响膜的分离性能。物转化率。但产时间使用会导致酶吸附损失，影响膜的分离性能。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器6. 6. 喷射式反应器喷射式反应器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 利用高压蒸汽的喷射作用实利用高压蒸汽的喷射作用实现酶与底物的混合，进行高温短现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应的一种反应器。时催化反应的一种反应器。 特点：特点：结构简单，体积小，混合均匀，温度高，催化反应结构简单，体积小，混合均匀，温度高，催化反应速度快，催化效率高，可在短时间内完成催化反应。适用于游速度快，催化效率高，可在

14、短时间内完成催化反应。适用于游离酶的连续催化反应，但只能用于那些耐高温酶的催化反应，离酶的连续催化反应，但只能用于那些耐高温酶的催化反应，且酶一般不能回收利用。且酶一般不能回收利用。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器二、酶反应器的选型与设计二、酶反应器的选型与设计（一）酶反应器类型的选择（一）酶反应器类型的选择1. 1. 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2. 2. 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3. 3. 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湖北工

15、业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器（二）酶反应器的设计（二）酶反应器的设计1. 1. 酶反应器类型的确定酶反应器类型的确定2. 2. 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3. 3. 物料平衡计算物料平衡计算4. 4. 热量平衡计算热量平衡计算5. 5. 设备材料的选择设备材料的选择6. 6. 反应器结构的设计反应器结构的设计7. 7. 反应器数目计算反应器数目计算湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器三、酶反应器的操作三、酶反应器的操作1. 1. 反应温度的调节控制反应温度的调节控

16、制2. 2. pH的调节控制的调节控制3. 3. 底物浓度的调节控制底物浓度的调节控制4. 4. 酶浓度的调节控制酶浓度的调节控制5. 5. 反应液混合程度的调节控制反应液混合程度的调节控制6. 6. 物料流加速率的调节控制物料流加速率的调节控制7. 7. 微生物污染的控制微生物污染的控制湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器第二节第二节 酶传感器酶传感器 传感器是一种信息获取与处理的装置传感器是一种信息获取与处理的装置，有时也称为换能器、，有时也称为换能器、变换器、变送器或监测器，变换器、变送器或监测器，是能感受规定的被测量并按照一定是能感受规

17、定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出的规律转换成可用输出信号的信号的器件或装置，它通常由器件或装置，它通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。其中组成。其中，敏感元件是指能直接感测或响敏感元件是指能直接感测或响应被测应被测量的部件量的部件，转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出被测量转换成可用的输出信号（通信号（通常是电信号常是电信号) )的部件。的部件。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器 传感器种类繁多，应用传感器种类繁多，应用广泛广泛。按检测对象。按检测

18、对象( (被测量被测量) )划分，划分，基本上可分为基本上可分为物理传感器物理传感器和和化学传感器化学传感器两大两大类。物理传感器是类。物理传感器是检测热、光、磁、力等物理量的传感器检测热、光、磁、力等物理量的传感器。化学传感器则是能检化学传感器则是能检测化学量的传感器。测化学量的传感器。生物传感器生物传感器(biose(biosensors)nsors)是一类特殊的化是一类特殊的化学传感器学传感器，这类传感器的诞生以第一个酶电，这类传感器的诞生以第一个酶电极极葡萄葡萄糖电极的糖电极的出现为标志，出现为标志，19671967年年，由由UpdikeUpdike和和HicksHicks根据根据Cl

19、arkClark等等 19621962年年最先提出的酶电最先提出的酶电极的设想极的设想制造出制造出来来。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器一、生物传感器概述一、生物传感器概述1.1.生物传感器的基本概念与分类生物传感器的基本概念与分类 生物传感器是指以固定化的生物材料（酶生物传感器是指以固定化的生物材料（酶、抗原抗原、抗体抗体、激素激素、DNADNA、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，与适当的转换元元件件结合所构成的一类传感器。结合所构成的一类传感器。 （1 1）根据输出信号的产生方式：生物亲和型、代谢型）根

20、据输出信号的产生方式：生物亲和型、代谢型 （2 2）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、细胞器酶传感器、细胞器传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、基因传传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、基因传感器等感器等 （3 3）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、半导电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、体生物传感器、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 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器2.2.生物传感器的一般结构与工作原理生物传感器的一般结构与

21、工作原理生物分子识别元件生物分子识别元件 + + 信号转换器信号转换器（1 1） 将化学信号转换为电信号。将化学信号转换为电信号。（2 2） 将热变化将热变化转换为电信号。转换为电信号。（3 3） 将光效应将光效应转换为电信号。转换为电信号。（4 4） 直接产生电信号。直接产生电信号。工作原理工作原理湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器3.3.生物传感器的特点生物传感器的特点优点：优点： （1 1）测定过程简单测定过程简单。 （2 2）体积小体积小，携带方便，携带方便，可以实现连续检测、在线检测、可以实现连续检测、在线检测、在位检测、在体检测。

22、在位检测、在体检测。 （3 3）响应快响应快，样品用量少样品用量少，可以反复多次使用可以反复多次使用。 （4 4）传感器传感器连同测定仪的连同测定仪的成本成本远低于远低于大型分析仪器大型分析仪器，便便于推广使用于推广使用。 缺陷性：缺陷性：（1 1）工作条件苛刻。）工作条件苛刻。（2 2）响应时间比单独换能器的响应时间要长得多。）响应时间比单独换能器的响应时间要长得多。（3 3）长期稳定性、可靠性、一致性、批量生产工艺等。）长期稳定性、可靠性、一致性、批量生产工艺等。湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器二、酶传感器二、酶传感器 以酶作为分子识别

23、元件上的敏感材料，同各种不同的转以酶作为分子识别元件上的敏感材料，同各种不同的转换器结合所构成的一类生物传感器，称为酶传感器。根据信换器结合所构成的一类生物传感器，称为酶传感器。根据信号转换器的不同，酶传感器主要有：号转换器的不同，酶传感器主要有：酶电极传感器酶电极传感器、离子敏离子敏场效应晶体管酶传感器场效应晶体管酶传感器、热敏电阻酶传感器热敏电阻酶传感器、光纤酶传感器光纤酶传感器和和声波酶传感器声波酶传感器等几类。等几类。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器（一）酶电极传感器（一）酶电极传感器 酶电极是由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、

24、氧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。化还原电极等电化学电极组合而成的生物传感器。 1. 1. 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。 （1 1） 离子选择性电极离子选择性电极 pHpH电极、氨气酶电极、二氧化碳气敏电极、碘电极电极、氨气酶电极、二氧化碳气敏电极、碘电极（2 2） 氧化还原电极氧化还原电极2. 2. 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发生氧化或还原电解检测酶促反应底物或产物在电极上发生氧化或还原电解反应所产生的电流信号

25、。反应所产生的电流信号。 氧电极。氧电极。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器（二）离子敏场效应晶体管酶传感器（二）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合而构成的酶敏场效应晶体管结合而构成的酶传传感器。感器。 离子敏场效应晶体管酶传感离子敏场效应晶体管酶传感器就是将酶膜固定在离子敏场效器就是将酶膜固定在离子敏场效应晶体管栅极的应晶体管栅极的离子敏感膜上，离子敏感膜上，测量时测量时，由于酶的催化作用由于酶的催化作用，使使待测待测物物反应生成反应生成相应的产物。当相应的产物。当反应反应中的底物或产物含有离子

26、敏中的底物或产物含有离子敏场效应晶体管能够响应的离子场效应晶体管能够响应的离子时，则可利用时，则可利用离子敏场效应离子敏场效应晶体管晶体管检测底物离子或产物离子的变化量，从而可检测出检测底物离子或产物离子的变化量，从而可检测出溶液中溶液中待测待测物的含量。物的含量。湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器（三）热敏电阻酶传感器（三）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而成的一种酶和热敏电阻组合而成的一种酶传感器。传感器。 热敏电阻是指随温度变化其热敏电阻是指随温度变化其电阻值有极大变化的特殊电阻电阻值有极大变化的特殊电阻器器 。在在

27、酶催化底物反应过程中酶催化底物反应过程中，都会伴随着放热或吸热的热量变都会伴随着放热或吸热的热量变化化( (焓焓变化变化) )，尽管这一尽管这一热量变化热量变化不是很显著，但足以引起不是很显著，但足以引起热敏电热敏电阻阻阻值的变化阻值的变化。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具的强弱与底物浓度具有相关性。有相关性。 湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器（四）光纤酶传感器（四）光纤酶传感器 以以酶酶作为分子识别物，与光纤结合所构成的一种酶传作为分子识别物，与光纤结合所构成的一种酶传感器感器。 其基本原理就是将酶催化反

28、应过程中的物质变化量其基本原理就是将酶催化反应过程中的物质变化量转换为光学变化量进行输出，从而对被测物含量进行检测。转换为光学变化量进行输出，从而对被测物含量进行检测。 光纤酶传感器的核心部件是光纤探头，由酶膜和光纤光纤酶传感器的核心部件是光纤探头，由酶膜和光纤组成。酶膜可附着在光纤的端面，也可附着在光纤的表面组成。酶膜可附着在光纤的端面，也可附着在光纤的表面上。上。湖北工业大学湖北工业大学酶工程酶工程第九章第九章 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器 测定时将光纤探头插入待测溶液中，由于酶催化反应产测定时将光纤探头插入待测溶液中，由于酶催化反应产生底物或产物的含量变化，引起膜层光学特性的改变，当一生底物或产物的含量变化，引起膜层光学特性的改变，当一定波长的入射光通过光纤传至探头膜层时，就会产生各种光定波长的入射光通过光纤传至探头膜层时，就会产生各种光学信息，如紫外光、可见学信息，如紫外光、可见光及红外光的吸收和反射，光及红外光的吸收和反射，荧光、磷光、化学发光和荧光、磷光、化学发光和生物发光、