第六章_固定化酶、固定化細(xì)胞

1、第七章第七章 固定化酶、固定化細(xì)胞固定化酶、固定化細(xì)胞 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 酶催化劑的優(yōu)點(diǎn)： 專一性強(qiáng)，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)速度較快。 弱點(diǎn)： 溶液酶在反應(yīng)后，分離困難，重復(fù)利用困難； 溶液酶穩(wěn)定性差，易失活。 1969出現(xiàn)了固定化酶技術(shù)。 固定化酶就是把原來游離的水溶性酶，固定于 某一局部的空間或者固定于載體上。 概述 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 發(fā)展歷史 1953年，德國，Grubhofer、Schleith，聚氨基 苯乙烯樹脂為載體，重氮法； 1969年，日本，千畑一郎，固定化氨基酰化 酶，從DL-氨基酸連續(xù)生產(chǎn)L-氨基酸

2、，首次 工業(yè)規(guī)模應(yīng)用固定化酶，促使酶工程作為一 個(gè)獨(dú)立的學(xué)科從發(fā)酵工程中脫離出來； 1971年，第一次國際酶工程會(huì)議確定固定化 酶統(tǒng)一英文名稱為Immobilized Enzyme。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 1973年，日本首次在工業(yè)上成功應(yīng)用固定化 大腸桿菌菌體中天門冬氨酸酶，由反丁烯二 酸連續(xù)生產(chǎn)L-天門冬氨酸。 1976年，法國首次用固定化酵母細(xì)胞生產(chǎn)啤 酒和酒精； 1978年，日本用固定化枯草桿菌細(xì)胞生產(chǎn)淀 粉酶，開始了固定化細(xì)胞產(chǎn)酶的先例。 1979年，固定化毛地黃細(xì)胞和長春花細(xì)胞成 功； 1982年，日本首次研究用固定化原生質(zhì)體生 產(chǎn)谷氨酸。 生物

3、工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 固定化酶： 酶的固定化：將酶和菌體與不溶性載體結(jié)合 的過程； 固定化酶：在一定空間內(nèi)呈閉鎖狀態(tài)存在的 酶，能連續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的酶可回收重 復(fù)使用； 概念發(fā)展 “水不溶酶”（water insoluble enzyme) “固相酶”（solid phase enzyme) 1971年第一屆國際酶工程會(huì)議正式采用“固 定化酶（immobilized enzyme)” 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 固定化酶的特點(diǎn) 具有生物催化劑的功能，又有固相催化劑的 功能。 可多次使用； 反應(yīng)后，酶底物產(chǎn)物易分開，產(chǎn)物中無殘 留

4、酶，易純化，產(chǎn)品質(zhì)量高； 反應(yīng)條件易控制； 酶的利用效率高； 比水溶性酶更適合于多酶反應(yīng)； 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 水溶性酶水不溶性載體 水不溶性酶 （固定化酶） 固定化技術(shù) 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 固定化酶生物反應(yīng)器 實(shí)際應(yīng)用中，固定化酶可以裝在反應(yīng)器中， 連續(xù)生產(chǎn)有利于生產(chǎn)的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)率。 鑒于此，70年代以來，該技術(shù)受到各國學(xué)者 的矚目，紛紛開展固定化酶的研究。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 第一節(jié) 酶、細(xì)胞的固定化方法及固定化后的 性質(zhì) 一、固定化的原則和方法 酶催化作用依靠它的高級(jí)結(jié)

5、構(gòu)及活性中心。 固定化時(shí)，活性中心的必需基團(tuán)應(yīng)避免參加反 應(yīng)；避免高溫、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑以及高濃度鹽 的處理，保護(hù)靠氫鍵、離子鍵、疏水鍵等弱鍵 維系的酶蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)。盡可能在溫和條 件下進(jìn)行固定化反應(yīng)。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 固定化方法： 載體結(jié)合法；交聯(lián)法；包埋法；其他方法； 載體結(jié)合法：將酶（細(xì)胞）固定在不溶性載 體上。靠共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、和物理吸附。 常用的載體：纖維素、葡聚糖、瓊脂糖等多 糖衍生物顆?；蚨嗫撞ＡУ?。 交聯(lián)法：使酶與具有兩個(gè)以上官能團(tuán)的試劑 （如：戊二醛）進(jìn)行反應(yīng)，應(yīng)用化學(xué)鍵把酶 固定。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶

6、 固定化細(xì)胞 包埋法：將酶包在凝膠微小格子內(nèi)，或是將 酶包裹在半透性聚合物膜內(nèi)的固定化方法。 常用的凝膠為聚丙烯酰胺、海藻酸鈣、膠原、 卡拉膠等。 包埋法簡(jiǎn)單，可適用于大多數(shù)酶。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 固定化方法與載體的選擇依據(jù) 固定化酶應(yīng)用的安全性； 固定化酶在操作中的穩(wěn)定性； 固定化的成本； 固定化酶的形狀 顆粒狀固定化酶； 纖維狀固定化酶； 膜狀固定化酶； 管狀固定化酶； 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 二、 固

7、定化酶、細(xì)胞的性質(zhì) 1、固定化后的活性 酶經(jīng)固定化后，活力降低。 原因是： a. 酶和載體結(jié)合時(shí)，活性中心的氨基酸也或 多或少地參與了結(jié)合 ，使得酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生部 分變化，酶活力有一部分喪失。 b. 由于載體的存在，有空間位阻，影響底物 和酶接觸，酶的活性得不到全部表達(dá)。 細(xì)胞固定化后，一般酶活力不下降。細(xì)胞內(nèi) 酶受細(xì)胞膜、壁的保護(hù)。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 固定化酶結(jié)構(gòu)的改變 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 2、穩(wěn)定性 酶或細(xì)胞被固定化后，由于載體的存在，酶 分子的結(jié)構(gòu)或細(xì)胞被約束，對(duì)外部惡劣環(huán)境 的敏感性下降，使其穩(wěn)定性增加（對(duì)熱、

8、對(duì) 各種化學(xué)試劑等）。而且有時(shí)穩(wěn)定性增加的 幅度比較大。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 3、催化特征 a.底物專一性：當(dāng)?shù)孜餅榇蠓肿訒r(shí)，酶或細(xì)胞 對(duì)底物專一性下降；當(dāng)?shù)孜餅樾》肿訒r(shí)，酶 或細(xì)胞對(duì)底物專一性變化不大。 b.最適pH：依固定化載體與酶分子、細(xì)胞上 所分布電荷的相互作用不同而異。有的變化， 有的不變化，有的向pH小的方向移動(dòng)，有的 向pH大的方向移動(dòng)。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 c.反應(yīng)的最適溫度 固定化酶、細(xì)胞的最適溫度往往升高，升 高的幅度不同，215 不等。 d.動(dòng)力學(xué)常數(shù) 固定化酶的表觀Km(app)與游離酶的Km相

9、比 有些不變，有的 變化很大。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 原因可能是：載體間的靜電作用，以及擴(kuò)散 效應(yīng)。如果固定化酶區(qū)域的底物濃度比外部 液相主體溶液高，Km(app)下降。相反，用包 埋法的固定化酶的Km(app)值，可較游離酶多 兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于凝膠中的擴(kuò)散效應(yīng)使 底物濃度減少，導(dǎo)致內(nèi)部底物濃度低于外部 區(qū)域的濃度，Km(app)上升。 對(duì)于固定化細(xì)胞，情況類似。 Vmax 一般不變化。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 第二節(jié) 固定化酶、固定化細(xì)胞的應(yīng)用 在上世紀(jì)70年代初，出現(xiàn)固定單一的酶，催 化單一反應(yīng)； 隨后同時(shí)固定兩種酶

10、或兩種以上的酶，以及 固定化酶和輔酶，催化復(fù)雜一些的反應(yīng)； 再后來發(fā)展起來的固定化細(xì)胞技術(shù)，使得不 易提取的不穩(wěn)定的酶的利用有了方便條件， 還可以利用活細(xì)胞的完整代謝體系來完成復(fù) 雜的反應(yīng)，如乙醇的生產(chǎn)。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 在固定化酶、固定化細(xì)胞的研究中發(fā)展起來 的親和層析技術(shù)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 利用酶和 微生物進(jìn)行催化反應(yīng)的范疇。例如抗體抗原 的提純是利用了特異的免疫吸附反應(yīng)。 固定化酶和細(xì)胞技術(shù)的顯著特點(diǎn)：p80 1.連續(xù)反應(yīng)； 2.獲得的產(chǎn)物純度高； 3.固定化酶或細(xì)胞可重復(fù)使用，減少了浪費(fèi)； 4.易實(shí)現(xiàn)自控 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定

11、化酶 固定化細(xì)胞 應(yīng)用實(shí)例：DL-氨基酸的光學(xué)拆分。 人體只能利用L-氨基酸，所以L-氨基酸在食品 醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，并且需要量不斷增 加。 化學(xué)合成法是生產(chǎn)氨基酸的方法之一，該法成 本低，但生產(chǎn)出來的氨基酸是DL 外消旋體。 要想把L-氨基酸分離出來，需要進(jìn)行光學(xué)拆分。 外消旋體：對(duì)映體的右旋體和左旋體等量混合 后，它們的旋光性相互抵消，不再有旋光性。 這樣的混合物稱為外消旋體，以D、L表示。 外消旋體可以用適當(dāng)方法拆開或分開。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 外消旋化：在一般情況下，和不對(duì)稱碳原子 相連的四個(gè)原子或原子團(tuán)，不能隨意調(diào)換位 置，因此對(duì)映體不能相

12、互轉(zhuǎn)換，旋光度維持 不變。 但在熱、光、或者化學(xué)試劑的影響下，不對(duì) 稱碳原子上的原子或原子團(tuán)可發(fā)生調(diào)換現(xiàn)象， 使旋光物質(zhì)轉(zhuǎn)化為它的對(duì)映體，最后得到外 消旋體，原來100%的左旋體，經(jīng)變化后，變 成50%左旋體和50%的右旋體，這種現(xiàn)象稱為 外消旋化。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 DL-氨基酸光學(xué)拆分中，以酶法最佳，它是利 用?；被崴饷福苽浼兌雀叩腖-aa，且 收率高。 氨基?；疎 DL-R-CHCOOH + H2O L-R-CHCOOH + D-R-CHCOOH 不對(duì)稱水解 NH2 NH2 NHCOR 溶解度小 酰化-DL-aa L-aa ?；疍-aa 外

13、消旋化 外消旋體 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 泵泵 儲(chǔ) 罐 反應(yīng)產(chǎn)物 離心機(jī)離心機(jī) 消消 旋旋 反反 應(yīng)應(yīng) 器器 固定化固定化 酶柱子酶柱子 晶體 L-Ala L-Ala A-D-Ala A-L-Ala A-D-Ala 固定化酶光學(xué)拆分DL-氨基酸生產(chǎn)流程 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 1969年，日本，千鈿一郎成功地利用固定化 ?；被崴饷福甚；?DL-氨基酸連續(xù) 生產(chǎn)L-aa獲得成功。 這是世界上固定化酶在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的第 一個(gè)實(shí)例。各種光學(xué)活性氨基酸都用這種方 法生產(chǎn)。該項(xiàng)技術(shù)成功的關(guān)鍵是制造出適合 于工業(yè)化要求的固定化酶

14、。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 果葡糖漿的生產(chǎn) 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 葡萄糖不能直接代替蔗糖，因甜度不夠，但 葡萄糖和果糖是同分異構(gòu)體，葡萄糖可以異 構(gòu)為果糖。 葡萄糖果糖葡萄糖 葡萄糖異構(gòu)酶 高果糖漿的甜味是蔗糖的2倍。 這一應(yīng)用是目前世界上使用固定化酶規(guī)模最 大的生產(chǎn)上的實(shí)例。 (高果糖漿) 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 L-蘋果酸的生產(chǎn)： p85 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 消血栓： 纖溶酶是異源蛋白質(zhì)，在人體內(nèi)引起免疫反 應(yīng)，無法長期使用。 酶的不穩(wěn)定性使其在較短

15、的時(shí)間內(nèi)失活。 用包埋法制備的酶固定化技術(shù)可克服上述弊 端，酶在囊中不能漏出，小分子物質(zhì)能自由 進(jìn)出。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 人工腎： 原理：將病人血液中的尿素經(jīng)脲酶水解成氨， 再用活性炭吸附。即：用固定化脲酶和微膠 囊活性炭組成人工腎。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 酶?jìng)鞲衅?固定化酶和電化學(xué)傳感器的結(jié)合。 優(yōu)點(diǎn)： 既有不溶性酶體系的優(yōu)點(diǎn)，又具有電化學(xué)電 極的高靈敏度； 酶的專一反應(yīng)性，使其具有較高的選擇性， 能夠直接在復(fù)雜試樣中進(jìn)行測(cè)定。 1967年Updike等采用酶的固定化技術(shù)，將葡萄 糖氧化酶固定在疏水膜上，然后再和氧電

16、極結(jié) 合，組裝成了世界上第一個(gè)生物傳感器葡萄糖 氧化酶電極。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 酶電極示意圖 -D-葡萄糖葡萄糖O2D-葡萄糖酸葡萄糖酸-1,5-內(nèi)酯內(nèi)酯H2O2 半透膜 酶膠層 感應(yīng)電極 根據(jù)反應(yīng)中消耗的O2、生成的葡萄糖酸和 H2O2的量，可以用氧電極、pH電極和H2O2電 極來測(cè)定葡萄糖的含量。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 生物識(shí)別元件是酶、抗原(體)、細(xì)胞器、組織 切片和微生物細(xì)胞等生物分子經(jīng)固定化后形 成的一種膜結(jié)構(gòu)，對(duì)被測(cè)定的物質(zhì)有選擇性 的分子識(shí)別能力。 生物傳感器(酶?jìng)鞲衅?原理 由生物識(shí)別單元（如酶、微生物

17、、抗體等） 和物理轉(zhuǎn)換器相結(jié)合所構(gòu)成的分析儀器。 換能器將識(shí)別元件上進(jìn)行的生化反應(yīng)中消耗 或生成的化學(xué)物質(zhì)，或產(chǎn)生的光或熱等轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，并呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 酶?jìng)鞲衅鞴ぷ髟硎疽鈭D 酶?jìng)鞲衅髦饕晒潭ɑ改ず妥儞Q器組成： 固定化酶膜：選擇性地“識(shí)別”并催化被檢 測(cè)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 變換器：把催化反應(yīng)中底物或產(chǎn)物的變量轉(zhuǎn) 換成電信號(hào)，通過儀表顯示出來。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 固定化技術(shù)的限制： 5個(gè)方面見p88 生物工程專業(yè)課程 生化工程

18、 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 第三節(jié) 固定化酶、細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 影響固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的因素可歸納下列 幾個(gè)方面： 酶活性與酶分子的三維空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。酶分 子被固定時(shí)，其構(gòu)象將發(fā)生改變，酶活性部 位的三維結(jié)構(gòu)可能改變，從而改變酶的活性。 1、酶分子構(gòu)相的改變和載體屏障效應(yīng) 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 1.酶分子構(gòu)相的改變和載體屏障效應(yīng) 載體的存在引起屏蔽效應(yīng)，使酶分子的活性 基團(tuán)不易與底物或效應(yīng)物接觸，從而影響固 定化酶的活性。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 2.微環(huán)境效應(yīng)分配效應(yīng) 固定化酶處于主體溶液中，形成非均相反應(yīng)系統(tǒng)。在固 定

19、化酶附近的環(huán)境稱為微環(huán)境，而主體溶液則稱為大環(huán) 境。由于載體和底物的疏水性、親水性以及靜電作用， 使微環(huán)境與大環(huán)境有不同的性質(zhì)，從而形成底物和各種 效應(yīng)物的不均勻分布，這種效應(yīng)稱為分配效應(yīng)。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 3.擴(kuò)散阻力 用固定化酶進(jìn)行反應(yīng)時(shí)， 底物必須從主體溶液傳遞 到固定化酶內(nèi)部的催化部 位。反應(yīng)后，產(chǎn)物又沿著 相反路線從酶的催化部位 傳遞到主體溶液。這些傳 遞過程包括被動(dòng)分子擴(kuò)散 和對(duì)流擴(kuò)散，傳遞過程中 存在著一個(gè)擴(kuò)散速率限制 因素。這種擴(kuò)散限制效應(yīng) 在擴(kuò)散效率很低時(shí)，而酶 的催化活力又相當(dāng)高時(shí)特 別顯著。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固

20、定化酶 固定化細(xì)胞 固定化酶、細(xì)胞催化系統(tǒng)是一種非均相反應(yīng) 系統(tǒng)，包括： 底物從反應(yīng)液移向載體表面（外擴(kuò)散） 底物從載體表面移向酶活性中心（內(nèi)擴(kuò)散） 酶反應(yīng) 產(chǎn)物由反應(yīng)位點(diǎn)移向載體表面（內(nèi)擴(kuò)散） 產(chǎn)物移到反應(yīng)液中（外擴(kuò)散） 總的反應(yīng)速度取決于最慢的步驟總的反應(yīng)速度取決于最慢的步驟 限速步驟有可能是外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散或酶反應(yīng)。 存在的擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)使固定化酶、固定化細(xì)胞 的動(dòng)力學(xué)行為偏離其液態(tài)下的動(dòng)力學(xué)行為。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 4.外擴(kuò)散及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響 外擴(kuò)散發(fā)生在固定化酶周圍的處于停滯狀態(tài)的 液膜層。 由于存在外擴(kuò)散阻力，底物將在固定化酶周圍 形成濃度梯

21、度。 滯流層的厚度在一定限度內(nèi)，它受固定化酶界 面周圍溶液的相對(duì)速度的影響。 外擴(kuò)散限制隨反應(yīng)體系攪拌速度的增加而減少。外擴(kuò)散限制隨反應(yīng)體系攪拌速度的增加而減少。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 appm m KS SV V 存在外擴(kuò)散限制的固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 為： Vm=KE，E為固定化酶濃度 Km(app)：表觀米氏常數(shù)，=Km+/KL KL=De/y (見p94) 在操作上使流體的湍動(dòng)程度大，能改變或消在操作上使流體的湍動(dòng)程度大，能改變或消 除外擴(kuò)散的影響除外擴(kuò)散的影響 。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 5.內(nèi)擴(kuò)散及對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

22、的影響 內(nèi)擴(kuò)散阻力發(fā)生在多孔性固定化酶載體的內(nèi) 部，它是底物傳遞到固定化酶內(nèi)部時(shí)的一種 擴(kuò)散限制效應(yīng)。 在微環(huán)境內(nèi)底物的消耗和產(chǎn)物的積累程度， 和這些物質(zhì)的分子量大小有關(guān)。 大分子物質(zhì)在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散時(shí)，其擴(kuò)散系 數(shù)較小，以致在微環(huán)境中形成嚴(yán)重的底物枯 竭和產(chǎn)物的大量積累，這會(huì)嚴(yán)重影響酶促反 應(yīng)速度。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 內(nèi)擴(kuò)散限制對(duì)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，比外擴(kuò) 散更為突出，因?yàn)橥鈹U(kuò)散限制可以通過攪拌來 基本消除，而內(nèi)擴(kuò)散限制無法消除。 在固定化酶、固定化細(xì)胞的內(nèi)部，不存在流體 流動(dòng)，其傳質(zhì)完全依賴于分子被動(dòng)擴(kuò)散作用。 定義為有效系數(shù)： 速度無微孔擴(kuò)散效應(yīng)

23、的反應(yīng) 速度有微孔擴(kuò)散效應(yīng)的反應(yīng) 無 有 V V 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 am am SK SV V em m DK V R 1 固定化酶、細(xì)胞的反應(yīng)速度： Sa ：載體表面底物濃度 是與內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)的因子 R為固定化顆粒半徑 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 6.擴(kuò)散的判定 判斷出固定化酶、固定化細(xì)胞在反應(yīng)過程中 究竟屬于哪種擴(kuò)散效應(yīng)，對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的解 析和應(yīng)用非常重要。最簡(jiǎn)單的判斷方法是 Arrhenius圖解法，見p96。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 第四節(jié) 固定化酶、細(xì)胞反應(yīng)器 1.影響酶反應(yīng)速度

24、的因素，通常有下列三方 面： （1）濃度因素 酶濃度、底物濃度、產(chǎn)物濃度 濃度因素是所有影響因素中最基本的因素； 是均相酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的主要內(nèi)容。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 （2）外部反應(yīng)環(huán)境因素 反應(yīng)環(huán)境的溫度、壓力、pH以及溶劑的介電 常數(shù)、離子強(qiáng)度等。 （3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素 底物和酶的結(jié)構(gòu)。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 2.酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理及操作參數(shù) 為了設(shè)計(jì)酶反應(yīng)器以及確定反應(yīng)操作條件，首 先必須了解： 反應(yīng)速度特性以及溫度、pH等因素的影響， 建立反應(yīng)速率方程式； 反應(yīng)器的形式和反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)以及傳 熱特點(diǎn)； 產(chǎn)物的產(chǎn)

25、量和質(zhì)量。 物料平衡、熱量平衡、反應(yīng)速率和流動(dòng)特性等 各關(guān)系式都可同時(shí)應(yīng)用于反應(yīng)器設(shè)計(jì)。 參與反應(yīng)的各組分均服從于質(zhì)量守恒定律，這 是設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 表示反應(yīng)器性能的重要操作參數(shù)： 空間時(shí)間、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)率； 當(dāng)有副反應(yīng)發(fā)生時(shí)，選擇率也是重要的參數(shù)。 空間時(shí)間（簡(jiǎn)稱空時(shí)，space time） 表示反應(yīng)物在連續(xù)操作反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間。 空時(shí)的倒數(shù)稱為空速(space velocity)。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 PFR : CSTR : )( )( 流速 管長 U L Q V R VR：反應(yīng)器容積(L)

26、； Q：加入反應(yīng)器的底物溶液體積流量。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 轉(zhuǎn)化率x，又稱為反應(yīng)率。 表示加入反應(yīng)器中底物的轉(zhuǎn)化率。 間歇操作 : 0 0 S SS x t in outin S SS x S0:初始濃度；St:經(jīng)反應(yīng)時(shí)間t后的濃度 連續(xù)操作 : Sin:流入反應(yīng)器溶液中的底物濃度 Sout:流出反應(yīng)器溶液中的底物濃度 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 生產(chǎn)率Pr（生產(chǎn)能力productivity） 反應(yīng)器單位體積單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)物生成量。 間歇式反應(yīng)器： 連續(xù)式反應(yīng)器： t P P t r t P P out r 生物工程專業(yè)課程

27、生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 選擇率Ssp (selectivity) 當(dāng)反應(yīng)過程中有副反應(yīng)發(fā)生，還生成其它產(chǎn)物 時(shí)，通常使用選擇率這個(gè)概念。 Ssp是實(shí)際轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物量與全部底物可生 成產(chǎn)物的理論量之比。 ssa p S sp sp 0 式中asp代表1摩爾底物能生成目的產(chǎn)物P的理 論量（摩爾），其數(shù)值取決于反應(yīng)的計(jì)量式 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 3.理想的均相酶反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué) 對(duì)三種最基本的反應(yīng)器型式進(jìn)行討論。 間歇全混流反應(yīng)罐（BSTR） 活塞流反應(yīng)器（PFR） 全混流反應(yīng)器（CSTR） 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞

28、 （1）PFR的操作特性方程 F LA F V 物料在PFR反應(yīng)器中的停留時(shí)間 dl F F S S0 0 S S dV=Adl l=0l=L S+dSS 以底物S進(jìn)行物料衡算： 流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 積累量 FS F（S+dS） -rsdV 0 dl F F S S0 0 S S dV=Adl l=0l=L S+dSS 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 V KE F KE x x KxS m 1 0 邊界條件： L = 0，S = S0； l = L， S = S，積分： 這是BSTR和PFR的酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)操作方程式。 將米氏方程代入，積分。 Adlrd

29、VrFdS ss s r dS 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 （2）CSTR的操作特性方程 穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)于底物S進(jìn)行物料衡算： 流入量 = 流出量+反應(yīng)量 + 積累量 FS0 FSt -rsV 0 F F S S0 0 S St t 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 )( 0 VrFSFS st )(SKV KES dt ds r m s 將米氏方程代入 整理：CSTR操作特性方程為： V KE F KE x x KxS m 1 0 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 工程上要求，在最短的操作時(shí)間內(nèi)，用最少 量的（固定化）

30、酶，達(dá)到最大的產(chǎn)物生成量、 最高的底物轉(zhuǎn)化率，以使生產(chǎn)成本最低。(這 些條件稱之為反應(yīng)器效率。) 下面比較CSTR和PFR的反應(yīng)器效率： （3）PFR和CSTR反應(yīng)器的生產(chǎn)時(shí)間比較 為了方便比較，把操作方程改寫為 ： CSTR FK EK x x x K S mm 1 1 0 PFR FK EK xx K S mm 1 )1ln( 0 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 x應(yīng)在80以上。 達(dá)同樣的轉(zhuǎn)化率， F值差別很大。 而且S0/Km越小， 差別越顯著。 結(jié)論：PFR的停留時(shí)間小于CSTR的停留時(shí)間 同一反應(yīng)，工藝條件相同，轉(zhuǎn)化率相同， PFR 和 CSTR所需的時(shí)間不

31、同。轉(zhuǎn)化率越高， 兩者差距越大。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 （4）PFR和CSTR反應(yīng)器的用酶量比較 )1ln( 1 0 0 xxKS x x xKS E E m m PFR CSTR CSTR FK EK x x x K S mm 1 1 0 PFR FK EK xx K S mm 1 )1ln( 0 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 反應(yīng)器體積一定，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)， ECSTR/EPFR 與轉(zhuǎn)化率的比較 轉(zhuǎn)化率x愈高， Km/S0 越大，用酶量的差別 越大。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 在給定的反應(yīng)體系

32、下，反應(yīng)器中的裝酶量為 定值，達(dá)一定x下反應(yīng)器所需酶量愈少；反 應(yīng)器的反應(yīng)有效容積也就愈大?？梢奝FR的 生產(chǎn)能力比CSTR的大。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 第五節(jié) 固定化酶、細(xì)胞反應(yīng)器及其動(dòng)力學(xué) 1.固定化酶、細(xì)胞反應(yīng)器 反應(yīng)器的類型和特點(diǎn) (1)間歇式攪拌罐反應(yīng)器 用于游離酶反應(yīng)后隨即放料。 (2)連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器 連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料 (3)填充床反應(yīng)器 固定化酶填充于床層內(nèi)。反應(yīng)器內(nèi)的流體 的流動(dòng)形態(tài)為活塞流形。底物以恒定流速通 過反應(yīng)床。 生物工程專業(yè)課程 生化工程 第七章 固定化酶 固定化細(xì)胞 (4)流化床反應(yīng)器 底物以足夠大的流速向上通過固定化酶床層， 使固體顆粒處于流化狀態(tài)。 (5)循環(huán)反應(yīng)器 部分反應(yīng)液流出和新加入底物流入液混合， 在進(jìn)入反應(yīng)床進(jìn)行循環(huán)。 (6)連續(xù)流動(dòng)攪拌罐-超濾膜反應(yīng)器 由連續(xù)流動(dòng)攪拌罐反應(yīng)器和超濾裝置組合而