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1、,第五章 酶固定化,2,五、固定化酶的应用,四、固定化酶反应器,三、固定化酶的性质,二、固定化酶制备,一、固定化酶发展简史,Go,Go,Go,Go,Go,游离酶的缺点,1.酶的稳定性较差，在温度、pH、和无机离子等外界因素的影响下，容易变性失活。2.酶一般都是在水溶液中与底物反应，反应结束后酶难以回收。 3.反应结束后，酶成为产物的杂质。,概念,固定化酶是指固定在载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶。固定化酶既保持了酶的催化特性，又克服了游离酶的不足之处，具有增强稳定性，可反复或连续使用以及易于和反应产物分开等显著特点。直接固定菌体或菌体碎片的，称为固定化菌体或固定化死细胞。,一、酶固定
2、化的历史,二、固定化酶的制备,（一）、酶的固定化方法,交联法,胶体包埋法半透膜包埋法,离子键结合法共价键结合法,热处理法,结合法,包埋法,吸附法,1.吸附法,吸附法是利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使酶固定化的方法。,活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石。,优点：操作简单、条件温和、 载体廉价易得、可反复使用。,缺点：结合力不劳、容易脱落。,2.包埋法,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。,载体：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚丙烯酰胺,（1）凝胶包埋法：以各种多孔凝胶为载体，将酶、细胞或原生质体包埋在凝胶的微孔内的
3、固定化方法。,（2）半透膜包埋法,将酶包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶.,制备方法：,酶， 水，乙二胺,癸二酰氯+氯仿,优点：结合力牢、活力回收高、底物专一性不变。,缺点：制备较难，载体无法回收、扩散限制。,包埋法,3.结合法,选择适宜载体，使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定化方法称为结合法。,（1）离子结合法：通过离子键使酶与载体结合的固定化方法。,载体：DEAE纤维素、TEAE纤维素、DEAE葡聚糖凝胶 ,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,（2）共价结合法：通过共价键将酶与载体结合的固定化方法。,载体：
4、,纤维素琼脂糖凝胶葡聚糖凝胶甲壳质氨基酸共聚物,酶分子中可以形成共价键的基团：,氨基、羧基、巯基、羟基、酚基、咪唑基,载体,活泼基团,载体活化的方法,1. 活化,酶辅助蛋白交联法,32,酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价偶联,34,1.必须注意维持酶的催化活性和专一性2.酶与载体结合牢固 3.载体的机械强度4.固定化酶要有最小的空间位阻 5.载体稳定，不可与底物、产物发生反应6.固定化酶要廉价,固定化方法与载体的选择,三 固定化酶的性质,38,1、分配效应 由于载体和底物的性质差异引起了微环境和宏观环境之间的性质不同。微环境是在固定化酶附近的局部环境，而将主体溶液称为宏观环境。由这种不同造
5、成的底物、产物和各种效应物在两个环境之间的不同分配，被称为分配效应。,39,2、空间障碍效应 固定化之后，由于酶的空间自由度受到限制(因为载体的空隙太小，或者固定化方式与位置不当，给酶的活性部位造成了空间屏障)，使酶分子的活性基团不易于底物或效应物接触，影响酶分子的分子活性中心对底物的定位作用,所造成的对固定化酶的活力的影响效应，被称为空间障碍效应。,40,41,3、扩散限制效应 酶固定化使生物催化反应从均相转化为多相，于是产生了扩散阻力： 1） 外扩散阻力是底物从宏观环境向酶颗粒表面传递过程中的一种扩散限制效应，它发生在反应之前，发生在固定化颗粒周围的液膜层。 它会使底物在固相酶周围形成浓度
6、梯度，通过增加搅拌速度和底物流速的方法可以减少外扩散效应。,42,2） 内扩散阻力是指底物分子达到固相酶表面后传递到酶活性部位时的一种扩散阻力，它与催化反应同时进行。 载体小而弯曲的细孔是产生内扩散阻力的主要原因。因此使用低分子量底物，小的粒径、载体孔尽可能大而直且互相连通，或仅仅将酶固定在载体表面都可以降低这种内扩散阻力。,对蛋白酶的抵抗性增强，不易被蛋白酶水解。,3,4,5,6,7,游离酶：,固定化酶：,54,四、固定化酶的应用,Go,Go,Go,Go,3.在分析化学中的应用,1.在工、农业生产上的应用,2.在医药、治疗上的应用,55,1、固定化酶在工农业生产上的应用,56,57,实例：A
7、.葡萄糖异构酶 世界上生产规模最大，应用最为成功的一种固定化酶。,58,B. 氨基酰化酶（Aminoacylase） 世界上第一种工业化生产的固定化酶,59,2、固定化酶在医药治疗上的应用溶液酶的应用缺陷：酶作为异体物质，在体内应用会导致免疫反应酶是蛋白质，在体内易被网状内皮系统移除和被蛋白质酶水解破坏由于稀释效应，药物酶无法集中于靶器官组织以达到治疗所需的最适高浓度,60,（1）转入体内发挥作用（口服和注入） 口服：最初主要限于消化酶类，近年来也有人尝试将酶以口服方式用于尿中毒等疾患的治疗。口服的优点是药物通过粘膜吸收后能迅速进行扩散，进入体内，通常不会引起免疫反应。注入：是最有实用价值的一
8、种方式，溶液酶的弱点集中于此方式。 固定化酶可很好的地解决这一问题，办法是将药物酶包埋于半透膜中，可防止药物酶和蛋白水解酶以及其它免疫因子等直接接触，因而可延长酶在体内的半衰期和避免免疫过敏反应。,61,（2）通过“体外循环”做成人工脏器,固定化酶也可做成“人工脏器”参与体外循环， 应用有两方面：用于除去有害的毒性物质及有潜在毒害作用的代谢产物除去氨基酸，使需要这些物质的病变组织“饿死”；治疗时只需将患者的血液引出体外，通过由固定化酶等构成的“人工脏器”加以处理，然后再回流体内。,62,实例： A. 消血栓：纤溶酶是异源蛋白质，在人体内引起免疫反应，无法长期使用。酶的不稳定性使其在较短的时间内
9、失活。 用包埋法制备的酶固定化技术可克服上述弊端，酶在囊中不能漏出，小分子物质能自由进出。,63,B.人工肾 将病人血液中的尿素经脲酶水解成氨，再用活性炭吸附。即：用微胶囊固定化脲酶和活性炭组成人工肾。,64,3、固定化酶在分析化学中的应用,固定化酶在生化分析和临床检验中的应用也是一个十分重要的领域，它的发展非常迅速，这不仅因为它们比较稳定，可反复使用，能实行自动化、连续化等，而且因为它们对抑制剂和活化剂比较不敏感，因此可用于较复杂体系的检测。 分析化验中应用的固定化酶大体分为两类： 酶传感器(酶电极) 固定化酶柱检测器,包括固定化酶柱和检测器,65,酶传感器主要由固定化酶膜和变换器组成：固定
10、化酶膜：选择性地“识别”并催化被检测物质发生化学反应变换器：把催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，通过仪表显示出来。,1）酶传感器的原理,66,（2）酶电极（葡萄糖氧化酶电极）半透膜酶胶层感应电极酶电极示意图,葡萄糖醌H2O葡萄糖酸氢醌,葡萄糖氧化酶,铂电极,氢醌 醌2H2e,Pt,1967年Updike等采用酶的固定化技术，将葡萄糖氧化酶固定在疏水膜上，然后再和氧电极结合，组装成了世界上第一个生物传感器葡萄糖氧化酶电极。,67,（3）脲电极,Urea + 2H2O 2NH4+2HCO3-,脲酶,产生的2NH4+为阳离子电极感应。,此外还有：氨基酸电极醇电极尿酸电极乳酸电极青霉素电极亚硝酸
11、离子电极：菠菜亚硝酸还原酶产生NH3,68,SBA-70型血糖乳酸自动分析仪,血乳酸分析仪,69,HI96707 亚硝酸离子浓度比色仪,青霉素过敏皮试测试仪,70,四、固定化酶反应器,5、酶反应器的设计,4、酶反应器的选择和使用,3、各种酶反应器的特点,2、理想酶反应器的要求,Go,Go,Go,Go,Go,6、酶反应器的发展,Go,1、什么是酶反应器?,Go,71,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。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。,用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称
12、为酶反应器。,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。,酶催化反应过程示意图,过程调控,酶反应器,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,73,2 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。,(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。,(4) 应具有最佳的无菌条件
13、，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。,(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。,74,3.常见的酶反应器,按结构区分搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STR）鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )填充床式反应器(packed column reactor, PCR )流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)膜反应器(Membrane Reactor, MR) 按操作方式区分分批式反应(batch )连续式反应(continuous
14、)流加分批式反应(feeding batch ) 混合形式连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）,75,76,(1)间歇式酶反应器,又称为批量反应器（Batch Stirred tank Reactor BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。,适用的酶：游离酶、固定化酶,有搅拌装置的传统形式反应器。由反应罐、搅拌器和保温装置组成。,77,78,机械搅拌罐,2升试验罐,15升试验罐,中试规模发酵罐,79,工业规模发酵罐,80,优点： 结构简单，不需要特殊设
15、备，适于小规模实验。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。 当前食品和饮料工业有采用这种形式反应器。一般应用溶液酶或粗酶制剂催化，酶不回收，待反应转化至一定程度后，通过加热或其他方法直接灭酶。缺点: 反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大。,81,(2) 连续式酶反应器,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（颗粒状的固定化酶）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）。为不致使酶随反应
16、液流失，所以在它的出口处通常有滤膜。利于有底物抑制场合.优点：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：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。,反应液出口,82,连续搅拌釜式反应器,83,(3) 填充床反应器,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。运转时，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。,84,85,优点： 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
17、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。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,旋转填充床,86,(4) 流化床反应器,流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。特点是：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处
18、于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液，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。,87,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
19、物进行循环，提高转化率。将几个流态化床组成反应器组，或使用锥形流态化床。,88,(5) 鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)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。也是一种无搅拌装置的反应器。又称为三相流化床反应器 。特点：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。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。适用于：游离酶、固定化酶,89,90,(6) 膜反应器,膜反应器（membrane reactor,
20、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。适用于游离酶、固定化酶。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、转盘型等多种形状。常用的是中空纤维反应器。,91,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
21、超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应。,MBR膜生物反应器膜片,92,Hollow fiber bioreactor circuit,Hollow fiber bioreactor,（7）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，底物较彻底的转化以及溶液酶或固定化酶的反复使用提供了可能。但酶易因循环超滤而失效损失。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，
22、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。,94,4 酶反应器的选择和使用,目的：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。（1）选择： 固定化酶的形状 底物的物理性质 酶反应动力学特性 酶的稳定性 操作要求及反应器费用,95, 固定化酶的形状,颗粒状或片状固定化酶对连续流搅拌桶式反应器和填充式反应器类型的反应器均可适用。膜状和纤维状的固定化酶适用于填充式反应器。固定化酶易变形、易粘结或颗粒细小时，宜采用流动床反应器。如果用填充式反应器，往往会引起高的压力降和堵塞
23、床层，并且在大规模生产中无法实现高的流率。,96,底物的物理性质,底物分三种情况：溶解性物质、颗粒物质与胶状物质。溶解性底物显然对任何类型反应器均不会造成困难。颗粒状和胶状底物则往往会导致床层堵塞，对此可用循环反应器或流动床反应器。连续流搅拌桶式反应器只要搅拌速度足够高，能维持底物和固定化酶良好的悬浮状态，也可用于颗粒状底物。但高的搅拌速度会导致固定化酶从载体上被剪切下来，所以转速不能太高。,97,酶反应动力学特性,一般而言，填充床反应器在固定化酶反应器中占有主导地位，它适合于产物抑制的场合；但在底物抑制的系统中，则连续流搅拌桶式反应器的性能又优于填充床。流动床反应器因其流动特性接近连续流搅拌
24、桶式反应器，故也适宜于底物抑制的反应。,98,酶的稳定性,在反应器操作过程中，由于搅拌浆或液流的剪切作用，常会使固定的酶从载体上脱落下来，或由于磨损，引起粒度的减小而影响固定化酶的操作稳定性，其中尤以连续流搅拌桶式反应器最为严重。为解决这一问题而改进反应器设计，是把酶直接粘接在搅拌轴上，或把固定酶设置在与轴相连的金属网篮内。,99,操作要求及反应器费用,连续流搅拌桶式反应器是最便宜的，它结构简单，且具有良好的操作性，适应性强；而其他类型的反应器，则都需为特定的生产过程专门设计和制造。在讨论反应器价格的同时，还应该考虑固定化酶本身的费用，及在各种反应器中的稳定性。,100,（2）酶反应器使用中应
25、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，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：（1）酶本身的失活；（2）酶从载体上脱落；（3）载体的破碎或溶解。,101,5 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，按照酶反应器
26、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。,102,3、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，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、进行物料衡算酶反应动力学参数/底物用量/酶量/反应体积/反应器数量
27、,103,6 酶反应器的发展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NAD保留在反应器内，实现了NAD的再生与循环使用。,104,2. 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。,105,3.
28、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，目前此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将由简单巧妙的生物反应器取代。,106,本章复习题,1. 酶固定化的意义。2. 酶的固定化及各种固定化方法的特点？3. 影响固定化酶性质的因素有哪些？4. 酶固定化后活力下降及稳定性提高的原因是什么？5. 简述固定化酶反应器的类型和特点。6. 了解固定化酶的应用。,
