国科大研一课程学习酶工程第七章

1、第七章 酶反应器和酶传感器制作：李明顺讲授内容1、什么是酶反应器2、理想的酶反应器的要求3、各种酶反应器的特点4、酶反应器的选择和使用GoGoGoGo5、酶反应器的设计Go7.1 什么是酶反应器 酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器 (Enzyme reactor) 。作用：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。与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能较少。 与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再生）酶催化反应过程示意图

2、过程调控生物反应器 消毒原料预处理 产物分离提纯 产品生物催化剂制备空气除菌能量热量7.2 理想的酶反应器的要求生物反应器设计的主要目标：使产品的质量最高，生产成本最低。评价生物反应器的主要标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低。(4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。(1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。(2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。(3) 应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。常见的酶反应器类型按结构区分搅拌罐式反应器（

3、Stirred Tank Reactor, STR）鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )固定床式反应器(packed column reactor, PCR )流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)膜反应器(Membrane Reactor, MR) (1)搅拌罐式酶反应器A.分批搅拌罐式酶反应器又称为批量反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。 优点是：装置较简单，造

4、价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶。又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒底物溶液进口 反应液出口 (1)搅拌罐式酶反应器B.连续搅拌罐式酶反应器(2

5、) 固定床反应器填充床反应器（Packed Reactor,PBR）,又称固定床反应器。将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）。优点是：高效率、易操作、结构简单等，因而，PBR是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。缺点是：传质系数和传热系数相对较低。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PBR。(3) 流化床反应器流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）：装有较小颗粒的垂直

6、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。流体的混合程度介于CSTR和PBR之间。 特点是：FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。(4) 鼓泡式反应器鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)是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合两种作用的一类反应器。也是一种无搅拌装置的反应器。鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。在使用鼓泡式反应器

7、进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。鼓泡式反应器的结构简单，操作容易, 剪切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给二氧化碳等。 (5) 膜反应器膜反应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的一种生物反应器。膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种

8、形状。常用的是中空纤维反应器。连续搅拌罐超滤膜反应器 简称CSTR-UFR。在CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤器。可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分子底物。游离酶在膜反应器中进行催化反应时，底物溶液连续地进入反应器，酶在反应容器的溶液中与底物反应，反应后，酶与反应产物一起，进入膜分离器进行分离，小分子的产物透过超滤膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循环使用。回本章目录流加分批式(6) 喷射式反应器喷射式反应器（）是利用高压蒸汽的作用实现酶和底物的混合，进行高温短时催化反应的一种反应器。可以用于游

9、离酶的催化反应。优点：结构简单，体积小，物料混合效果好，温度高，反应速度快，效率高。缺点：耐高温的酶。7.3 各种酶反应器的特点反应器类型适用的操作方式适用的酶特点搅拌罐式反应器分批式,流加分批式连续式,游离酶固定化酶反应比较完全，反应条件容易调节控制。填充床式反应器连续式固定化酶密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。流化床反应器分批式流加分批式连续式固定化酶流化床反应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应。反应器类型适用的操作方式适用的酶 特点鼓泡式反应器分批式流加分批式连续式游离酶固定化酶鼓泡式反应器的

10、结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适合于有气体参与的反应。膜反应器连续式游离酶固定化酶清洗比较困难 喷射式反应器连续式游离酶通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶的反应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NADH再生为NAD。依靠半透膜能将NAD保留在反应器内，实现了NAD的再生与循环使用。酶反应器的发展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

11、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，特别是产物对酶的抑制作用。3. 固定化多酶反应器多种酶固定化后，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。7.4 酶反应器的选择和使用影响

12、酶反应器选择的因素很多，但一般可以从以下几个方面考虑：酶的形式(游离/固定化)固定化酶的形状底物的物理性质酶反应动力学性质酶的稳定性操作要求反应器制造、控制成本 通常颗粒状、片状、膜状或纤维状固定化酶均可采用填充床反应器（PBR），而颗粒状、粉末状及片状固定化酶均可使用于连续式搅拌罐（CSTR），膜状固定化酶要用螺旋卷膜式反应器。 在应用游离酶进行催化反应时，酶与底物均溶解在反应溶液中，通过互相作用，进行催化反应。可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射式反应器等。 可溶性底物适用于所有的反应器。难溶底物或者底物溶液呈胶体状者，易堵塞柱床，可选用FBR。颗粒状底物溶液可适用于CST

13、R。当反应过程需要控制温度、调节pH时，选用CSTR更为方便。 在反应器操作过程中，由于搅拌或液流的剪切作用，常会使酶从载体上脱落下来，或者由于磨损而使粒度变细，从而影响了固定化酶的操作稳定性。酶反应器使用中应注意的问题酶的稳定性对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要用酸或碱来调节反应液PH。如果局部的pH过高或过低，就会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这时，可用加快搅拌已促使混合均匀。如果底物和产物在反应器中不够稳定的话，可以采用高浓度的酶，以减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。防止微生物污染酶反应器操作中，生产能力逐渐降低，主要原因是固定化酶活性降低或

14、损失。造成固定化酶活性损失的原因：（1）酶本身的失活；（2）酶从载体上脱落；（3）载体的破碎或溶解。7.5 酶反应器的设计1、确定酶反应器的类型酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并确定反应器的类型。2、确定反应器的制造材料由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都是在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。3、进行热量衡算酶催化反应一般在3070的常温条件下进行，所以热量衡算并不复杂。温度的调节控制也较为简单，通常采用一定温度的热水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，进行温度

15、的调节控制，热量衡算是根据热水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。4、进行物料衡算（原料，中间产物，最终产物，副产物）酶反应动力学参数/底物用量/酶量/反应体积/反应器数量7.6 思考题1、酶反应器的主要类型有哪些？各有什么特点2、怎样选择最适酶反应器？ 3、酶反应器的设计的主要步骤一生物传感器的概念通常是指由一种生物敏感元件（酶，抗原，抗体，激素，DNA，细胞，组织等）和转化元件紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。二 什么是生物传感器生物传感器的工作原理是待测物质

16、经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。二 生物传感器的工作原理酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减.用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器.常用转换装置有氧电极、过氧化氢。1. 将化学变化转变成电信号(1) 葡萄糖氧化酶电极 氧电极 D-葡萄糖O2D-葡萄糖酸-内酯H2O2 酶膜：聚丙烯酰胺凝胶包埋法固定化葡萄糖氧化酶 氧电极：测定反应耗氧所引起的浓度变化 铂电

17、极D-葡萄糖O2D-葡萄糖酸-内酯+ H2O2 H2O22H+O2 铂电极测量氧的产生量 2 . 将热变化转换成电信号 固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化.例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻（铁，钴，钛等金属氧化物构成的半导体）转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中.3 . 将光信号转变为电信号酶膜附着在光纤的表面，由于酶催化反应产生底物或产物的含量变化，引起膜层光学性质变化。很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光.也可以用这种方法测定底物浓度.生物发光系统O2ATP还原型萤光素AMP

18、+PPi+氧化型萤光素+CO2+h（萤光虫萤光素酶）在一定范围内，发射光(max=560nm)光强度与ATP浓度成正比4 . 直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生.根据所得的电流量即可得底物浓度.1 . 酶传感器以酶作为分子识别元件的敏感材料，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。二 生物传感器类型2 . 组织传感器组织传感器是以动植物组织薄片中的生物催化层与基础敏感膜电极结合而成,该催化层以酶为基础, 基本原理与酶传感器相同.与酶传感器比较，组织传感器具有如下优点：1. 酶活性较游离酶高.2. 酶的稳定性增大.3. 材料易于获得.3. 微