酶反应器及生物酶传感器

酶反应器及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。第2页,共65页，2024年2月25日，星期天乳腺生物反应器：将外源基因导入载体，位于β－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第3页,共65页，2024年2月25日，星期天乳腺生物反应器

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。

第4页,共65页，2024年2月25日，星期天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，可以减少复杂的生产程序和环境污染。第5页,共65页，2024年2月25日，星期天第一节酶反应器第6页,共65页，2024年2月25日，星期天一、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。第7页,共65页，2024年2月25日，星期天

第8页,共65页，2024年2月25日，星期天常见的酶反应器类型按结构区分搅拌罐式反应器（StirredTankReactor,STR）鼓泡式反应器(bubblecolumnreactor,BCR)填充床式反应器(packedcolumnreactor,PCR)流化床式反应器(FluidizedBedReactor,FBR)膜反应器(MembraneReactor,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(feedingbatch)混合形式连续搅拌罐反应器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）分批搅拌罐反应器（BatchStirredTankReactor,BSTR）第9页,共65页，2024年2月25日，星期天二、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第10页,共65页，2024年2月25日，星期天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。第11页,共65页，2024年2月25日，星期天2.连续搅拌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）第12页,共65页，2024年2月25日，星期天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第13页,共65页，2024年2月25日，星期天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。第14页,共65页，2024年2月25日，星期天优点：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。第15页,共65页，2024年2月25日，星期天目前，流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。第16页,共65页，2024年2月25日，星期天5.膜式酶反应器(MBR)

membranebiologicalreactor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。第17页,共65页，2024年2月25日，星期天常用的是中空纤维反应器第18页,共65页，2024年2月25日，星期天膜反应器类型：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第19页,共65页，2024年2月25日，星期天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。

第20页,共65页，2024年2月25日，星期天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第21页,共65页，2024年2月25日，星期天反应器的选择：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、控制成本第22页,共65页，2024年2月25日，星期天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、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第23页,共65页，2024年2月25日，星期天三、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第24页,共65页，2024年2月25日，星期天设计要求：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第25页,共65页，2024年2月25日，星期天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26页,共65页，2024年2月25日，星期天第二节生物传感器第27页,共65页，2024年2月25日，星期天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，最终被大脑所感知第28页,共65页，2024年2月25日，星期天第29页,共65页，2024年2月25日，星期天一、生物传感器的概念：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（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。第30页,共65页，2024年2月25日，星期天二、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第31页,共65页，2024年2月25日，星期天第32页,共65页，2024年2月25日，星期天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。第33页,共65页，2024年2月25日，星期天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第34页,共65页，2024年2月25日，星期天微电极.

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第35页,共65页，2024年2月25日，星期天——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。酶传感器第36页,共65页，2024年2月25日，星期天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；

第37页,共65页，2024年2月25日，星期天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。

第38页,共65页，2024年2月25日，星期天2.组织传感器

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。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。第39页,共65页，2024年2月25日，星期天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.第40页,共65页，2024年2月25日，星期天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浓度第41页,共65页，2024年2月25日，星期天微悬臂免疫生物传感器:微悬臂:第42页,共65页，2024年2月25日，星期天第43页,共65页，2024年2月25日，星期天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第44页,共65页，2024年2月25日，星期天第45页,共65页，2024年2月25日，星期天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.

第46页,共65页，2024年2月25日，星期天DNA杂交蛋白质杂交第47页,共65页，2024年2月25日，星期天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.第48页,共65页，2024年2月25日，星期天微电极阵列第49页,共65页，2024年2月25日，星期天常见的生物芯片类型：基因芯片蛋白质芯片组织芯片第50页,共65页，2024年2月25日，星期天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第51页,共65页，2024年2月25日，星期天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。第52页,共65页，2024年2月25日，星期天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。第53页,共65页，2024年2月25日，星期天三、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，便于普及第54页,共65页，2024年2月25日，星期天算是生物电子的一个综合,包含了不少内容.

第55页,共65页，2024年2月25日，星期天四、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。。。。第56页,共65页，2024年2月25日，星期天生命科学与卫生保健主要有：家用便携诊断医学诊断、检测