固定化酶固定化细胞

固定化酶固定化细胞第1页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞酶催化剂的优点：专一性强，反应条件温和，反应速度较快。弱点：溶液酶在反应后，分离困难，重复利用困难；溶液酶稳定性差，易失活。1969出现了固定化酶技术。固定化酶就是把原来游离的水溶性酶，固定于某一局部的空间或者固定于载体上。概述第2页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞发展历史1953年，德国，Grubhofer、Schleith，聚氨基苯乙烯树脂为载体，重氮法；1969年，日本，千畑一郎，固定化氨基酰化酶，从DL-氨基酸连续生产L-氨基酸，首次工业规模应用固定化酶，促使酶工程作为一个独立的学科从发酵工程中脱离出来；1971年，第一次国际酶工程会议确定固定化酶统一英文名称为ImmobilizedEnzyme。第3页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞1973年，日本首次在工业上成功应用固定化大肠杆菌菌体中天门冬氨酸酶，由反丁烯二酸连续生产L-天门冬氨酸。1976年，法国首次用固定化酵母细胞生产啤酒和酒精；1978年，日本用固定化枯草杆菌细胞生产淀粉酶，开始了固定化细胞产酶的先例。1979年，固定化毛地黄细胞和长春花细胞成功；1982年，日本首次研究用固定化原生质体生产谷氨酸。第4页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化酶：酶的固定化：将酶和菌体与不溶性载体结合的过程；固定化酶：在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续进行反应，反应后的酶可回收重复使用；概念发展“水不溶酶”（waterinsolubleenzyme)“固相酶”（solidphaseenzyme)1971年第一届国际酶工程会议正式采用“固定化酶（immobilizedenzyme)”第5页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化酶的特点具有生物催化剂的功能，又有固相催化剂的功能。①可多次使用；②反应后，酶底物产物易分开，产物中无残留酶，易纯化，产品质量高；③反应条件易控制；④酶的利用效率高；⑤比水溶性酶更适合于多酶反应；第6页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞水溶性酶水不溶性载体水不溶性酶（固定化酶）固定化技术第7页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化酶生物反应器实际应用中，固定化酶可以装在反应器中，连续生产有利于生产的自动化，提高生产率。鉴于此，70年代以来，该技术受到各国学者的瞩目，纷纷开展固定化酶的研究。第8页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞第一节酶、细胞的固定化方法及固定化后的性质一、固定化的原则和方法酶催化作用依靠它的高级结构及活性中心。固定化时，活性中心的必需基团应避免参加反应；避免高温、强碱、有机溶剂以及高浓度盐的处理，保护靠氢键、离子键、疏水键等弱键维系的酶蛋白质的高级结构。尽可能在温和条件下进行固定化反应。第9页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化方法：载体结合法；交联法；包埋法；其他方法；载体结合法：将酶（细胞）固定在不溶性载体上。靠共价结合、离子结合、和物理吸附。常用的载体：纤维素、葡聚糖、琼脂糖等多糖衍生物颗粒或多孔玻璃等。交联法：使酶与具有两个以上官能团的试剂（如：戊二醛）进行反应，应用化学键把酶固定。第10页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞包埋法：将酶包在凝胶微小格子内，或是将酶包裹在半透性聚合物膜内的固定化方法。常用的凝胶为聚丙烯酰胺、海藻酸钙、胶原、卡拉胶等。包埋法简单，可适用于大多数酶。第11页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞第12页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞第13页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化方法与载体的选择依据⑴固定化酶应用的安全性；⑵固定化酶在操作中的稳定性；⑶固定化的成本；固定化酶的形状⑴颗粒状固定化酶；⑵纤维状固定化酶；⑶膜状固定化酶；⑷管状固定化酶；第14页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞二、固定化酶、细胞的性质1、固定化后的活性酶经固定化后，活力降低。原因是：a.

酶和载体结合时，活性中心的氨基酸也或多或少地参与了结合，使得酶的结构发生部分变化，酶活力有一部分丧失。b.

由于载体的存在，有空间位阻，影响底物和酶接触，酶的活性得不到全部表达。细胞固定化后，一般酶活力不下降。细胞内酶受细胞膜、壁的保护。第15页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化酶结构的改变第16页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞2、稳定性酶或细胞被固定化后，由于载体的存在，酶分子的结构或细胞被约束，对外部恶劣环境的敏感性下降，使其稳定性增加（对热、对各种化学试剂等）。而且有时稳定性增加的幅度比较大。第17页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞3、催化特征a.底物专一性：当底物为大分子时，酶或细胞对底物专一性下降；当底物为小分子时，酶或细胞对底物专一性变化不大。b.最适pH：依固定化载体与酶分子、细胞上所分布电荷的相互作用不同而异。有的变化，有的不变化，有的向pH小的方向移动，有的向pH大的方向移动。第18页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞c.反应的最适温度固定化酶、细胞的最适温度往往升高，升高的幅度不同，2~15℃不等。d.动力学常数固定化酶的表观Km(app)与游离酶的Km相比有些不变，有的变化很大。第19页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞原因可能是：载体间的静电作用，以及扩散效应。如果固定化酶区域的底物浓度比外部液相主体溶液高，Km(app)下降。相反，用包埋法的固定化酶的Km(app)值，可较游离酶多两个数量级。这是由于凝胶中的扩散效应使底物浓度减少，导致内部底物浓度低于外部区域的浓度，Km(app)上升。对于固定化细胞，情况类似。Vmax

一般不变化。第20页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞第二节固定化酶、固定化细胞的应用在上世纪70年代初，出现固定单一的酶，催化单一反应；随后同时固定两种酶或两种以上的酶，以及固定化酶和辅酶，催化复杂一些的反应；再后来发展起来的固定化细胞技术，使得不易提取的不稳定的酶的利用有了方便条件，还可以利用活细胞的完整代谢体系来完成复杂的反应，如乙醇的生产。第21页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞在固定化酶、固定化细胞的研究中发展起来的亲和层析技术，已经远远超出了利用酶和微生物进行催化反应的范畴。例如抗体抗原的提纯是利用了特异的免疫吸附反应。固定化酶和细胞技术的显著特点：p801.连续反应；2.获得的产物纯度高；3.固定化酶或细胞可重复使用，减少了浪费；4.易实现自控…第22页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞应用实例：DL-氨基酸的光学拆分。人体只能利用L-氨基酸，所以L-氨基酸在食品医药领域的应用非常广泛，并且需要量不断增加。化学合成法是生产氨基酸的方法之一，该法成本低，但生产出来的氨基酸是DL外消旋体。要想把L-氨基酸分离出来，需要进行光学拆分。外消旋体：对映体的右旋体和左旋体等量混合后，它们的旋光性相互抵消，不再有旋光性。这样的混合物称为外消旋体，以D、L表示。外消旋体可以用适当方法拆开或分开。第23页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞外消旋化：在一般情况下，和不对称碳原子相连的四个原子或原子团，不能随意调换位置，因此对映体不能相互转换，旋光度维持不变。但在热、光、或者化学试剂的影响下，不对称碳原子上的原子或原子团可发生调换现象，使旋光物质转化为它的对映体，最后得到外消旋体，原来100%的左旋体，经变化后，变成50%左旋体和50%的右旋体，这种现象称为外消旋化。第24页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞DL-氨基酸光学拆分中，以酶法最佳，它是利用酰化氨基酸水解酶，制备纯度高的L-aa，且收率高。

氨基酰化EDL-R-CHCOOH+H2OL-R-CHCOOH+D-R-CHCOOH

不对称水解

NH2

NH2

NHCOR′

溶解度小酰化-DL-aaL-aa

酰化D-aa

外消旋化外消旋体第25页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞泵储罐反应产物离心机消旋反应器固定化酶柱子晶体L-AlaL-AlaA-D-AlaA-L-AlaA-D-Ala固定化酶光学拆分DL-氨基酸生产流程第26页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞1969年，日本，千钿一郎成功地利用固定化酰化氨基酸水解酶，由酰化-DL-氨基酸连续生产L-aa获得成功。这是世界上固定化酶在工业生产上应用的第一个实例。各种光学活性氨基酸都用这种方法生产。该项技术成功的关键是制造出适合于工业化要求的固定化酶。第27页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞果葡糖浆的生产第28页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞葡萄糖不能直接代替蔗糖，因甜度不够，但葡萄糖和果糖是同分异构体，葡萄糖可以异构为果糖。高果糖浆的甜味是蔗糖的2倍。这一应用是目前世界上使用固定化酶规模最大的生产上的实例。(高果糖浆)第29页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞L-苹果酸的生产：p85第30页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞消血栓：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。第31页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞人工肾：原理：将病人血液中的尿素经脲酶水解成氨，再用活性炭吸附。即：用固定化脲酶和微胶囊活性炭组成人工肾。第32页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞酶传感器固定化酶和电化学传感器的结合。优点：①既有不溶性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度；②酶的专一反应性，使其具有较高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定。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。第33页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞酶电极示意图ß-D-葡萄糖＋O2→D-葡萄糖酸-1,5-内酯＋H2O2半透膜酶胶层感应电极根据反应中消耗的O2、生成的葡萄糖酸和H2O2的量，可以用氧电极、pH电极和H2O2电极来测定葡萄糖的含量。第34页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞生物识别元件是酶、抗原(体)、细胞器、组织切片和微生物细胞等生物分子经固定化后形成的一种膜结构，对被测定的物质有选择性的分子识别能力。生物传感器(酶传感器)原理由生物识别单元（如酶、微生物、抗体等）和物理转换器相结合所构成的分析仪器。换能器将识别元件上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光或热等转换为电信号，并呈现一定的比例关系。第35页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞第36页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞酶传感器工作原理示意图酶传感器主要由固定化酶膜和变换器组成：固定化酶膜：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。

第37页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化技术的限制：5个方面见p88

第38页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞第三节固定化酶、细胞反应动力学影响固定化酶反应动力学的因素可归纳下列几个方面：酶活性与酶分子的三维空间结构有关。酶分子被固定时，其构象将发生改变，酶活性部位的三维结构可能改变，从而改变酶的活性。1、酶分子构相的改变和载体屏障效应第39页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞1.酶分子构相的改变和载体屏障效应载体的存在引起屏蔽效应，使酶分子的活性基团不易与底物或效应物接触，从而影响固定化酶的活性。第40页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞2.微环境效应—分配效应固定化酶处于主体溶液中，形成非均相反应系统。在固定化酶附近的环境称为微环境，而主体溶液则称为大环境。由于载体和底物的疏水性、亲水性以及静电作用，使微环境与大环境有不同的性质，从而形成底物和各种效应物的不均匀分布，这种效应称为分配效应。第41页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞3.扩散阻力用固定化酶进行反应时，底物必须从主体溶液传递到固定化酶内部的催化部位。反应后，产物又沿着相反路线从酶的催化部位传递到主体溶液。这些传递过程包括被动分子扩散和对流扩散，传递过程中存在着一个扩散速率限制因素。这种扩散限制效应在扩散效率很低时，而酶的催化活力又相当高时特别显著。第42页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化酶、细胞催化系统是一种非均相反应系统，包括：底物从反应液移向载体表面（外扩散）底物从载体表面移向酶活性中心（内扩散）酶反应产物由反应位点移向载体表面（内扩散）产物移到反应液中（外扩散）总的反应速度取决于最慢的步骤限速步骤有可能是外扩散、内扩散或酶反应。存在的扩散效应会使固定化酶、固定化细胞的动力学行为偏离其液态下的动力学行为。第43页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞4.外扩散及对酶反应动力学的影响外扩散发生在固定化酶周围的处于停滞状态的液膜层。由于存在外扩散阻力，底物将在固定化酶周围形成浓度梯度。滞流层的厚度在一定限度内，它受固定化酶界面周围溶液的相对速度的影响。外扩散限制随反应体系搅拌速度的增加而减少。第44页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞存在外扩散限制的固定化酶反应动力学方程为：Vm=K·E，E为固定化酶浓度Km(app)：表观米氏常数，=Km+α/KLKL=De/y(见p94)在操作上使流体的湍动程度大，能改变或消除外扩散的影响。第45页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞5.内扩散及对酶反应动力学的影响内扩散阻力发生在多孔性固定化酶载体的内部，它是底物传递到固定化酶内部时的一种扩散限制效应。在微环境内底物的消耗和产物的积累程度，和这些物质的分子量大小有关。大分子物质在多孔介质中扩散时，其扩散系数较小，以致在微环境中形成严重的底物枯竭和产物的大量积累，这会严重影响酶促反应速度。第46页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞内扩散限制对酶促反应动力学的影响，比外扩散更为突出，因为外扩散限制可以通过搅拌来基本消除，而内扩散限制无法消除。在固定化酶、固定化细胞的内部，不存在流体流动，其传质完全依赖于分子被动扩散作用。定义η为有效系数：第47页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞固定化酶、细胞的反应速度：Sa

：载体表面底物浓度η是与内扩散系数Φ有关的因子R为固定化颗粒半径第48页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞6.扩散的判定判断出固定化酶、固定化细胞在反应过程中究竟属于哪种扩散效应，对反应动力学的解析和应用非常重要。最简单的判断方法是Arrhenius图解法，见p96。第49页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞第四节固定化酶、细胞反应器1.影响酶反应速度的因素，通常有下列三方面：（1）浓度因素酶浓度、底物浓度、产物浓度浓度因素是所有影响因素中最基本的因素；是均相酶反应动力学的主要内容。第50页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞（2）外部反应环境因素反应环境的温度、压力、pH以及溶剂的介电常数、离子强度等。（3）内部结构因素底物和酶的结构。第51页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞2.酶反应器的设计原理及操作参数为了设计酶反应器以及确定反应操作条件，首先必须了解：反应速度特性以及温度、pH等因素的影响，建立反应速率方程式；反应器的形式和反应器内流体流动状态以及传热特点；产物的产量和质量。物料平衡、热量平衡、反应速率和流动特性等各关系式都可同时应用于反应器设计。参与反应的各组分均服从于质量守恒定律，这是设计的出发点。第52页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞表示反应器性能的重要操作参数：空间时间、转化率和生产率；当有副反应发生时，选择率也是重要的参数。①空间时间τ（简称空时，spacetime）表示反应物在连续操作反应器内停留的时间。空时的倒数称为空速(spacevelocity)。第53页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞PFR:CSTR:VR：反应器容积(L)；Q：加入反应器的底物溶液体积流量。第54页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞②转化率x，又称为反应率。表示加入反应器中底物的转化率。间歇操作:S0:初始浓度；St:经反应时间t后的浓度连续操作:Sin:流入反应器溶液中的底物浓度Sout:流出反应器溶液中的底物浓度第55页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞③生产率Pr（生产能力productivity）反应器单位体积单位时间内的产物生成量。间歇式反应器：连续式反应器：第56页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞④选择率Ssp(selectivity)当反应过程中有副反应发生，还生成其它产物时，通常使用选择率这个概念。

Ssp是实际转化成目的产物量与全部底物可生成产物的理论量之比。式中asp代表1摩尔底物能生成目的产物P的理论量（摩尔），其数值取决于反应的计量式第57页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞3.理想的均相酶反应器的动力学对三种最基本的反应器型式进行讨论。间歇全混流反应罐（BSTR）活塞流反应器（PFR）全混流反应器（CSTR）第58页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞（1）PFR的操作特性方程物料在PFR反应器中的停留时间dlFFS0

S

dV=Adll=0l=LS+dSS以底物S进行物料衡算：流入量=流出量+反应量+积累量FS

F（S+dS）-rsdV0dlFFS0

S

dV=Adll=0l=LS+dSS第59页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞边界条件：L=0，S=S0；l=L，S=S，积分：这是BSTR和PFR的酶反应动力学操作方程式。将米氏方程代入，积分。第60页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞（2）CSTR的操作特性方程稳态时，对于底物S进行物料衡算：流入量=流出量+反应量+积累量

FS0

FSt-rsV0FFS0

St

第61页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞将米氏方程代入整理：CSTR操作特性方程为：第62页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞工程上要求，在最短的操作时间内，用最少量的（固定化）酶，达到最大的产物生成量、最高的底物转化率，以使生产成本最低。(这些条件称之为反应器效率。)下面比较CSTR和PFR的反应器效率：（3）PFR和CSTR反应器的生产时间比较为了方便比较，把操作方程改写为：第63页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞x应在80﹪以上。达同样的转化率，F值差别很大。而且S0/Km越小，差别越显著。结论：PFR的停留时间小于CSTR的停留时间同一反应，工艺条件相同，转化率相同，PFR和CSTR所需的时间不同。转化率越高，两者差距越大。第64页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞（4）PFR和CSTR反应器的用酶量比较第65页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞反应器体积一定，达到相同转化率时，ECSTR/EPFR

与转化率的比较转化率x愈高，Km/S0

越大，用酶量的差别越大。第66页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞在给定的反应体系下，反应器中的装酶量为定值，达一定x下反应器所需酶量愈少；反应器的反应有效容积也就愈大。可见PFR的生产能力比CSTR的大。第67页，共79页，2023年，2月20日，星期四生物工程专业课程生化工程第七章固定化酶固定化细胞第五节固定化酶、细胞反应器及其动力学1.固定化酶、细胞反应器反应器的类型和特点(1)间歇式搅拌罐反应器用于游离酶反应后随即放料。(2)连续流动搅拌罐反