生物技术制药 课件 第六章 酶工程制药

第六章酶工程制药概述；酶和细胞的固定化；固定化酶和固定化细胞的反应器；酶工程研究进展；酶工程制药实例。第一节概述酶工程简介；酶的来源；酶的生产菌；酶在医药领域的应用。一酶工程简介酶工程：以应用的目的出发研究酶、应用酶的特异性催化功能并通过工程化将相应原料转化成有用物质的技术。研究内容：酶的分离、提纯、批量生产；固定化及酶反应器；酶生产中基因工程技术的应用及遗传修饰酶研究;酶分子改造与化学修饰及酶结构与功能间的关系；有机相中酶反应的研究；酶的抑制剂、激活剂的开发与应用研究；抗体酶、核酸酶的研究；模拟酶、合成酶及人工酶。酶在医药领域的应用疾病诊断：测体内原有酶活力——肝炎；用酶测定某些物质的量——糖尿病。疾病治疗：举例？药物生产：利用酶的催化作用将前体物质转变为药物：利用青霉素酰化酶制造半合成青霉素和头孢霉素、利用蛋白酶和羧肽酶将猪胰岛素转化为人胰岛素。分析检测：以酶的专一性为基础，酶作用后物质的变化为依据。1、通过酶活力变化进行疾病诊断酶疾病与酶活力变化淀粉酶胰脏疾病，肾脏疾病时升高；肝病时下降胆碱酯酶肝病、肝硬化、有机磷中毒、风湿等，活力下降酸性磷酸酶前列腺癌、肝炎、红血球病变时，活力升高碱性磷酸酶佝偻病、软骨化病、骨瘤、甲状旁腺机能亢进时，活力升高；软骨发育不全等，活力下降谷丙转氨酶/谷草转氨酶肝病、心肌梗塞等，活力升高γ-谷氨酰转肽酶（γ-GT）原发性和继发性肝癌，活力增高至200单位以上，阻塞性黄疸、肝硬化、胆道癌等，血清中酶活力升高醛縮酶急性传染性肝炎、心肌梗塞，血清中酶活力显著升高胃蛋白酶胃癌，活力升高；十二指肠溃疡，活力下降磷酸葡糖变位酶肝炎、癌症，活力升高乳酸脱氢酶肝癌、急性肝炎、心肌梗塞，活力显著升高；肝硬化，活力正常端粒酶癌细胞中含有端粒酶，正常体细胞内没有端粒酶活性山梨醇脱氢酶（SDH）急性肝炎，活力显著提高脂肪酶急性胰腺炎，活力明显增高，胰腺癌、胆管炎患者，活力升高肌酸磷酸激酶（CK）心肌梗塞，活力显著升高；肌炎、肌肉创伤，活力升高α－羟基丁酸脱氢酶心肌梗塞、心肌炎，活力增高磷酸己糖异构酶急性肝炎，活力极度升高；心肌梗塞、急性肾炎，脑溢血，活力明显升高鸟氨酸氨基甲酰转移酶急性肝炎，活力急速增高；肝癌，活力明显升高乳酸脱氢酶同工酶心肌梗塞、恶性贫血，LDH1增高；白血病、肌肉萎缩，LDH2增高；白血病、淋巴肉瘤、肺癌，LDH3增高；转移性肝癌、结肠癌，LDH4增高；肝炎、原发性肝癌、脂肪肝、心肌梗塞、外伤、骨折，LDH5增高葡萄糖氧化酶测定血糖含量，诊断糖尿病亮氨酸氨肽酶（LAP）肝癌、阴道癌、阻塞性黄疸，活力明显升高2、用酶测定物质的量的变化进行疾病诊断

酶测定的物质用途葡萄糖氧化酶葡萄糖测定血糖、尿糖，诊断糖尿病葡萄糖氧化酶+过氧化物酶葡萄糖测定血糖、尿糖，诊断糖尿病尿素酶尿素测定血液、尿液中尿素的量，诊断肝脏、肾脏病变谷氨酰胺酶谷氨酰胺测定脑脊液中谷氨酰胺的量，诊断肝昏迷、肝硬化胆固醇氧化酶胆固醇测定胆固醇含量，诊断高血脂等DNA聚合酶基因通过基因扩增，基因测序，诊断基因变异、检测癌基因PKU苯丙酮尿症脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商0－50苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病体检表中有关酶的选项3、酶在疾病治疗方面的应用酶名来源用途淀粉酶胰脏、麦芽、微生物治疗消化不良，食欲不振蛋白酶胰脏、胃、植物、微生物治疗消化不良，食欲不振，消炎，消肿，除去坏死组织，促进创伤愈合，降低血压脂肪酶胰脏、微生物治疗消化不良，食欲不振纤维素酶霉菌治疗消化不良，食欲不振溶菌酶蛋清、细菌治疗各种细菌性和病毒性疾病尿激酶人尿治疗心肌梗塞，结膜下出血，黄斑部出血链激酶链球菌治疗血栓性静脉炎，咳痰，血肿，下出血，骨折青霉素酶蜡状芽孢杆菌治疗青霉素引起的变态反应L-天冬酰胺酶大肠杆菌治疗白血病超氧化物歧化酶微生物，植物，动物预防辐射损伤，治疗红斑狼疮，皮肌炎，结肠炎凝血酶动物，蛇，细菌，酵母等治疗各种出血病胶原酶细菌分解胶原，消炎，化脓，脱痂，治疗溃疡右旋糖酐酶微生物预防龋齿胆碱酯酶细菌治疗皮肤病，支气管炎，气喘溶纤酶蚯蚓溶血栓弹性蛋白酶胰脏治疗动脉硬化，降血脂核糖核酸酶胰脏抗感染，祛痰，治肝癌尿酸酶牛肾治疗痛风溶菌酶栓溶酶类与心血管疾病凝血酶健美生消化酶—帮助肠胃蠕动【成分(每片含)】1)消化蛋白质：木瓜蛋白酶50毫克、菠萝蛋白酶30毫克；2)消化脂肪：脂肪酶30毫克；3)消化碳水化合物/淀粉：淀粉酶50毫克；4)消化乳制品：乳糖酶30毫克；5)消化纤维：纤维素酶15毫克。另含：能抑制过多胃酸的葡萄糖酸钙，能缓解反胃薄荷叶和茴香【适用人群】·消化不良者·肠胃疾病患者·大病初愈者消化酶类SOD

美国医学家W·F·安德森等人对腺苷脱氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，是世界上第一个基因治疗成功的范例。1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩谢德尔进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，这种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活。谢德尔，19994、酶在药物制造方面的应用

酶主要来源用途青霉素酰化酶微生物制造半合成青霉素和头孢菌素11-β-羟化酶霉菌制造氢化可的松L-酪氨酸转氨酶细菌制造多巴（L-二羟苯丙氨酸）β-酪氨酸酶植物制造多巴α-甘露糖苷酶链霉菌制造高效链霉素核苷磷酸化酶微生物生产阿拉伯糖腺嘌呤核苷（阿糖腺苷）酰基氨基酸水解酶微生物生产L-氨基酸5’-磷酸二酯酶桔青霉等微生物生产各种核苷酸多核苷酸磷酸化酶微生物生产聚肌胞，聚肌苷酸无色杆菌蛋白酶细菌由猪胰岛素（Ala-30）转变为人胰岛素（Thr-30）核糖核酸酶微生物生产核苷酸蛋白酶动物、植物、微生物生产L-氨基酸β-葡萄糖苷酶黑曲霉等微生物生产人参皂甙-Rh2青霉素酰化酶与抗生素改造Iressa艾若萨(ZD1839)阿斯利康公司苯胺喹啉化合物（anilinoquinazoline）强效EGFR（表皮生长因子受体）酪氨酸激酶抑制剂。对癌细胞的增殖、生长、存活的信号转导通路起阻断作用。增加PPD、Taxel、Doxtaxel、ADM治疗NSCLC有效率9～20％不良反应：皮疹、恶心、呕吐、腹泻。增生X¯凋亡血管生成转移

细胞膜

癌细胞ZD1839

EGF

TGFa

XXX细胞核激酶XZD1839:作用机制第二节酶的固定化固定化酶定义；固定化酶的特点；酶固定化方法；固定化过程中对载体的要求；固定化方法与载体的选择依据；固定化酶的性质；评价固定化酶的指标；固定化酶在生产上的应用。生物催化剂作用方式示意固定化酶的发展史均相（水溶液中）酶反应系统的缺点：只能一次性使用；增加产品分离的难度和费用，影响产品质量；溶液酶不稳定，容易变性和失活。对策：将酶制成既能保持其原有催化活性、性能稳定又不溶于水的固形物——固定化酶。一固定化酶定义1971年国际酶工程会议上提出；固定化酶：是指限定或固定于特定空间位置的酶，具体来说，是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失，而又能发挥催化作用的酶制剂。酶的固定化：制备固定化酶的过程。什么是固定化酶？水溶性酶水不溶性载体水不溶性酶（固定化酶）固定化技术二固定化酶的特点优点：较长时间、多次使用，多数稳定性提高；反应结束后易分离，产物易纯化，产品质量高；反应条件易于控制；酶利用效率高；更适于多酶反应。缺点：固定时，活力有损失；成本；只适于可溶性底物，较适于小分子底物。三酶固定化方法载体结合法；交联法；包埋法。第七章酶工程制药第30页，共114页酶的固定化方法（一）载体结合法载体结合法：将酶结合到不溶性载体上，根据结合形式的不同，分为以下三类：物理吸附法：用物理方法将酶吸附于不溶性载体上；离子结合法：酶通过离子键结合于具有离子交换基的水不溶性载体上；共价结合法：酶以共价键结合于载体上，酶分子上非活性部位功能团与载体表面活泼基团间发生化学反应形成共价键。1物理吸附法物理吸附法：物理方法吸附；常用载体：无机载体：氧化铝、活性碳、皂土、硅藻土、金属氧化物、硅胶。一般吸附量<1mg蛋白/克吸附剂；有机载体：淀粉、白蛋白等。一般吸附量几十毫克蛋白/克吸附剂；研究热点：大孔型合成树脂、陶瓷。2离子结合法离子结合法：酶通过离子键结合于具有离子交换基的水不溶性载体上；常用载体：DEAE-纤维素，DEAE-葡聚糖凝胶；使用注意：pH、离子强度、温度。3共价键结合法(共价偶联法Covalentcouplingorcovalentbinding)：纤维素琼脂糖胶葡聚糖凝胶甲壳质氨基酸共聚物甲基丙烯醇共聚物常用载体芳香氨基羟基羟甲基氨基载体上的功能基团酶分子上的非必需侧链基团游离氨基胍基酚羟基巯基咪唑基羟基由于载体上的功能基团与酶分子上的侧链基团间不具有直接反应的能力，因此在偶联反应前，需先进行载体活化，在载体上引进某种活泼基团，然后此活泼基团再与酶分子上某一基团反应形成共价结合。载体活化的方法：重氮法；叠氮法；溴化氰法；烷基化反应法；异硫氰酸法。重氮法：

这是带芳香氨基载体的主要反应，即载体先用亚硝酸处理成重氮盐衍生物，然后再在温和的条件下和酶分子上相应的基团如酚羟基、咪唑基或氨基直接进行偶联。（见示意图）叠氮法：适用于含羟基、羧甲基等的载体。以羧甲基纤维素为例，可先在酸等作用下转变为叠氮衍生物，这种产物能在低温、pH7.5—8.5的情况下和酶的氨基直接偶联。但叠氮衍生物也能和羟基、酚羟基或巯基反应。溴化氰法：带羟基的载体如纤维素、葡聚糖和琼脂糖等常用的反应。在碱性条件下载体羟基和溴化氰反应生成极活泼的亚氨碳酸基，它在弱碱中可直接和酶的氨基进行共价偶联反应（见示意图）烷基化法：含羟基的载体也可在碱性条件下和均三氯三嗪(triazinyl)等反应，在引入活泼的卤素后能直接与酶的氨基、酚羟基或巯基等偶联。（见示意图）异硫氰酸法：含芳香氨基的载体也可先用硫光气处理成异硫氰酸(或异氰酸)盐的衍生物，这样得到的产物极易在温和条件下和酶分子的氨基反应。由于在中性pH条件下优先和α-氨基反应，因此可进行选择性偶联。（见示意图）共价结合法特点：优点：结合很牢固，酶不会脱落，可以连续使用较长时间。缺点：载体活化的操作复杂，可能影响酶的空间构象而影响酶的催化活性。（二）交联法(crosslinking)定义：利用双功能试剂或多功能试剂(bifunctionalormulti-functional)在酶分子间，酶分子与惰性蛋白间，或酶分子与载体间进行交联反应，以共价键制备固定化酶的方法；交联法有2种形式：酶直接交联法；酶辅助蛋白交联。常用双功能和多功能试剂：双功能试剂：戊二醛、双重氮联苯胺-2-2’-二磺酸；多功能试剂：甲苯-2-异氰-4-异硫氰。其中最常用的是戊二醛：酶直接交联法：在酶液中加入适量多功能试剂，使其形成不溶性衍生物；酶辅助蛋白交联：为避免分子内交联和在交联过程中因化学修饰而引起酶失活，可使用第二个“载体”蛋白质；吸附交联法：先将酶吸附在硅胶、球状酚醛树脂或其他大孔型离子交换树脂上，再用戊二醛等双功能试剂交联。用此法所得固定化酶也可称为壳状固定化酶。交联包埋法：把酶液和双功能试剂（戊二醛）凝结成颗粒很细的集合体，然后用高分子或多糖一类物质进行包埋成颗粒。这样避免颗粒太细的缺点，同时制得的固定化酶稳定性好。（三）包埋法（entrappingmethod）定义：将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法称为包埋法。包埋法分为：网格型；微囊型；脂质体包埋。包埋常用载体：琼脂、聚丙烯酰胺、琼脂糖、角叉菜胶等。1网格型概念：将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中，制成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法（凝胶包埋法）。2微囊型包埋法将酶包埋在各种高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶。由于固定化形成的酶小球直径一般只有几微米至几百微米，所以也称为微囊化法。微囊化法制备固定化酶的方法界面沉淀法；界面聚合法；脂质体包埋方法；纤维包埋法。①界面沉淀法一种简单的物理法，利用某些高聚物在水相和有机相的界面上溶解度较低而形成的皮膜将酶包埋；优点：条件温和，酶失活少；缺点：完全除去膜上残留的有机溶剂很麻烦。②界面聚合法用化学手段制备，利用油水界面上发生聚合反应形成聚合体而将酶包裹起来。脂质体包埋脂质体是指具有脂双层结构和一定包囊空间的微球体；将酶包埋于脂质体(Liposome)中的方法。特点：具有一定的机械性能，能定向将酶等被包裹物携带到体内特定部位，然后将被包裹物质释放。因此，其在药物应用方面受到重视。（四）固定化酶方法研究热点热处理法（选择性热变性法）：将含酶细胞在一定温度下加热处理一段时间，使细胞膜蛋白变性但不使酶变性，酶固定在菌体内；结晶法；分散法。各类固定化方法的特点比较:

比较项目吸附法结合法交联法包埋法物理吸附.共价键结合离子键结合制备难易易难易较难较难固定化程度弱强中等强强活力回收率较高低高中等高载体再生可能不可能可能不可能不可能费用低高低中等低底物专一性不变可变不变可变不变适用性酶源多较广广泛较广小分子底物、药用酶四固定化酶的性质经固定化后，酶分子处在一个与游离态酶完全不同的微环境中，微环境的许多性质会影响酶原有的性质。酶活性；酶稳定性；最适温度；最适pH；底物特异性；米氏常数。（一）固定化对酶活性的影响酶活性下降，反应速度下降。原因：空间构象变化——影响活性中心；空间位阻——定位；内扩散阻力等因素。（二）固定化对酶稳定性的影响固定化对酶稳定性的影响：热稳定性；蛋白酶水解作用稳定性；对变性试剂作用的稳定性；保藏稳定性。稳定性提高的原因：酶分子与载体多点连接；酶活力的释放是缓慢的；抑制自降解，提高了酶稳定性。（1）热稳定性：固定化酶热稳定性较之天然酶提高。如氨基酸酰化酶（见示意图）

(2)对蛋白酶水解作用稳定性：固相酶比天然酶有更强的抵抗蛋白酶水解作用的能力。（见示意图）

(3)对变性试剂作用的稳定性：固相酶对各种蛋白变性剂的稳定性，一般都比天然酶强。（见示意图）(4)保藏稳定性：固相酶比天然酶保存的时间更长。

如：天然胰凝乳蛋白酶在pH4.1，4℃保存4个月，残留活力仅为原活力的2%。偶联于琼脂糖后，在同样条件下，却可保存82%的活力，因此固相酶有利于运输、贮存和重复使用。（三）最适温度：

(1)固相酶的最适温度一般比天然酶高，个别会有所降低。例如：用重氮法制备的固定化胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶，其作用的最适温度比游离酶高5～10℃；

以共价结合法固定化的色氨酸酶，其最适温度比游离酶高5～15℃。

(2)同种酶，采用不同的方法或不同载体固定化后，其最适温度可能不同。

如：氨基酰化酶用DEAE—葡聚糖凝胶经离子键结合法固定化后，其最适温度(72℃)比游离酶的最适温度(60℃)提高12℃；用DEAE—纤维素固定化，其最适温度(67℃)比游离酶提高7℃；用烷基化法固定化的氨基酰化酶，其最适温度却比游离酶则有所降低。（四）最适pH：影响固定化酶最适PH的因素主要有两个：载体性质对最适pH影响：最适pH比游离酶最适pH高；载体带正电荷，最适pH比游离酶最适pH低；载体不带电荷，最适pH一般不变。产物性质对最适pH影响；产物为酸性时，固定化酶最适pH比游离酶的最适pH要高；产物为碱性时，固定化酶最适pH比游离酶的最适PH要低。产物为中性时，固定化酶最适pH不变。

（五）底物特异性：作用于小分子底物的酶类经固定化后，专一性基本不变；既可作用大分子也可作用小分子底物的酶类经固定化后专一性会发生变化。

如：胰蛋白酶既可作用于高分子的蛋白质，又可作用于低分子的二肽或多肽，固定在羧甲基纤维素上的胰蛋白酶，对二肽或多肽的作用保持不变，而对酪蛋白的作用仅为游离酶的3％左右。原因：固定化后导致的空间位阻引起的。

（六）米氏常数Km的变化：Km值随载体性质变化。由于分配效应：ρ=[Si]微环境/[S]宏观环境

Km'=Km/ρ(表观米氏常数)载体与底物带相同电荷，[Si]<[S],ρ<1,Km’>Km，固定化酶降低了酶的亲和力。载体与底物电荷相反，静电作用，[Si]>[S]，则ρ>1,Km‘<Km，固定化酶增强了酶的亲和力。五评价固定化酶的指标酶活力定义（IU)：？——计量单位酶比活定义（游离）？——品质的体现评价固定化酶的指标：固定化酶的比活力；操作半衰期；酶结合效率；酶活力回收率；相对酶活力。五评价固定化酶的指标1固定化酶的比活：每（克）干固定化酶所具有的酶活力单位，或：单位面积（cm2）的酶活力单位表示（酶膜、酶管、酶板）。2操作半衰期：衡量稳定性的指标。连续测活条件下固定化酶活力下降为最初活力一半所需要的时间（t1/2）。五评价固定化酶的指标3.4.或称偶联效率，活力保留百分数。5.相对酶活力：具有相同酶蛋白（或RNA）量的固定化酶活力与游离酶活力的比值。

固定化酶的活力测定方法介绍振荡测定法：称取一定量的固定化酶加入一定量的底物溶液，一边振荡或搅拌，一边进行催化反应取出一定量的反应液进行酶活力测定。酶柱测定法：将一定量的固定化酶装进具有恒温装置的反应柱中让底物溶液以一定的流速流过酶柱收集流出的反应液测定其中产物的生成量或底物的消耗量。

固定化酶的活力测定方法介绍连续测定法：利用连续分光光度法等测定方法可以对固定化酶反应液进行连续测定，从而测定固定化酶的酶活力。固定化酶的性质及其影响因素提要影响固定化酶性质的因素固定化酶的性质评价固定化酶的指标酶本身的变化载体的影响固定化对酶活性的影响固定化对酶稳定性的影响最适pH的变化最适温度变化底物特异性与游离酶不同米氏常数Km的变化评价指标活力测定方法六固定化酶在生产上的应用工业生产上的应用；分析化学中应用（生物传感器）；医药治疗上的应用（药物控释载体）；亲和色谱；环境保护；新能源开发中；基础理论研究。

1、固定化酶在工业生产中的应用：

(1)氨基酰化酶：世界上第一种工业化生产的固定化酶，生产成本仅为用游离酶生产成本的60％左右。(2)葡萄糖异构酶：世界上生产规模最大的一种固定化酶。将培养好的含葡萄糖异构酶的放线菌细胞用60～65℃热处理15min，该酶就固定在菌体上，制成固定化酶，用于连续生产果葡糖浆。此外，也可用吸附法、结合法、凝胶包埋法、交联法或双重固定化法等进行固定化。(3)天门冬氨酸酶：利用固定化细胞或固定化酶将延胡索酸转化生产天门冬氨酸。(4)青霉素酰化酶：这是在医药工业上广泛应用的一种固定化酶。可用多种方法固定化。1973年已用于工业化生产，用于制造各种半合成青霉素和头孢霉素。用同一种固定化青霉素酰化酶，只要改变pH等条件，就既可以催化青霉素或头孢霉素水解生成6-氨基青霉烷酸(6-APA)或7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)，也可以催化6-APA或7-ACA与其他的羧酸衍生物进行反应，以合成新的具有不同侧键基团的青霉素或头孢霉素。其他用于工业生产中的固定化酶见下表2、固定化酶在传感器方面的应用（1）酶传感器

酶传感器是由固定化酶与能量转换器(电极、场效应管、离子选择场效应管等)密切结合而成的传感装置，是生物传感器的一种。已广泛应用于临床诊断、工业发酵过程控制和环境监测等领域。其中研究最多、应用最广的是酶电极。（2）酶电极酶电极是由固定化酶与各种电极密切结合的传感装置。（3）葡萄糖氧化酶电极

1962年Clark和Lyons提出模型，1967年Updike和Hicks首先制造出葡萄糖氧化酶电极并把它用于葡萄糖的定量分析。（4）青霉素酶电极以固定化青霉素酶的酶膜与pH电极结合而成。将青霉素酶固定在聚丙烯酰胺凝胶或光交联树脂膜内，然后紧贴在玻璃(pH)电极上即成。当酶电极浸入含青霉素的溶液中时，青霉素酶催化青霉素水解生成青霉烷酸，引起溶液中氢离子浓度增加，通过pH电极测出pH值变化，即可测出样品溶液中青霉素的含量。3、固定化酶在医疗治疗上的应用：（1）作为治疗药物固定化酶由于其高稳定性，低免疫性，使其在作为治疗药物时，较之溶液酶，表现出极大的优势。（2）作为“人工脏器”用于除去有害的毒性物质及有潜在毒害作用的代谢尾产物：如清除尿毒症病人体内积累的尿素；除去(一种或多种)氨基酸，使需要这些物质的病变组织“饿死”。

第三节固定化酶和固定化细胞反应器什么是酶反应器；理想的酶反应器的要求；各种酶反应器的特点；酶反应器使用中应注意的问题；酶反应器的设计。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。酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。酶催化反应过程示意图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。3常见的酶反应器类型按结构区分搅拌罐式反应器（StirredTankReactor,STR）鼓泡式反应器(bubblecolumnreactor,BCR)填充床式反应器(packedcolumnreactor,PCR)流化床式反应器(FluidizedBedReactor,FBR)膜反应器(MembraneReactor,MR)按操作方式区分分批式反应(batch)连续式反应(continuous)流加分批式反应(feedingbatch)混合形式连续搅拌罐反应器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批搅拌罐反应器（BatchStirredTankReactor,BSTR）

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

分批搅拌反应器搅拌罐型连续流搅拌桶（罐）反应器固定床型（填充床反应器）；流化床反应器；连续搅拌桶-超滤反应器；循环反应器；膜式反应器；鼓泡塔型。

分批搅拌反应器反应器结构简单，不需要特殊装置，适于小规模试验。

连续流搅拌桶反应器

填充床反应器旋转填充床流化床反应器让适量的颗粒状酶悬浮于反应床中，不用搅拌器，而是底物向上流过固定酶床。

循环反应器高效内循环生物反应器（HCR）

连续搅拌桶-超滤反应器膜式反应器定义：由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器均称为膜式反应器；类型：直接接触式酶膜反应器、扩散型膜反应器和多相酶膜反应器。鼓泡塔型反应器适用对象：反应中涉及气体的吸收或产生；气体进入方式：与底物一起从底部进入，经过气体分散板分散；和循环液从底部以切线方向进入。反应器选择酶的形式：溶液酶；颗粒状或片状固定化酶；膜状和纤维状固定化酶。底物的物理性质：溶解性、颗粒物质和胶体物质；反应操作要求；酶的稳定性；应用、可塑性和成本。4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，可用加快搅拌以促使混合均匀。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损失。造成固定化酶活性损失的原因：酶本身的失活；酶从载体上脱落；载体的破碎或溶解。5酶反应器的设计：确定酶反应器的类型；确定反应器的制造材料：对材料没有特别要求，一般采用不锈钢制造即可。进行热量衡算：酶催化反应一般在30℃～70℃的常温条件下进行。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，进行温度的调节控制。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。进行物料衡算：酶反应动力学参数/底物用量/酶量/反应体积/反应器数量。第四节酶工程研究进展人工（模拟）酶：根据酶的作用原理，用各种方法人为制造的具有酶性质的催化剂；酶化学修饰：通过主链的切割、剪接和侧链基团的化学修饰对酶分子进行改造，以改变其理化性质及生物活性，提高酶稳定性，解除酶的抗原性，改变酶学性质，扩大其应用范围；有机相的酶反应：酶在具有有机溶剂存在的介质中所进行的催化反应，扩展了酶的应用。酶工程研究进展核酶（RNA酶）；脱氧核酶（DNA酶）；抗体酶：是抗体的高度选择性和酶的