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1、第八章第八章 酶反应器和生物酶传感器酶反应器和生物酶传感器生物反应器：生物反应器：l生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有的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，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。反应器等。 乳腺生物反应器：乳腺生物反应器：l将外源基因导入载体，将外源基因导入载体，位于位于乳球蛋白基因乳球蛋白基因启动子下游，使得该目启动子下游，使得该目的基因只能在哺乳动物的基因只能在哺乳动物组织中表达组织中表达199919
2、99年英国年英国PPLPPL医疗公司培育出医疗公司培育出100100只转基因羊，其只转基因羊，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。道的细菌感染。中国科学院上海遗传所和复旦大学合作，培育出中国科学院上海遗传所和复旦大学合作，培育出5 5只含有人体某种基因的转基因羊，这些羊的乳汁中只含有人体某种
3、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。含有能治疗血友病的珍贵药物。l利用生物反应器来生产人类所需要的某些物质，可以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，可以减少复杂节省建设厂房和购买仪器设备的费用，可以减少复杂的生产程序和环境污染的生产程序和环境污染。第一节第一节 酶反应器酶反应器一、什么叫酶反应器？一、什么叫酶反应器？l酶反应器有两种类型：酶反应器有两种类型：直接应用游离酶进行反应，即直接应用游离酶进行反应，即均相酶反应器均相酶反应器；应用固定化酶进行的应用固定化酶进行的非均相酶反应器非均相酶反应器。酶反应器是以酶为催化剂进行生物
4、催化反应的核心装置或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。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常见的酶反应器类型l按按结构区分区分搅拌罐式反应器（搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor, STRStirred Tank Reactor, STR）鼓泡式反应器鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )(bubble column reactor, BCR )填充床式
5、反应器填充床式反应器(packed column reactor, PCR )(packed column reactor, PCR )流化床式反应器流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)( Fluidized Bed Reactor, FBR)膜反应器膜反应器(Membrane Reactor, MR) (Membrane Reactor, MR) l按按操作方式区分区分分批式反应分批式反应(batch )(batch )连续式反应连续式反应(continuous )(continuous )流加分批式反应流加分批式反应(feeding batch ) (f
6、eeding batch ) l混合形式连续搅拌罐反应器（连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTRContinuous Stirred Tank Reactor, CSTR）分批搅拌罐反应器（分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTRBatch Stirred Tank Reactor, BSTR） 二、基本类型：二、基本类型：l间歇式酶反应器间歇式酶反应器l连续搅拌罐式酶反应器连续搅拌罐式酶反应器l固定床型酶反应器固定床型酶反应器l流化床型酶反应器流化床型酶反应器l膜式酶反应器膜式酶反应器1.1.间歇
7、式酶反应器间歇式酶反应器l特点：底物和酶一次性投入反应器中，产物一特点：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）用次性取出，反应结束后，固定化酶（细胞）用过滤（或超滤）法回收。过滤（或超滤）法回收。2.2.连续搅拌罐式酶反应器连续搅拌罐式酶反应器l向反应器中投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反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）时，以相同流速输出反应液（含产物）3.3. 填充床（固定床）型酶反应器填充床（固定床）型酶反应器l把催
8、化剂填充在固定床把催化剂填充在固定床（填充床）中的反应器，这是（填充床）中的反应器，这是一种使用得最广泛的固定化酶一种使用得最广泛的固定化酶反应器反应器4.4. 流化床型酶反应器流化床型酶反应器l流化床型反应器是一种装流化床型反应器是一种装有较小颗粒的垂直塔式反有较小颗粒的垂直塔式反应器。底物以一定的流速应器。底物以一定的流速从下向上流过，使固定化从下向上流过，使固定化酶颗粒在流体中维持悬浮酶颗粒在流体中维持悬浮状态并进行反应，这时的状态并进行反应，这时的固定化颗粒和流体可以被固定化颗粒和流体可以被看作是均匀以合的流体。看作是均匀以合的流体。l优点：流化床反应器具有优点：流化床反应器具有传热与
9、传质特性好、不堵传热与传质特性好、不堵塞、能处理粉状底物、压塞、能处理粉状底物、压降较小，降较小，l缺点：需要较高的流速才缺点：需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，能维持粒子的充分流态化，而且放大较困难。而且放大较困难。l目前，流化床反目前，流化床反应器主要被用来应器主要被用来处理一些粘度高处理一些粘度高的液体和颗粒细的液体和颗粒细小的底物，如用小的底物，如用于水解牛乳中的于水解牛乳中的蛋白质。蛋白质。 5.5.膜式酶反应器膜式酶反应器(MBR)(MBR) membrane biological reactor membrane biological reactorl是将酶催化反应与半透膜
10、的分离作用组合在一起而成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的催化反应l其中，固定化酶的利用，是将酶固定在具有一定孔径其中，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。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常用的是中空纤维反应器l目前开发出来的膜生物反应器可以分为三类：目前开发出来的膜生物反应器可以分为三类：膜分离生物反应器膜分离生物反应器: :用于污水处理中的固液分离用于污水处理中的固液分离膜曝气生物反应器膜曝气生物反应器: :为好氧
11、工艺供氧，可以实现生物为好氧工艺供氧，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萃取膜生物反应器: :主要用于工业废水中优先污染物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。的处理，选择性透过膜被用于萃取特定的污染物。l目前已进行大量研究并投入大规模实际应用的只有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膜分离生物反应器反应器的选择：反应器的选择：考虑因素：考虑因素：l酶的形式（游离、固定化）酶的形式（游离、固定化）l固定化酶的形状固定化酶的形状l底物的物理性质底物的物理性质l酶
12、反应动力学性质酶反应动力学性质l酶的稳定性酶的稳定性l操作要求操作要求l反应器制造、控制成本反应器制造、控制成本根据催化剂的形状来选用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粒状催化剂可采用搅拌罐、固定化床和鼓泡塔式反应器，应器，而细小颗粒的催化剂则宜选用流化床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、转盘式、对于膜状催化剂，则可考虑采用螺旋式、转盘式、平板式、空心管等膜反应器。平板式、空心管等膜反应器。l尽管酶工艺在近几十年来有了显著的进展，但是在已尽管酶工艺在近几十年来有了显著的进展，但是在已知的知的20002000多种酶中已被利用的酶还
13、是少数多种酶中已被利用的酶还是少数三、设计目标与要求三、设计目标与要求l设计目标：设计目标： 降低成本、高效生产降低成本、高效生产l要求事先了解：要求事先了解：酶促反应动力学相关内容及温度、酶促反应动力学相关内容及温度、pHpH等对酶特性的等对酶特性的影响影响设计的酶反应器的类型及反应器内流体的流动状态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及传热特性所达到的生产量及生产工艺流程所达到的生产量及生产工艺流程设计要求：设计要求：l高容积的生产率（酶的比活和浓度大）高容积的生产率（酶的比活和浓度大）l简便有效的控制反应条件连续化、自动化，并利于监简便有效的控制反应条件连续化、自动化，
14、并利于监测和监控测和监控l尽可能降低能耗尽可能降低能耗l尽量减少污染尽量减少污染l反应器加工简便、易行、投资低反应器加工简便、易行、投资低l使设备与工艺流程达到最优化组合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反应器使用中应注意的问题l酶的稳定性对酶反应器的功效是很重要的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。在操作过程中，有时需要用酸或碱来用酸或碱来调节反应液调节反应液pHpH。如果局部的。如果局部的pHpH过高或过低，就会引起酶的过高或过低，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失活，或者使底物和产物发生水解反应。这
15、时，可用加快搅拌已促使混合均匀。混合均匀。l如果底物和产物在反应器中不够稳定的话，可以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采用高浓度的酶，以，以减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。l防止微生物污染防止微生物污染l酶反应器操作中，酶反应器操作中，生产能力逐渐降低生产能力逐渐降低，主要原因是，主要原因是固定化酶活性降低固定化酶活性降低或损失或损失。造成固定化酶活性损失的原因：。造成固定化酶活性损失的原因：（1 1）酶本身的失活；）酶本身的失活；（2 2）酶从载体上脱落；）酶从载体上脱落；（3 3）载体的破碎或溶解。
16、）载体的破碎或溶解。第二节第二节 生物传感器生物传感器如何获得外界物质世界的信息？如何获得外界物质世界的信息？l光、声、气味等信号光、声、气味等信号与感觉器官作用，经与感觉器官作用，经过复杂的信息处理和过复杂的信息处理和传递，最终被大脑所传递，最终被大脑所感知感知一、生物传感器的概念：一、生物传感器的概念：l是用生物活性物质（如酶、核酸、抗体、蛋白是用生物活性物质（如酶、核酸、抗体、蛋白质、细胞等）做敏感元件，配以适当的换能器质、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、（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。电等物理信息）所构
17、成的分析工具。二、各种类型的生物传感器：二、各种类型的生物传感器：l主要分类：酶传感器，微生物传感器，免疫传感器，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组织传感器和场效应晶体管生物传感器 1.1.酶传感器：酶传感器： 酶的特异性酶的特异性 对底物的特异性对底物的特异性结合，避免其他结合，避免其他物质干扰。物质干扰。l酶催化氧化还原反应，酶催化氧化还原反应，涉及到电子在分子间的涉及到电子在分子间的传递：传递： 葡萄糖氧化酶（葡萄糖氧化酶（GODGOD）催）催化葡萄糖氧化反应化葡萄糖氧化反应微电极微电极.通过表面化学技术，将酶固定在电极表面，实现电通过表面
18、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。是问世最早、成熟度最高的一类传感器。l它是利用酶的催化作用，在常温常压下将糖类、醇类、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，然后通过换有机酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通过换能器将反应过程中化学物质的变化转变为电信号记录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。下来，进而推出相应的生物分子浓度。l酶传感器是间接型传感器，它不是直接测定待测物质，酶传感器是间接型传感器，它不是直
19、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而是通过对反应有关物质的浓度测定来推断底物的浓度。度。酶传感器酶传感器l目前国际上已研制成功的酶传感器有目前国际上已研制成功的酶传感器有2020余种，其中最为成熟的传余种，其中最为成熟的传感器是葡萄糖传感器感器是葡萄糖传感器，年销售量约为十亿美元；，年销售量约为十亿美元； 2.2.组织传感器组织传感器 组织传感器是利用动植物组织中组织传感器是利用动植物组织中多酶系统的催化作用来识别分子。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，制备成的进行人工
20、提取纯化，因而比较稳定，制备成的传感器寿命较长。传感器寿命较长。 3.3.微生物传感器微生物传感器 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，能对酶起协同作用天然的生物分子，能对酶起协同作用. .4.4.免疫传感器免疫传感器 免疫传感器是利用抗体与抗原之间的高选择特性免
21、疫传感器是利用抗体与抗原之间的高选择特性而研制的。而研制的。如：绒毛促性腺激素（如：绒毛促性腺激素（HCGHCG）传感器便是其中的一种，）传感器便是其中的一种，HCGHCG是鉴定怀孕与否的主要化合物是鉴定怀孕与否的主要化合物 其传感器的制备是其传感器的制备是将将HCGHCG抗体固定在二氧化钛电极的表面制成工作电极，抗体固定在二氧化钛电极的表面制成工作电极，通过它与固定尿素的参比电极之间形成一定的电位差，通过它与固定尿素的参比电极之间形成一定的电位差，当电解液中加人含当电解液中加人含HCGHCG的抗原时，工作电极的电位立即的抗原时，工作电极的电位立即发生变化，从电位变化则。可求出的发生变化，从电
22、位变化则。可求出的HCGHCG浓度浓度 微悬臂免疫生物传感器微悬臂免疫生物传感器: : 微悬臂: 5.5.场效应晶体管生物传感器场效应晶体管生物传感器l将生物技术与晶体管将生物技术与晶体管工艺结合的生物传感工艺结合的生物传感器。器。l所需酶量和抗体量小所需酶量和抗体量小6.6.生物芯片生物芯片l生物芯片是生物传感器的阵列和集成化：生物芯片是生物传感器的阵列和集成化：微阵列微阵列.DNA杂交杂交蛋白质杂交蛋白质杂交生物芯片生物芯片l是指包被在硅片、尼龙膜等固是指包被在硅片、尼龙膜等固相支持物上的高密度的组织、相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类及细胞、蛋白质、核酸、糖类及其他生物组
23、分的微点阵。芯片其他生物组分的微点阵。芯片与标记的样品进行杂交，通过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检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。样品的分析。DNA,DNA,酶酶, ,抗体抗体.扮演不同的角色扮演不同的角色. .微电极阵列微电极阵列常见的生物芯片类型：常见的生物芯片类型：l基因芯片基因芯片l蛋白质芯片蛋白质芯片l组织芯片组织芯片l基因芯片基因芯片是指将大量基因探针分子固定在支持物上，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判断靶分子的数量l蛋白质芯片蛋白质芯片主
24、要是指主要是指蛋白质如抗原或抗体在蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列，依载体上的有序排列，依据蛋白质分子、蛋白质据蛋白质分子、蛋白质与核酸相互作用原理进与核酸相互作用原理进行杂交、检测和分析。行杂交、检测和分析。l组织芯片组织芯片是一种特殊、是一种特殊、新型的生物芯片新型的生物芯片l将数十个甚至上千个不同将数十个甚至上千个不同个体的组织标本集成在一个体的组织标本集成在一张固相载体上，为医学分张固相载体上，为医学分子生物学提供一种高通量、子生物学提供一种高通量、大样本及快速的分子水平大样本及快速的分子水平的分析工具。的分析工具。三、生物传感器的特点：三、生物传感器的特点：l1.1.其识别元件是
25、有选择性好的主体材料构成，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，测定方便样品无需预处理，测定方便l2.2.体积小，可实现连续的原位检测体积小，可实现连续的原位检测l3.3.响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定的，故可反复使用定的，故可反复使用l4.4.成本相对较低，便于普及成本相对较低，便于普及算是生物算是生物电子的一个子的一个综合合,包含了不少内容包含了不少内容.四、生物传感器的应用四、生物传感器的应用l生命科学与卫生保健生命科学与卫生保健l食品检测食品检测l工业及环境工业及环境l。生命科学与卫生保健生命科学与卫生保健主要有：主要有：
26、l家用便携诊断家用便携诊断l医学诊断、检测医学诊断、检测l基因、蛋白测定基因、蛋白测定l细菌、病毒分析细菌、病毒分析l药物分析药物分析l病原体测试（如传染病控制）病原体测试（如传染病控制） 如：如：葡萄糖检测仪，免疫分析检测早孕、乙肝和尿糖的试纸等葡萄糖检测仪，免疫分析检测早孕、乙肝和尿糖的试纸等 l其中葡萄糖检测是目前生物传感器在医疗领域中应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用量最大的一块l血糖仪：血糖仪： 测试条测试条 小型测试仪小型测试仪食品安全与检测：食品安全与检测：安全性检测：安全性检测：l农业、园林和兽医分析农业、园林和兽医分析l基因作物监测基因作物监测l食
27、物和水病原体检测食物和水病原体检测食物快速检测：食物快速检测：l水产品、畜产品新鲜度检测水产品、畜产品新鲜度检测l食品农药和抗生素残留量分析食品农药和抗生素残留量分析l食品添加剂和化学成份分析食品添加剂和化学成份分析l食品中重金属测定食品中重金属测定l含糖量等的分析含糖量等的分析lGeorgiaGeorgia公司研制的公司研制的生物传感器可在两个生物传感器可在两个小时内同时检测出畜小时内同时检测出畜禽肉制品中的多种病禽肉制品中的多种病原体及其含量原体及其含量l光纤维传感器可检测多光纤维传感器可检测多种细菌的含量种细菌的含量Fish freshness meterFish freshness meter： 用于对鱼制品生产过程中鱼肉品用于对鱼制品生产过程中鱼肉品质的监测质的监测工业与环境领域：工业与环境领域：l工业污水检测工业污水检测l环境化合物检测环境化合物检测l采矿、工业和有毒气体检测采矿、工业和有毒气体检测环境废水环境废水BODBOD分析仪分析仪军事领域：军事领域：l生化武器检测生化武器检测l持续检测：如水供应，防止恐怖主义等持续检测：如水供应，防止恐怖主义等
