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1、第八章 酶反应器和生物酶传感器,生物反应器：,生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。,乳腺生物反应器：,将外源基因导入载体，位于乳球蛋白基因启动子下游，使得该目的基因只能在哺乳动物组织中表达,乳腺生物反应器将所需目的基因构建入载体，加上适当的调控序列，转入动物胚胎细胞，使转基因动物分泌的乳汁中含有所需要药用蛋白。从融合基因转入胚胎细胞到收集蛋白质有一个过程，包括胚胎植入、分娩和转基因动物的生长。转基因动物从出生到第一次泌乳，猪、羊、牛各需12、14、16个月；并且只有雌性动物泌乳且不连
2、续，一般可持续2、6、10个月。牛、羊等大型家畜能对药用蛋白进行正确的后加工，使之具有较高的生物活性，同时产奶量大，易于大规模生产，因而成为乳腺生物反应器理想的动物类型。,1999年英国PPL医疗公司培育出100只转基因羊，其奶水中含有用于医疗的人体蛋白，能够治疗严重呼吸系统疾病、血友病和先天发声缺陷等荷兰一家公司培育出一批转基因牛，这些牛的乳汁中含有人乳铁蛋白。人乳铁蛋白可以抑制人胃肠道的细菌感染。中国科学院上海遗传所和复旦大学合作，培育出5只含有人体某种基因的转基因羊，这些羊的乳汁中含有能治疗血友病的珍贵药物。利用生物反应器来生产人类所需要的某些物质，可以节省建设厂房和购买仪器设备的费用，
3、可以减少复杂的生产程序和环境污染。,第一节 酶反应器,一、什么叫酶反应器？,酶反应器有两种类型：直接应用游离酶进行反应，即均相酶反应器；应用固定化酶进行的非均相酶反应器。,酶反应器是以酶为催化剂进行生物催化反应的核心装置或设备，为酶促反应提供合适的场所和反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度的转变成产物。,常见的酶反应器类型,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 Rea
4、ctor,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)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）,二、基本类型：,间歇式酶反应器连续搅拌罐式酶反应器固定床型酶反应器流化床型酶反应器膜式酶反应器,1.间歇式酶反应器,特点：底物和酶一次性投入反应器中，产物一次性取出，反应结束后，固定化酶（细胞）用过滤（或超滤）法回收。,2.连续搅拌
5、罐式酶反应器,向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡后，再以恒定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）,3.填充床（固定床）型酶反应器,把催化剂填充在固定床（填充床）中的反应器，这是一种使用得最广泛的固定化酶反应器,4.流化床型酶反应器,流化床型反应器是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器。底物以一定的流速从下向上流过，使固定化酶颗粒在流体中维持悬浮状态并进行反应，这时的固定化颗粒和流体可以被看作是均匀以合的流体。,优点：流化床反应器具有传热与传质特性好、不堵塞、能处理粉状底物、压降较小，缺点：需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，而且放大较困难。,目前，流
6、化床反应器主要被用来处理一些粘度高的液体和颗粒细小的底物，如用于水解牛乳中的蛋白质。,5.膜式酶反应器(MBR)membrane biological reactor,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，可用于游离酶的催化，也可用于固定化酶的催化反应其中，固定化酶的利用，是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的生物反应器。,常用的是中空纤维反应器,膜反应器类型：平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等，常用的是中空纤维反应器。中空纤维反应器则是由数根醋酸纤维素制成的中空纤维构成，其内层紧密光滑，具有一定的分子量截留值，可截留大分子物质，而允许不同的小分子量物质通过,
7、目前开发出来的膜生物反应器可以分为三类：膜分离生物反应器:用于污水处理中的固液分离膜曝气生物反应器:为好氧工艺供氧，可以实现生物反应器的无泡曝气，大大提高反应器的传氧效率萃取膜生物反应器:主要用于工业废水中优先污染物的处理，选择性透过膜被用于萃取特定的污染物。,目前已进行大量研究并投入大规模实际应用的只有膜分离生物反应器,反应器的选择：,考虑因素：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,根据催化剂的形状来选用,粒状催化剂可采用搅拌罐、固定化床和鼓泡塔式反应器，而细小颗粒的催化剂则宜选用流化床对于膜状催化剂，则可考虑采用螺旋式、
8、转盘式、平板式、空心管等膜反应器。尽管酶工艺在近几十年来有了显著的进展，但是在已知的2000多种酶中已被利用的酶还是少数,三、设计目标与要求,设计目标：降低成本、高效生产要求事先了解：酶促反应动力学相关内容及温度、pH等对酶特性的影响设计的酶反应器的类型及反应器内流体的流动状态及传热特性所达到的生产量及生产工艺流程,设计要求：,高容积的生产率（酶的比活和浓度大）简便有效的控制反应条件连续化、自动化，并利于监测和监控尽可能降低能耗尽量减少污染反应器加工简便、易行、投资低使设备与工艺流程达到最优化组合,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
9、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。,第二节 生物传感器,如何获得外界物质世界的信息？,光、声、气味等信号与感觉器官作用，经过复杂的信息处理和传递，最终被大脑所感知,一、生物传感器的概念：,是用生物活性物质（如酶、核酸、抗体
10、、蛋白质、细胞等）做敏感元件，配以适当的换能器（将生物和化学等的信息转变成可测量的光、电等物理信息）所构成的分析工具。,二、各种类型的生物传感器：,主要分类：酶传感器，微生物传感器，免疫传感器，组织传感器和场效应晶体管生物传感器,1.酶传感器：,酶的特异性 对底物的特异性结合，避免其他物质干扰。,酶催化氧化还原反应，涉及到电子在分子间的传递：葡萄糖氧化酶（GOD）催化葡萄糖氧化反应,微电极.,通过表面化学技术，将酶固定在电极表面，实现电子传递，将化学信号转变为电信号,是问世最早、成熟度最高的一类传感器。它是利用酶的催化作用，在常温常压下将糖类、醇类、有机酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通过
11、换能器将反应过程中化学物质的变化转变为电信号记录下来，进而推出相应的生物分子浓度。酶传感器是间接型传感器，它不是直接测定待测物质，而是通过对反应有关物质的浓度测定来推断底物的浓度。,酶传感器,目前国际上已研制成功的酶传感器有20余种，其中最为成熟的传感器是葡萄糖传感器，年销售量约为十亿美元；,在葡萄糖和葡萄糖氧化酶(GOx)存在时，稀溶液中羧酸二茂铁(FCA)的循环伏安实验。空白“实验（蓝色）信号显示没有葡萄糖存在时的循环伏安图。当FCA+中电化学生成 Fe(III)时，葡萄糖被氧化。在氧化条件下，电极上不断生成FCA+。阳极电流的大小取决于酶和葡萄糖的浓度。,2.组织传感器,组织传感器是利用
12、动植物组织中多酶系统的催化作用来识别分子。由于所用的酶存在于天然组织内，无须进行人工提取纯化，因而比较稳定，制备成的传感器寿命较长。,3.微生物传感器,微生物传感器是应用细胞固定化技术，将各种微生物固定在膜上的生物传感器。它主要可分为两大类，一类是利用微生物的呼吸作用，另一类是利用微生物内所含的酶。微生物生物体与组织一样含有许多天然的生物分子，能对酶起协同作用.,4.免疫传感器,免疫传感器是利用抗体与抗原之间的高选择特性而研制的。如：绒毛促性腺激素（HCG）传感器便是其中的一种，HCG是鉴定怀孕与否的主要化合物 其传感器的制备是将HCG抗体固定在二氧化钛电极的表面制成工作电极，通过它与固定尿素
13、的参比电极之间形成一定的电位差，当电解液中加人含HCG的抗原时，工作电极的电位立即发生变化，从电位变化则。可求出的HCG浓度,微悬臂免疫生物传感器:,微悬臂:,5.场效应晶体管生物传感器,将生物技术与晶体管工艺结合的生物传感器。所需酶量和抗体量小,6.生物芯片,生物芯片是生物传感器的阵列和集成化：,微阵列.,DNA杂交 蛋白质杂交,生物芯片,是指包被在硅片、尼龙膜等固相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类及其他生物组分的微点阵。芯片与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。,DNA,酶,抗体.扮演不同的角色.,微电极阵列,常见的生物芯片类型：,基因芯片蛋白质芯
14、片组织芯片,基因芯片是指将大量基因探针分子固定在支持物上，然后与标记的样品基因进行杂交，通过杂交信号强弱判断靶分子的数量,蛋白质芯片主要是指蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列，依据蛋白质分子、蛋白质与核酸相互作用原理进行杂交、检测和分析。,组织芯片是一种特殊、新型的生物芯片将数十个甚至上千个不同个体的组织标本集成在一张固相载体上，为医学分子生物学提供一种高通量、大样本及快速的分子水平的分析工具。,三、生物传感器的特点：,1.其识别元件是有选择性好的主体材料构成，样品无需预处理，测定方便2.体积小，可实现连续的原位检测3.响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定的，故可反复使用4.成本相对较低
15、，便于普及,四、生物传感器的应用,生命科学与卫生保健食品检测工业及环境。,生命科学与卫生保健,主要有：家用便携诊断医学诊断、检测基因、蛋白测定细菌、病毒分析药物分析病原体测试（如传染病控制）,如：葡萄糖检测仪，免疫分析检测早孕、乙肝和尿糖的试纸等,其中葡萄糖检测是目前生物传感器在医疗领域中应用量最大的一块血糖仪：测试条 小型测试仪,食品安全与检测：,安全性检测：农业、园林和兽医分析基因作物监测食物和水病原体检测食物快速检测：水产品、畜产品新鲜度检测食品农药和抗生素残留量分析食品添加剂和化学成份分析食品中重金属测定含糖量等的分析,Georgia公司研制的生物传感器可在两个小时内同时检测出畜禽肉制品中的多种病原体及其含量,光纤维传感器可检测多种细菌的含量,Fish freshness meter：用于对鱼制品生产过程中鱼肉品质的监测,工业与环境领域：,工业污水检测环境化合物检测采矿、工业和有毒气体检测,环境废水BOD分析仪,军事领域：,生化武器检测持续检测：如水供应，防止恐怖主义等,
